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FACULTAD DE TECNOLOGIA
LABORATORIO DE LODOS DE PERFORACIÓN Y
CEMENTOS PETROLEROS (LAB PGP207)
Docente: Ing. Julio Cesar Poveda Aguilar
Guía de laboratorio No 3
Propiedades fisicoquímicas de los Lodos de
Perforación II (Reología)
Fecha: 2 de Mayo de 2015
Fecha de defensa: 6 de Mayo de 2015
Fecha de práctica: del 11/Mayo/'15 al 16/Mayo/'15
Fecha de presentación de informe: 17/Mayo/2015
Universidad Mayor, Real y Pontificia de San
Francisco Xavier de Chuquisaca
Práctica No 3
Propiedades fisicoquímicas de los Lodos de Perforación II (Reología)
1. Objetivo de la práctica.-
Conocer las pruebas reológicas a condiciones ambientales, realizadas en un Laboratorio de Rutina de Lodos
de Perforación.
2. Objetivos particulares.-
- Preparar un lodo base agua.
- Medir la densidad de un WBM (Water Based Mud).
- Medir el pH de un WBM.
- Medir la viscosidad Marsh de un WBM.
- Medir las propiedades reológicas de un WBM empleando un viscosímetro Fann VG.
- Tipificar un lodo de acuerdo a su comportamiento reológico.
- Ajustar datos experimentales a una correlación.
3. Fundamento Teórico
a) Reología e Hidráulica de los Fluidos de Perforación
La reología es el estudio de la manera en que la materia se deforma y fluye. Se trata de una disciplina que
analiza principalmente la relación entre el esfuerzo de corte y la velocidad de corte, y el impacto que estos
tienen sobre las características de flujo dentro de materiales tubulares y espacios anulares. La hidráulica
describe la manera en que el flujo de fluido crea y utiliza las presiones, en los fluidos de perforación, el
comportamiento del flujo de fluidos debe ser descrito usando modelos reológicos y ecuaciones, antes de poder
aplicar las ecuaciones de hidráulica. (Instituto Americano del Petróleo. 2001)
La reología y la hidráulica facilitan la optimización del proceso de perforación. Estas propiedades físicas
contribuyen a varios aspectos importantes para la perforación exitosa de un pozo, incluyendo:
 Control de las presiones para impedir el influjo de los fluidos de las formaciones.
 Transmitir energía a la mecha para maximizar la velocidad de penetración (ROP).
 Suspender los recortes durante los períodos estáticos.
 Permitir la separación de los sólidos perforados y el gas en la superficie.
 Extraer recortes del pozo.
b) Reología
Según el Instituto Americano del Petróleo. (2001), la reología es la ciencia que estudia la deformación y flujo
de la materia. Al tomar ciertas medidas en un fluido, es posible determinar la manera en que dicho fluido fluirá
bajo diversas condiciones, incluyendo la temperatura, la presión y la velocidad de corte. El término reológico
más conocido es la viscosidad, en su más amplio sentido, se puede describir como la resistencia al flujo de
una sustancia. En el campo petrolífero, los términos a continuación se usan para la viscosidad y las
propiedades reológicas del fluido de perforación:
 Viscosidad de embudo (seg/cuarto de galón o seg/l), Viscosidad aparente (cP o mPa∙seg), Viscosidad
efectiva (cP o mPa∙seg), Viscosidad plástica (cP o mPa∙seg)
c) Términos relacionados con la Reología de los Fluidos de Perforación.
Según Baroid (1997), los términos relacionados con la reología y los diseños hidráulica son:
Tabla N°.1 Términos relacionados con reología e hidráulica de perforación
Término
reológico
Símbolo
Unidad
(es)
Definición
Velocidad de
corte
Γ Seg-1 Cambio de velocidad del fluido dividido por el ancho del
canal a través del cual el flujo se desplaza en flujo laminar.
Esfuerzo de corte Τ
Lb/100pie2
Pa
La fuerza por unidad de superficie requerida para mover un
fluido a una velocidad de corte dada. El esfuerzo de corte
se mide en viscosímetros de campos petroleros por la
deflexión del dial del medidor a una velocidad de corte.
Viscosidad µ
Centipoise
(cP) ó
Pa∙seg
Esfuerzo cortante divido por el correspondiente índice de
corte, o µ= τ/γ. La viscosidad del fluido se puede medir en
un punto determinado o sobre una amplia escala de
mediciones esfuerzo cortante/índice de corte.
Viscosidad
efectiva
µe
cP
Pa∙seg
La viscosidad usada para describir el flujo que fluye a través
de una geometría particular; al cambiar las geometrías del
pozo también cambia la µe. Esta está definida por la
relación del esfuerzo de corte entre la velocidad de corte
µe= Esfuerzo de Corte / Velocidad de Corte
Punto cedente
PC
τy
Lb/100pie2
Pa
La fuerza requerida para iniciar el flujo; el valor calculado
del esfuerzo cortante del fluido cuando el reograma es
extrapolado al eje de las Y en γ= 0seg-1.
Resistencias del
gel
Lb/100pie2
Pa
Mediciones del esfuerzo cortante de un fluido dependiente
del tiempo bajo condiciones estáticas. Las resistencias de
gel son medidas comúnmente después de intervalos de 10
segundos, 10 minutos, y 30 minutos.
Término reológico Símbolo Unidad (es) Definición
Viscosidad plástica VP
cP
Pa∙seg
Es la viscosidad que resulta de la fricción mecánica entre
sólidos, sólidos y líquidos; y líquidos y líquidos. La
viscosidad plástica está generalmente relacionada con el
tamaño, forma y número de las partículas de un fluido en
movimiento. La VP se calcula usando esfuerzos cortantes
medidos a ϴ600 y ϴ300 en el viscosímetro FANN 35.
