REOLOGÍA, PROPIEDADES Y EQUIPOS DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIÓN

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1 REOLOGÍA, PROPIEDADES Y EQUIPOS DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIÓN
UNIDAD 2. REOLOGÍA, PROPIEDADES Y EQUIPOS DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIÓN MARIO AVALOS SALAZAR

2 CONTENIDO 2. REOLOGÍA, PROPIEDADES Y EQUIPOS DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIÓN 2. 1. REOLOGÍA Definición Reología Fluidos Newtonianos Fluidos No Newtonianos A. Modelo Plástico Bingham B. Modelo Potencia C. Modelo Potencia Modificada o Herchel -Bulkley 2.2. PROPIEDADES Y EQUIPOS Densidad - Balanza de lodos Viscosidad embudo API - Embudo Marsh Viscosidad plástica, Punto cedente, Fuerza de gel - Viscosímetro FAN Filtrado API- Filtro prensa API Filtrado HP HT - Filtro prensa HP HT Porcentaje de arena, Porcentaje de sólidos y líquidos - Retorta PH - PHmetro Dureza de calcio y magnesio Cloruros Alcalinidad filtrado y lodo PF, MF, PM Prueba azul Metileno (MBT)

3 2.1. REOLOGÍA 2.1.1 Definición Reología Δ𝑦 𝑦 Reo = Flujo
Logos = Estudio La Reología es el estudio del flujo de la materia (fluidos perforación) y su deformación. Se trata de una disciplina que analiza principalmente la relación entre el esfuerzo de corte (𝝉) y la velocidad de corte o cizallamiento (𝜸), y el impacto que estos tienen sobre las características de flujo dentro de materiales tubulares y espacios anulares Δ𝑦 𝑦 𝝉= 𝑭 𝑨 𝒍𝒃𝒇 𝟏𝟎𝟎 𝒇𝒕 𝜸= 𝚫𝒗 𝚫𝒚 𝟏 𝒔

4 2.1. REOLOGÍA 2.1.1 Definición Reología
Se requiere la Reología para predecir: Qué tan bueno es el transporte los recortes afuera del pozo Qué tan buena es la limpieza de los ripios en la cara de la barrena. Cuáles son las pérdidas de presión en el sistema. Cómo se comporta el sistema de fluido con los regímenes de flujo que se emplean en el pozo. En otras palabras se necesita entender la hidráulica de los fluidos de perforación.

5 2.1. REOLOGÍA 2.1.1 Definición Reología Modelos Reológicos
Los modelos reológicos generalmente usados por ingenieros de perforación para simular y aproximar el comportamiento de flujo son: Newtoniano No Newtonianos Plástico de Bingham Potencia Potencia Modificada o Herchel -Bulkley

6 2.1. REOLOGÍA 2.1.2. Fluidos Newtonianos 𝑭 𝑨 =𝝁 𝚫𝒗 𝚫𝑳
Las fuerzas viscosas presentes en un fluido Newtoniano simple son caracterizadas por la viscosidad del fluido Para comprender la naturaleza de la viscosidad, consideremos un fluido contenido entre dos grandes placas paralelas de área “A”, separadas por una pequeña distancia “L”. La placa superior, que se encuentra inicialmente en reposo, es puesta en movimiento en la dirección “x” a una velocidad constante “v”. Luego de un tiempo suficiente para lograr un movimiento estable, se requiere una fuerza constante “F” para mantener la placa superior en movimiento a velocidad constante. Experimentalmente se vio que: 𝑭 𝑨 =𝝁 𝚫𝒗 𝚫𝑳 Donde: 𝝉= 𝑭 𝑨 ; 𝜸= 𝚫𝒗 𝑨𝑳 Ley Newton viscosidad 𝝉=𝝁 𝜸 𝑭 𝑨 =𝝁 𝚫𝒗 𝚫𝑳

7 2.1. REOLOGÍA 2.1.2. Fluidos Newtonianos 𝝉=𝝁 𝜸 𝝉=𝝁 𝜸
Los fluidos Newtonianos son aquellos en los cuales la viscosidad permanece constante para todas las velocidades de cizallamiento siempre y cuando la temperatura y la presión permanezcan constantes. Ejemplos de Fluidos Newtonianos son: el agua, la glicerina y el aceite ligero. 𝝉=𝝁 𝜸 𝝉=𝝁 𝜸