Índice de flujo n Adimensional
La relación numérica entre el esfuerzo cortante y la
velocidad de corte de un fluido en un gráfico “log-log”. Este
valor describe el grado de comportamiento adelgazante por
corte de un fluido.
Índice de
consistencia
K
(eq) cP
Pa∙segn
Lb/100pie2∙segn
La viscosidad de un fluido que fluye, de idéntico concepto
que VP.
Nota: los efectos viscosos atribuidos a los efectos cortantes
de un fluido
d) Tipos de Fluidos
Un fluido es cualquier sustancia que se deforma cuando se le somete a un esfuerzo de corte o de cizallamiento,
por muy pequeño que éste sea. Según i
PDVSA-CIED (2002), los fluidos se clasifican en:
i. Fluido Newtoniano
La clase más simple de fluidos es la clase de fluidos newtonianos. Los fluidos de base (agua salada, agua
dulce, aceite diesel, aceites minerales y aceites sintéticos) de los fluidos de perforación son newtonianos. En
estos fluidos, el esfuerzo de corte es directamente proporcional a la velocidad de corte.
ii. Fluido No Newtoniano
Cuando un fluido contiene arcillas o partículas coloidales, estas partículas tienden a chocar entre sí,
aumentando el esfuerzo de corte o la fuerza requerida para mantener una velocidad de corte determinada.
Bajo estas circunstancias, el esfuerzo de corte no aumenta en proporción directa a la velocidad de corte. Los
fluidos que se comportan de esta manera son llamados no
newtonianos.
e) Modelos Reológicos
Según Baroid, (1997); al tomar ciertas medidas en un fluido, es posible determinar la manera en que fluirá
bajo diversas condiciones, incluyendo la temperatura, la presión y la velocidad de corte.
Un modelo reológico es una descripción de la relación entre el esfuerzo de corte y la velocidad de corte. La
Ley de viscosidad de Newton es el modelo reológico que describe el comportamiento de flujo de los fluidos
newtonianos. También se llama modelo newtoniano, sin embargo, como la mayoría de los fluidos de
perforación son no newtonianos, este modelo no describe su comportamiento de flujo y como no existe ningún
modelo reológico específico que pueda describir con precisión las características de flujo de todos los fluidos
de perforación, se han desarrollado diversos modelos para describir el comportamiento de flujo de los fluidos
no newtonianos y entre los más aplicados en la industria se pueden citar:
i. Modelo de la ley exponencial
Este modelo describe un fluido en el cual el esfuerzo de corte aumenta según la velocidad de corte elevada
matemáticamente a una potencia determinada. Matemáticamente, el modelo de ley exponencial se expresa
como:
τ = Kγn
Donde:
τ : esfuerzo de corte en lb/100pie2
K: índice de consistencia del fluido en cP o lb/100pie2seg-1
γ : velocidad de corte en seg-1
n : índice de comportamiento de flujo del fluido
ii. Modelo de Herschel – Bulkley (punto cedente – ley de potencia modificada)
Debido a que la mayoría de los fluidos de perforación presentan esfuerzo cortante, el modelo de Herschel –
Bulkley (punto cedente – ley de potencia modificada (MHB) describe el comportamiento reológico de los fluidos
de perforación con mayor exactitud que ningún otro modelo.
El modelo MHB usa la siguiente ecuación para describir el comportamiento de un fluido:
τ = τo + (K γn
)
Donde:
τ : esfuerzo de corte medio en Lb/100pie2
τ0 : esfuerzo del punto cedente del fluido (esfuerzo de velocidad de corte cero) en
Lb/100pie2
K : índice de consistencia del fluido en cP o Lb/100pie2
segn
n : índice de flujo del fluido
γ : velocidad de corte en seg-1
f) Regímenes de Flujo
Según Baroid (1997); estos son conocidos como:
i. Flujo Laminar
que tiene lugar entre bajas y moderadas velocidades de corte en que las capas de fluido pasan unas junto a
otras en forma ordenada. La fricción entre el fluido y las paredes del canal es menor en este tipo de flujo. Los
parámetros reológicos del fluido de perforación son importantes para el cálculo de las pérdidas de presión por
fricción en fluidos de perforación de flujo laminar.
ii. Flujo Turbulento
Producido por altas velocidades de flujo con altos índices de cizallamiento, cuando un fluido se mueve en
forma caótica. En flujo turbulento las partículas son arrastradas al azar y remolinos de corriente. La fricción
entre el fluido y las paredes del canal es mayor en este tipo de flujo y los parámetros reológicos no tienen gran
influencia en los cálculos de las pérdidas de presión friccional.
iii. Flujo Transicional
Cuando el flujo cambia de laminar a turbulento o viceversa, donde la velocidad particular a la cual el flujo
cambia de un régimen a otro se denomina velocidad crítica.
g) Parámetros considerados para los cálculos de Hidráulica de Perforación
Las velocidades y caídas de presión encontradas durante la circulación del fluido de perforación por el
interior de la sarta y el espacio anular son de gran importancia en las operaciones de perforación, por lo cual
es necesario tomar en consideración algunos parámetros para los cálculos en la hidráulica de los fluidos tales
como el número de Reynolds, factor de fricción y viscosidad efectiva del fluido.
Las ecuaciones hidráulicas han sido desarrolladas usando básicamente el modelo de Herschel-Bulckley y
sus soluciones se pueden obtener usando programas computarizados, debido a que este modelo predice
mejor el comportamiento reológico de fluidos de perforación a bajas velocidades de corte, resultan valores
más exactos de caídas de presión en flujo laminar, densidades equivalentes de circulación, entre otros; con
la finalidad de obtener información sobre bombas y circulación, hidráulica de barrenas, limpieza del pozo,
regímenes de flujo, etc. (Baroid. 1997).
h) Términos usados en los cálculos de Hidráulica de Fluidos
Según (1), para predecir el comportamiento de los fluidos de perforación que circulan a través de las tuberías
y espacios anulares se usan ecuaciones matemáticas. Las velocidades y caídas de presiones encontradas
durante la circulación son de particular importancia para las operaciones de perforación.
Existen varios términos importantes usados en cálculos de hidráulica los cuales se definen a continuación:
Número de Reynolds (NRe): un término numérico adimensional decide si un fluido circulante estará en flujo
laminar o turbulento. A menudo un número de Reynolds mayor de 2100 marcará el comienzo de flujo
turbulento, pero no siempre es así.
 Número crítico de Reynolds (NRec): este valor corresponde al número de Reynolds al cual el flujo
laminar se convierte en flujo turbulento.
 Factor de fricción (f): este término adimensional es definido para fluidos de la ley de la potencia en flujo
turbulento y relaciona el número de fluido de Reynolds con un factor de “aspereza” de la tubería. En la siguiente
figura se muestra la relación entre el número de Reynolds y el factor de fricción para flujo laminar (Nre ˂ 2100),
y de diversos valores de n para fluidos en flujo turbulento (NRe ˃ 2100).
 Caídas de presión (∆p/∆L): cuando los fluidos circulan a través de un tubo o espacio anular se
desarrollan fuerzas de fricción. Como resultado, se disipa energía del fluido. Estas fuerzas friccionales se
conocen como caídas de presión, y comúnmente se designan en forma de presión por longitud unitaria.
Cuanto más largo sea un tubo o espacio anular, tanto mayor será la caída presión. Los factores que pueden
afectar la magnitud de la caída de presión incluyen: longitud, índice de flujo (régimen de flujo de tipo laminar
o turbulento), propiedades reológicas del fluido, excentricidad del tubo, geometría del tubo/espacio anular,
aspereza del tubo, etc.
4. Métodos experimentales.-
i) Preparación de un lodo Base Agua
1. Tarar un recipiente (de preferencia una probeta de vidrio por la precisión del volumen medido).
2. Pesar la cantidad de Bentonita de acuerdo al cálculo realizado (trabaje con la densidad indicada).
3. Enrasar con agua hasta un poco menos del nivel del volumen deseado.
4. Agitar bien.
5. Enrasar con una pipeta hasta el volumen exacto.
j) Determinación de la densidad experimental
En esta prueban puede emplear una balanza de lodo o emplear una probeta tarada previamente y una balanza
normal.
Datos experimentales:
Masa de lodo=................................gr Volumen de Lodo=...............................cc
Densidad del Lodo =.......................gr/cc
k) Determinación del pH
Emplear un medidor electrónico de pH. Tenga el cuidado de lavar el electrodo después de la medición y
sumergirlo en su solución estabilizadora.
Dato experimental:
pH=....................
l) Medición de la viscosidad Marsh de un WBM
Armar el embudo Marsh en el soporte universal de la manera más perpendicular posible al mesón.
Tapar el Embudo con el tamiz.
(Reproducido del Manual API Instituto Americano del Petróleo, Dallas, Texas, 2002 / N° de Revisión: A-1 /
Fecha de Revisión: 14-02-01) (2 pág. 3.4)
iv. Descripción
El viscosímetro de Marsh, tiene un diámetro de 6 pulgadas en la parte superior y una longitud de 12 pulgadas.
En la parte inferior, un tubo de orificio liso de 2 pulgadas de largo, con un diámetro interior de 3/16 pulgada,
está acoplado de tal manera que no hay ninguna constricción en la unión. Una malla de tela metálica con
orificios de 1/16 de pulgada,
cubriendo la mitad del embudo, está fijada a 3/4 de pulgada debajo de la parte superior del embudo.
v. Calibración
Llenar el embudo hasta la parte inferior de la malla (1.500 ml) con agua dulce a 70±5°F. . El tiempo requerido
para descargar 1 qt (946 ml) debería ser 26 seg. ±0,5 sec.
vi. Procedimiento
1. Manteniendo el embudo en posición vertical, tapar el orificio con un dedo y verter la muestra de lodo recién
obtenida a través de la malla dentro de un embudo limpio, hasta que el nivel del fluido llegue a la parte inferior
de la malla (1.500 ml).
2. Retirar inmediatamente el dedo del orificio y medir el tiempo requerido para que el lodo llene el vaso receptor
hasta el nivel de 1-qt indicado en el vaso.
3. Ajustar el resultado al segundo entero más próximo como indicación de viscosidad Marsh. Registrar la
temperatura del fluido en grados Fahrenheit o Celsius.
vii. Datos experimentales:
Volumen de Lodo empleado =...............................cc
Volumen de Lodo desplazado =........1000...................cc
Tiempo =............................ s/Lt
Temperatura =................................ °C
Repita la experiencia con el embudo API pero esta vez use las unidades de campo (s/qt). Luego, realice
la misma experiencia con el embudo de construcción local (s/Lt).
Trabaje densificando o diluyendo el lodo, según la indicación de su docente. Con todos estos datos,
luego, comprobar la validez de la formula de Einstein por regresión lineal:
µ = µo (1+k Cs)
Cs es la concentración de sólidos en el lodo y se puede calcular a partir de su densidad.
m) Medición de la viscosidad de un WBM con un VISCOSÍMETRO ROTATIVO
(Reproducido del Manual API Instituto Americano del Petróleo, Dallas, Texas, 2002 / N° de Revisión: A-1 /
Fecha de Revisión: 14-02-01) (2 págs. 3.5-3.6)
i. Descripción
Los viscosímetros de indicación directa son instrumentos de tipo rotativo accionados por un motor eléctrico o
una manivela. El fluido de perforación está contenido dentro del espacio anular entre dos cilindros
concéntricos. El cilindro exterior o manguito de rotor es accionado a una velocidad rotacional (RPM –
revoluciones por minuto) constante. La rotación del manguito de rotor en el fluido impone un torque sobre el
balancín o cilindro interior. Un resorte de torsión limita el movimiento del balancín y su desplazamiento es
indicado por un cuadrante acoplado al balancín. Las constantes del instrumento han sido ajustadas de manera
que se pueda obtener la viscosidad plástica y el punto cedente usando las indicaciones derivadas de las
velocidades del manguito de rotor de 600 y 300 RPM.
Se usa la velocidad de 3 RPM para determinar el esfuerzo de gel.
ii. PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD APARENTE, LA VISCOSIDAD PLÁSTICA Y EL
PUNTO CEDENTE
1. Colocar la muestra recién agitada dentro de un vaso térmico y ajustar la superficie del lodo al nivel de la
línea trazada en el manguito de rotor. 2. Calentar o enfriar la muestra hasta 120ºF (49ºC). Agitar lentamente
mientras se ajusta la temperatura. 3. Arrancar el motor colocando el conmutador en la posición de alta
velocidad, con la palanca de cambio de velocidad en la posición más baja. Esperar que el cuadrante indique
un valor constante y registrar la indicación obtenida a 600 RPM. Cambiar las velocidades solamente cuando
el motor está en marcha. 4. Ajustar el conmutador a la velocidad de 300 RPM. Esperar que el cuadrante
indique un valor constante y registrar el valor indicado para 300 RPM. 5. Viscosidad plástica en centipoise =
indicación a 600 RPM menos indicación a 300 RPM (ver la Figura 4). 6. Punto Cedente en lb/100 pies2 =
indicación a 300 RPM menos viscosidad plástica en centipoise. 7. Viscosidad aparente en centipoise =
indicación a 600 RPM dividida por 2.
iii. PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACIÓN DEL ESFUERZO DE GEL
1. Agitar la muestra a 600 RPM durante aproximadamente 15 segundos y levantar lentamente el mecanismo
de cambio de velocidad hasta la posición neutra. 2. Apagar el motor y esperar 10 segundos. 3. Poner el
conmutador en la posición de baja velocidad y registrar las unidades de deflexión máxima en lb/100 pies2
como esfuerzo de gel inicial. Si el indicador del cuadrante no vuelve a ponerse a cero con el motor apagado,
no se debe reposicionar el conmutador. 4. Repetir las etapas 1 y 2, pero dejar un tiempo de 10 minutos y luego
poner el conmutador en la posición de baja velocidad y registrar las unidades de deflexión máxima como
esfuerzo de gel a 10 minutos. Indicar la temperatura medida. Mantenimiento del Instrumento Limpiar el
instrumento operándolo a gran velocidad con el manguito de rotor sumergido en agua u otro solvente. Retirar
el manguito de rotor torciendo ligeramente para soltar la clavija de cierre. Limpiar minuciosamente el balancín
y las otras piezas con un trapo limpio y seco o una servilleta de papel. CUIDADO: El balancín es hueco y
puede quitarse para ser limpiado. A veces, la humedad puede acumularse dentro del balancín y debería ser
eliminada con un limpiador para tubos. La inmersión del balancín hueco en lodo extremadamente caliente
(>200ºF) podría causar una explosión muy peligrosa. OBSERVACIÓN: Nunca sumergir el instrumento en
agua.
En la práctica, se realizará la lectura del cuadrante a todas las velocidades angulares posibles.
- Medir la viscosidad de un WBM empleando un viscosímetro Fann.
- Tipificar un lodo de acuerdo a su comportamiento reológico.
- Ajustar los datos experimentales a una correlación.
iv. Datos experimentales:
Volumen de Lodo empleado =...............................cc
Temperatura =................................ °C (No se acondicionará la temperatura, se realizará la experiencia
a temperatura ambiente)
Ω (RPM) Θ (cp)
600
300
Repita estas mediciones con el viscosímetro manual (una vuelta de la manija produce 12 vueltas del rotor), y
el Reómetro computarizado.
Luego, tipifique el comportamiento reológico de su lodo, de acuerdo a los modelos (Newtoniano, plástico de
Bingham, Ley de la Potencia, Hershley Bulkley.)
Al terminar las pruebas, debe realizar su reporte en grupos de dos (2) personas y responder mínimamente a
las siguientes preguntas como orientación en las conclusiones (pueden surgir otras interrogantes también):
- ¿Cual es la relación funcional entre densidad y viscosidad del lodo?
-¿Cuanto error producen las medidas realizadas en el embudo Marsh de fabricación local?
- Analice y compare los viscosímetros manual y eléctrico.
- ¿Se cumple la ecuación de Einstein? explicar en base a R y R2
- ¿Existe una diferencia significativa entre los dispositivos de medición empleados en las mediciones?
Respalde este criterio con las pruebas estadísticas respectivas.
Contenido
1. Objetivo de la práctica.- .............................................................................................. 2
2. Objetivos particulares.- ............................................................................................... 2
3. Fundamento Teórico................................................................................................... 2
a) Reología e Hidráulica de los Fluidos de Perforación ............................................... 2
b) Reología.................................................................................................................. 2
c) Términos relacionados con la Reología de los Fluidos de Perforación.................... 2
d) Tipos de Fluidos...................................................................................................... 3
e) Modelos Reológicos................................................................................................ 4
f) Regímenes de Flujo ................................................................................................ 4
g) Parámetros considerados para los cálculos de Hidráulica de Perforación............... 4
h) Términos usados en los cálculos de Hidráulica de Fluidos...................................... 5
4. Métodos experimentales.-........................................................................................... 5
i) Preparación de un lodo Base Agua......................................................................... 5
j) Determinación de la densidad experimental............................................................ 5
k) Determinación del pH.............................................................................................. 5
l) Medición de la viscosidad Marsh de un WBM ......................................................... 5
m) Medición de la viscosidad de un WBM con un VISCOSÍMETRO ROTATIVO ...... 6
Contenido.............................................................................................................................. 7
Bibliografía ............................................................................................................................ 8
Bibliografía
1. BAROID. MANUAL DE FLUIDOS. Houston, USA : s.n., 1997.
2. American Petroleum Institute. Manual de Fluidos de Perforación. [trad.] Instituto Americano del Petróleo.
Dallas : Instituto Americano del Petróleo, 2002.

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  • 1. FACULTAD DE TECNOLOGIA LABORATORIO DE LODOS DE PERFORACIÓN Y CEMENTOS PETROLEROS (LAB PGP207) Docente: Ing. Julio Cesar Poveda Aguilar Guía de laboratorio No 3 Propiedades fisicoquímicas de los Lodos de Perforación II (Reología) Fecha: 2 de Mayo de 2015 Fecha de defensa: 6 de Mayo de 2015 Fecha de práctica: del 11/Mayo/'15 al 16/Mayo/'15 Fecha de presentación de informe: 17/Mayo/2015 Universidad Mayor, Real y Pontificia de San Francisco Xavier de Chuquisaca
  • 2. Práctica No 3 Propiedades fisicoquímicas de los Lodos de Perforación II (Reología) 1. Objetivo de la práctica.- Conocer las pruebas reológicas a condiciones ambientales, realizadas en un Laboratorio de Rutina de Lodos de Perforación. 2. Objetivos particulares.- - Preparar un lodo base agua. - Medir la densidad de un WBM (Water Based Mud). - Medir el pH de un WBM. - Medir la viscosidad Marsh de un WBM. - Medir las propiedades reológicas de un WBM empleando un viscosímetro Fann VG. - Tipificar un lodo de acuerdo a su comportamiento reológico. - Ajustar datos experimentales a una correlación. 3. Fundamento Teórico a) Reología e Hidráulica de los Fluidos de Perforación La reología es el estudio de la manera en que la materia se deforma y fluye. Se trata de una disciplina que analiza principalmente la relación entre el esfuerzo de corte y la velocidad de corte, y el impacto que estos tienen sobre las características de flujo dentro de materiales tubulares y espacios anulares. La hidráulica describe la manera en que el flujo de fluido crea y utiliza las presiones, en los fluidos de perforación, el comportamiento del flujo de fluidos debe ser descrito usando modelos reológicos y ecuaciones, antes de poder aplicar las ecuaciones de hidráulica. (Instituto Americano del Petróleo. 2001) La reología y la hidráulica facilitan la optimización del proceso de perforación. Estas propiedades físicas contribuyen a varios aspectos importantes para la perforación exitosa de un pozo, incluyendo:  Control de las presiones para impedir el influjo de los fluidos de las formaciones.  Transmitir energía a la mecha para maximizar la velocidad de penetración (ROP).  Suspender los recortes durante los períodos estáticos.  Permitir la separación de los sólidos perforados y el gas en la superficie.  Extraer recortes del pozo. b) Reología Según el Instituto Americano del Petróleo. (2001), la reología es la ciencia que estudia la deformación y flujo de la materia. Al tomar ciertas medidas en un fluido, es posible determinar la manera en que dicho fluido fluirá bajo diversas condiciones, incluyendo la temperatura, la presión y la velocidad de corte. El término reológico más conocido es la viscosidad, en su más amplio sentido, se puede describir como la resistencia al flujo de una sustancia. En el campo petrolífero, los términos a continuación se usan para la viscosidad y las propiedades reológicas del fluido de perforación:  Viscosidad de embudo (seg/cuarto de galón o seg/l), Viscosidad aparente (cP o mPa∙seg), Viscosidad efectiva (cP o mPa∙seg), Viscosidad plástica (cP o mPa∙seg) c) Términos relacionados con la Reología de los Fluidos de Perforación. Según Baroid (1997), los términos relacionados con la reología y los diseños hidráulica son:
  • 3. Tabla N°.1 Términos relacionados con reología e hidráulica de perforación Término reológico Símbolo Unidad (es) Definición Velocidad de corte Γ Seg-1 Cambio de velocidad del fluido dividido por el ancho del canal a través del cual el flujo se desplaza en flujo laminar. Esfuerzo de corte Τ Lb/100pie2 Pa La fuerza por unidad de superficie requerida para mover un fluido a una velocidad de corte dada. El esfuerzo de corte se mide en viscosímetros de campos petroleros por la deflexión del dial del medidor a una velocidad de corte. Viscosidad µ Centipoise (cP) ó Pa∙seg Esfuerzo cortante divido por el correspondiente índice de corte, o µ= τ/γ. La viscosidad del fluido se puede medir en un punto determinado o sobre una amplia escala de mediciones esfuerzo cortante/índice de corte. Viscosidad efectiva µe cP Pa∙seg La viscosidad usada para describir el flujo que fluye a través de una geometría particular; al cambiar las geometrías del pozo también cambia la µe. Esta está definida por la relación del esfuerzo de corte entre la velocidad de corte µe= Esfuerzo de Corte / Velocidad de Corte Punto cedente PC τy Lb/100pie2 Pa La fuerza requerida para iniciar el flujo; el valor calculado del esfuerzo cortante del fluido cuando el reograma es extrapolado al eje de las Y en γ= 0seg-1. Resistencias del gel Lb/100pie2 Pa Mediciones del esfuerzo cortante de un fluido dependiente del tiempo bajo condiciones estáticas. Las resistencias de gel son medidas comúnmente después de intervalos de 10 segundos, 10 minutos, y 30 minutos. Término reológico Símbolo Unidad (es) Definición Viscosidad plástica VP cP Pa∙seg Es la viscosidad que resulta de la fricción mecánica entre sólidos, sólidos y líquidos; y líquidos y líquidos. La viscosidad plástica está generalmente relacionada con el tamaño, forma y número de las partículas de un fluido en movimiento. La VP se calcula usando esfuerzos cortantes medidos a ϴ600 y ϴ300 en el viscosímetro FANN 35. Índice de flujo n Adimensional La relación numérica entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte de un fluido en un gráfico “log-log”. Este valor describe el grado de comportamiento adelgazante por corte de un fluido. Índice de consistencia K (eq) cP Pa∙segn Lb/100pie2∙segn La viscosidad de un fluido que fluye, de idéntico concepto que VP. Nota: los efectos viscosos atribuidos a los efectos cortantes de un fluido d) Tipos de Fluidos Un fluido es cualquier sustancia que se deforma cuando se le somete a un esfuerzo de corte o de cizallamiento, por muy pequeño que éste sea. Según i PDVSA-CIED (2002), los fluidos se clasifican en: i. Fluido Newtoniano La clase más simple de fluidos es la clase de fluidos newtonianos. Los fluidos de base (agua salada, agua dulce, aceite diesel, aceites minerales y aceites sintéticos) de los fluidos de perforación son newtonianos. En estos fluidos, el esfuerzo de corte es directamente proporcional a la velocidad de corte. ii. Fluido No Newtoniano Cuando un fluido contiene arcillas o partículas coloidales, estas partículas tienden a chocar entre sí, aumentando el esfuerzo de corte o la fuerza requerida para mantener una velocidad de corte determinada. Bajo estas circunstancias, el esfuerzo de corte no aumenta en proporción directa a la velocidad de corte. Los fluidos que se comportan de esta manera son llamados no
  • 4. newtonianos. e) Modelos Reológicos Según Baroid, (1997); al tomar ciertas medidas en un fluido, es posible determinar la manera en que fluirá bajo diversas condiciones, incluyendo la temperatura, la presión y la velocidad de corte. Un modelo reológico es una descripción de la relación entre el esfuerzo de corte y la velocidad de corte. La Ley de viscosidad de Newton es el modelo reológico que describe el comportamiento de flujo de los fluidos newtonianos. También se llama modelo newtoniano, sin embargo, como la mayoría de los fluidos de perforación son no newtonianos, este modelo no describe su comportamiento de flujo y como no existe ningún modelo reológico específico que pueda describir con precisión las características de flujo de todos los fluidos de perforación, se han desarrollado diversos modelos para describir el comportamiento de flujo de los fluidos no newtonianos y entre los más aplicados en la industria se pueden citar: i. Modelo de la ley exponencial Este modelo describe un fluido en el cual el esfuerzo de corte aumenta según la velocidad de corte elevada matemáticamente a una potencia determinada. Matemáticamente, el modelo de ley exponencial se expresa como: τ = Kγn Donde: τ : esfuerzo de corte en lb/100pie2 K: índice de consistencia del fluido en cP o lb/100pie2seg-1 γ : velocidad de corte en seg-1 n : índice de comportamiento de flujo del fluido ii. Modelo de Herschel – Bulkley (punto cedente – ley de potencia modificada) Debido a que la mayoría de los fluidos de perforación presentan esfuerzo cortante, el modelo de Herschel – Bulkley (punto cedente – ley de potencia modificada (MHB) describe el comportamiento reológico de los fluidos de perforación con mayor exactitud que ningún otro modelo. El modelo MHB usa la siguiente ecuación para describir el comportamiento de un fluido: τ = τo + (K γn ) Donde: τ : esfuerzo de corte medio en Lb/100pie2 τ0 : esfuerzo del punto cedente del fluido (esfuerzo de velocidad de corte cero) en Lb/100pie2 K : índice de consistencia del fluido en cP o Lb/100pie2 segn n : índice de flujo del fluido γ : velocidad de corte en seg-1 f) Regímenes de Flujo Según Baroid (1997); estos son conocidos como: i. Flujo Laminar que tiene lugar entre bajas y moderadas velocidades de corte en que las capas de fluido pasan unas junto a otras en forma ordenada. La fricción entre el fluido y las paredes del canal es menor en este tipo de flujo. Los parámetros reológicos del fluido de perforación son importantes para el cálculo de las pérdidas de presión por fricción en fluidos de perforación de flujo laminar. ii. Flujo Turbulento Producido por altas velocidades de flujo con altos índices de cizallamiento, cuando un fluido se mueve en forma caótica. En flujo turbulento las partículas son arrastradas al azar y remolinos de corriente. La fricción entre el fluido y las paredes del canal es mayor en este tipo de flujo y los parámetros reológicos no tienen gran influencia en los cálculos de las pérdidas de presión friccional. iii. Flujo Transicional Cuando el flujo cambia de laminar a turbulento o viceversa, donde la velocidad particular a la cual el flujo cambia de un régimen a otro se denomina velocidad crítica. g) Parámetros considerados para los cálculos de Hidráulica de Perforación Las velocidades y caídas de presión encontradas durante la circulación del fluido de perforación por el interior de la sarta y el espacio anular son de gran importancia en las operaciones de perforación, por lo cual
  • 5. es necesario tomar en consideración algunos parámetros para los cálculos en la hidráulica de los fluidos tales como el número de Reynolds, factor de fricción y viscosidad efectiva del fluido. Las ecuaciones hidráulicas han sido desarrolladas usando básicamente el modelo de Herschel-Bulckley y sus soluciones se pueden obtener usando programas computarizados, debido a que este modelo predice mejor el comportamiento reológico de fluidos de perforación a bajas velocidades de corte, resultan valores más exactos de caídas de presión en flujo laminar, densidades equivalentes de circulación, entre otros; con la finalidad de obtener información sobre bombas y circulación, hidráulica de barrenas, limpieza del pozo, regímenes de flujo, etc. (Baroid. 1997). h) Términos usados en los cálculos de Hidráulica de Fluidos Según (1), para predecir el comportamiento de los fluidos de perforación que circulan a través de las tuberías y espacios anulares se usan ecuaciones matemáticas. Las velocidades y caídas de presiones encontradas durante la circulación son de particular importancia para las operaciones de perforación. Existen varios términos importantes usados en cálculos de hidráulica los cuales se definen a continuación: Número de Reynolds (NRe): un término numérico adimensional decide si un fluido circulante estará en flujo laminar o turbulento. A menudo un número de Reynolds mayor de 2100 marcará el comienzo de flujo turbulento, pero no siempre es así.  Número crítico de Reynolds (NRec): este valor corresponde al número de Reynolds al cual el flujo laminar se convierte en flujo turbulento.  Factor de fricción (f): este término adimensional es definido para fluidos de la ley de la potencia en flujo turbulento y relaciona el número de fluido de Reynolds con un factor de “aspereza” de la tubería. En la siguiente figura se muestra la relación entre el número de Reynolds y el factor de fricción para flujo laminar (Nre ˂ 2100), y de diversos valores de n para fluidos en flujo turbulento (NRe ˃ 2100).  Caídas de presión (∆p/∆L): cuando los fluidos circulan a través de un tubo o espacio anular se desarrollan fuerzas de fricción. Como resultado, se disipa energía del fluido. Estas fuerzas friccionales se conocen como caídas de presión, y comúnmente se designan en forma de presión por longitud unitaria. Cuanto más largo sea un tubo o espacio anular, tanto mayor será la caída presión. Los factores que pueden afectar la magnitud de la caída de presión incluyen: longitud, índice de flujo (régimen de flujo de tipo laminar o turbulento), propiedades reológicas del fluido, excentricidad del tubo, geometría del tubo/espacio anular, aspereza del tubo, etc. 4. Métodos experimentales.- i) Preparación de un lodo Base Agua 1. Tarar un recipiente (de preferencia una probeta de vidrio por la precisión del volumen medido). 2. Pesar la cantidad de Bentonita de acuerdo al cálculo realizado (trabaje con la densidad indicada). 3. Enrasar con agua hasta un poco menos del nivel del volumen deseado. 4. Agitar bien. 5. Enrasar con una pipeta hasta el volumen exacto. j) Determinación de la densidad experimental En esta prueban puede emplear una balanza de lodo o emplear una probeta tarada previamente y una balanza normal. Datos experimentales: Masa de lodo=................................gr Volumen de Lodo=...............................cc Densidad del Lodo =.......................gr/cc k) Determinación del pH Emplear un medidor electrónico de pH. Tenga el cuidado de lavar el electrodo después de la medición y sumergirlo en su solución estabilizadora. Dato experimental: pH=.................... l) Medición de la viscosidad Marsh de un WBM Armar el embudo Marsh en el soporte universal de la manera más perpendicular posible al mesón.
  • 6. Tapar el Embudo con el tamiz. (Reproducido del Manual API Instituto Americano del Petróleo, Dallas, Texas, 2002 / N° de Revisión: A-1 / Fecha de Revisión: 14-02-01) (2 pág. 3.4) iv. Descripción El viscosímetro de Marsh, tiene un diámetro de 6 pulgadas en la parte superior y una longitud de 12 pulgadas. En la parte inferior, un tubo de orificio liso de 2 pulgadas de largo, con un diámetro interior de 3/16 pulgada, está acoplado de tal manera que no hay ninguna constricción en la unión. Una malla de tela metálica con orificios de 1/16 de pulgada, cubriendo la mitad del embudo, está fijada a 3/4 de pulgada debajo de la parte superior del embudo. v. Calibración Llenar el embudo hasta la parte inferior de la malla (1.500 ml) con agua dulce a 70±5°F. . El tiempo requerido para descargar 1 qt (946 ml) debería ser 26 seg. ±0,5 sec. vi. Procedimiento 1. Manteniendo el embudo en posición vertical, tapar el orificio con un dedo y verter la muestra de lodo recién obtenida a través de la malla dentro de un embudo limpio, hasta que el nivel del fluido llegue a la parte inferior de la malla (1.500 ml). 2. Retirar inmediatamente el dedo del orificio y medir el tiempo requerido para que el lodo llene el vaso receptor hasta el nivel de 1-qt indicado en el vaso. 3. Ajustar el resultado al segundo entero más próximo como indicación de viscosidad Marsh. Registrar la temperatura del fluido en grados Fahrenheit o Celsius. vii. Datos experimentales: Volumen de Lodo empleado =...............................cc Volumen de Lodo desplazado =........1000...................cc Tiempo =............................ s/Lt Temperatura =................................ °C Repita la experiencia con el embudo API pero esta vez use las unidades de campo (s/qt). Luego, realice la misma experiencia con el embudo de construcción local (s/Lt). Trabaje densificando o diluyendo el lodo, según la indicación de su docente. Con todos estos datos, luego, comprobar la validez de la formula de Einstein por regresión lineal: µ = µo (1+k Cs) Cs es la concentración de sólidos en el lodo y se puede calcular a partir de su densidad. m) Medición de la viscosidad de un WBM con un VISCOSÍMETRO ROTATIVO (Reproducido del Manual API Instituto Americano del Petróleo, Dallas, Texas, 2002 / N° de Revisión: A-1 / Fecha de Revisión: 14-02-01) (2 págs. 3.5-3.6) i. Descripción Los viscosímetros de indicación directa son instrumentos de tipo rotativo accionados por un motor eléctrico o una manivela. El fluido de perforación está contenido dentro del espacio anular entre dos cilindros concéntricos. El cilindro exterior o manguito de rotor es accionado a una velocidad rotacional (RPM – revoluciones por minuto) constante. La rotación del manguito de rotor en el fluido impone un torque sobre el balancín o cilindro interior. Un resorte de torsión limita el movimiento del balancín y su desplazamiento es indicado por un cuadrante acoplado al balancín. Las constantes del instrumento han sido ajustadas de manera que se pueda obtener la viscosidad plástica y el punto cedente usando las indicaciones derivadas de las velocidades del manguito de rotor de 600 y 300 RPM. Se usa la velocidad de 3 RPM para determinar el esfuerzo de gel. ii. PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD APARENTE, LA VISCOSIDAD PLÁSTICA Y EL PUNTO CEDENTE 1. Colocar la muestra recién agitada dentro de un vaso térmico y ajustar la superficie del lodo al nivel de la línea trazada en el manguito de rotor. 2. Calentar o enfriar la muestra hasta 120ºF (49ºC). Agitar lentamente mientras se ajusta la temperatura. 3. Arrancar el motor colocando el conmutador en la posición de alta velocidad, con la palanca de cambio de velocidad en la posición más baja. Esperar que el cuadrante indique un valor constante y registrar la indicación obtenida a 600 RPM. Cambiar las velocidades solamente cuando el motor está en marcha. 4. Ajustar el conmutador a la velocidad de 300 RPM. Esperar que el cuadrante indique un valor constante y registrar el valor indicado para 300 RPM. 5. Viscosidad plástica en centipoise = indicación a 600 RPM menos indicación a 300 RPM (ver la Figura 4). 6. Punto Cedente en lb/100 pies2 = indicación a 300 RPM menos viscosidad plástica en centipoise. 7. Viscosidad aparente en centipoise = indicación a 600 RPM dividida por 2.
  • 7. iii. PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACIÓN DEL ESFUERZO DE GEL 1. Agitar la muestra a 600 RPM durante aproximadamente 15 segundos y levantar lentamente el mecanismo de cambio de velocidad hasta la posición neutra. 2. Apagar el motor y esperar 10 segundos. 3. Poner el conmutador en la posición de baja velocidad y registrar las unidades de deflexión máxima en lb/100 pies2 como esfuerzo de gel inicial. Si el indicador del cuadrante no vuelve a ponerse a cero con el motor apagado, no se debe reposicionar el conmutador. 4. Repetir las etapas 1 y 2, pero dejar un tiempo de 10 minutos y luego poner el conmutador en la posición de baja velocidad y registrar las unidades de deflexión máxima como esfuerzo de gel a 10 minutos. Indicar la temperatura medida. Mantenimiento del Instrumento Limpiar el instrumento operándolo a gran velocidad con el manguito de rotor sumergido en agua u otro solvente. Retirar el manguito de rotor torciendo ligeramente para soltar la clavija de cierre. Limpiar minuciosamente el balancín y las otras piezas con un trapo limpio y seco o una servilleta de papel. CUIDADO: El balancín es hueco y puede quitarse para ser limpiado. A veces, la humedad puede acumularse dentro del balancín y debería ser eliminada con un limpiador para tubos. La inmersión del balancín hueco en lodo extremadamente caliente (>200ºF) podría causar una explosión muy peligrosa. OBSERVACIÓN: Nunca sumergir el instrumento en agua. En la práctica, se realizará la lectura del cuadrante a todas las velocidades angulares posibles. - Medir la viscosidad de un WBM empleando un viscosímetro Fann. - Tipificar un lodo de acuerdo a su comportamiento reológico. - Ajustar los datos experimentales a una correlación. iv. Datos experimentales: Volumen de Lodo empleado =...............................cc Temperatura =................................ °C (No se acondicionará la temperatura, se realizará la experiencia a temperatura ambiente) Ω (RPM) Θ (cp) 600 300 Repita estas mediciones con el viscosímetro manual (una vuelta de la manija produce 12 vueltas del rotor), y el Reómetro computarizado. Luego, tipifique el comportamiento reológico de su lodo, de acuerdo a los modelos (Newtoniano, plástico de Bingham, Ley de la Potencia, Hershley Bulkley.) Al terminar las pruebas, debe realizar su reporte en grupos de dos (2) personas y responder mínimamente a las siguientes preguntas como orientación en las conclusiones (pueden surgir otras interrogantes también): - ¿Cual es la relación funcional entre densidad y viscosidad del lodo? -¿Cuanto error producen las medidas realizadas en el embudo Marsh de fabricación local? - Analice y compare los viscosímetros manual y eléctrico. - ¿Se cumple la ecuación de Einstein? explicar en base a R y R2 - ¿Existe una diferencia significativa entre los dispositivos de medición empleados en las mediciones? Respalde este criterio con las pruebas estadísticas respectivas. Contenido 1. Objetivo de la práctica.- .............................................................................................. 2 2. Objetivos particulares.- ............................................................................................... 2 3. Fundamento Teórico................................................................................................... 2 a) Reología e Hidráulica de los Fluidos de Perforación ............................................... 2 b) Reología.................................................................................................................. 2 c) Términos relacionados con la Reología de los Fluidos de Perforación.................... 2 d) Tipos de Fluidos...................................................................................................... 3
  • 8. e) Modelos Reológicos................................................................................................ 4 f) Regímenes de Flujo ................................................................................................ 4 g) Parámetros considerados para los cálculos de Hidráulica de Perforación............... 4 h) Términos usados en los cálculos de Hidráulica de Fluidos...................................... 5 4. Métodos experimentales.-........................................................................................... 5 i) Preparación de un lodo Base Agua......................................................................... 5 j) Determinación de la densidad experimental............................................................ 5 k) Determinación del pH.............................................................................................. 5 l) Medición de la viscosidad Marsh de un WBM ......................................................... 5 m) Medición de la viscosidad de un WBM con un VISCOSÍMETRO ROTATIVO ...... 6 Contenido.............................................................................................................................. 7 Bibliografía ............................................................................................................................ 8 Bibliografía 1. BAROID. MANUAL DE FLUIDOS. Houston, USA : s.n., 1997. 2. American Petroleum Institute. Manual de Fluidos de Perforación. [trad.] Instituto Americano del Petróleo. Dallas : Instituto Americano del Petróleo, 2002.