8 2.1. REOLOGÍA 2.1.2. Fluidos Newtonianos Viscosidad
La viscosidad se define como la resistencia de un líquido a fluir. Esta resistencia es provocada por las fuerzas de atracción entre las moléculas del líquido. y se define como la razón del esfuerzo cortante a la velocidad de corte o cizallamiento. La unidad “Poise” es algo grande, por lo que se prefiere expresar la viscosidad en “Centipoise” [cP] que es 1/100 de 1 Poise [P]. Tipos de viscosidad Viscosidad Dinámica o Absoluta Viscosidad Cinemática Viscosidad Aparente Viscosidad Plástica 1 poise = 1 dyna−s c m 2 =1 𝑔 𝑐𝑚−𝑠 1 centipoise = 0.01 poise

9 2.1. REOLOGÍA 2.1.3. Fluidos No Newtonianos
La mayoría de los fluidos de perforación son muy complejos para ser caracterizados por un único valor de viscosidad. Fluidos que no exhiben una proporcionalidad directa entre esfuerzo de corte y tasa de corte son clasificados como no Newtonianos. Fluidos No Newtonianos que dependan de la tasa de corte son seudo plásticos, si la viscosidad aparente disminuye al incrementar la tasa de corte, y dilatantes si la viscosidad aparente aumenta al aumentar la tasa de corte. •La viscosidad de un fluido no Newtoniano se conoce como la viscosidad efectiva y para obtener su valor se debe especificar una velocidad de cizallamiento específica. Gráfica de un fluido No Newtoniano.

10 2.1. REOLOGÍA 2.1.3. Fluidos No Newtonianos
Los fluidos de perforación y las lechadas de cemento son generalmente de naturaleza seudo plástica. Los modelos Plástico de Bingham y Ley de Potencia se usan para aproximar el comportamiento seudo plástico de los fluidos de perforación y lechadas de cemento Gráfica de un fluido No Newtoniano.

11 2.1. REOLOGÍA A) Modelo plástico Bingham
Un fluido plástico de Bingham no fluirá hasta que el esfuerzo de corte aplicado, 𝝉 supere cierto valor mínimo, 𝝉 𝒚 , conocido como punto cedente. Después de esto, los cambios en esfuerzo de corte son proporcionales a cambios en tasa de corte, y la constante de proporcionalidad es la viscosidad plástica 𝝁 𝒑 . La ecuación del modelo plástico de Bingham está dada por: La intercepción con el eje “y” se conoce como el Punto de Cedencia, y es el esfuerzo que se requiere para hacer que el fluido se ponga en movimiento. La pendiente de la curva se conoce como la Viscosidad Plástica.

12 2.1. REOLOGÍA A) Modelo plástico Bingham
Viscosidad Plástica, PV (𝝁 𝒑 ) Los lodos de perforación normalmente están compuestos por una fase líquida continua en la cual están dispersos los materiales sólidos. La Viscosidad Plástica es la resistencia al flujo relacionada con la fricción mecánica que es causada por: La concentración de sólidos. El tamaño y forma de los sólidos. La viscosidad de la fase líquida. En el campo la PV se considera como una guía para el control de sólidos. Se incrementa conforme el porcentaje volumétrico de sólidos se incrementa o si el porcentaje volumétrico permanece constante pero el tamaño de partículas disminuye. Por lo tanto, la PV se puede reducir al reducir la concentración de sólidos o disminuyendo el área superficial

13 2.1. REOLOGÍA A) Modelo plástico Bingham Punto de Cedencia, YP ( 𝝉 𝒚 )
El punto de cedencia es la resistencia inicial al flujo debida a las fuerzas electroquímicas entre las partículas. Estas fuerzas son causadas por las cargas localizadas en la superficie de las partículas dispersas en la fase fluida. El punto de cedencia depende de: Las propiedades superficiales de los sólidos en el lodo. La concentración volumétrica de los sólidos. El ambiente iónico del líquido que rodea a los sólidos. El YP se puede controlar por medio de un tratamiento químico adecuado. •Las cargas positivas en las partículas se pueden neutralizar por la adsorción de grandes iones negativos. Estos pueden ser aportados por productos químicos como: taninos, lignitos, lignosulfonatos, etc. •En caso de contaminación de iones como calcio o magnesio, estos se pueden remover como precipitados insolubles. •La dilución con agua también puede reducir el YP. Sin embargo, si la concentración de sólidos es demasiado elevada no va a ser efectiva.

14 2.1. REOLOGÍA B) Modelo Ley de la Potencia
Se utiliza para simular el comportamiento de fluidos de perforación basados en polímeros que no tienen un esfuerzo de cedencia. (por ejemplo las salmueras transparentes viscosificadas). La ecuación general para este modelo es 𝝉=𝑲 𝜸 𝒏 K es el índice de consistencia, “n” es el índice de comportamiento de flujo. 0 < n < 1.0 Tanto K como n son particulares para cada fluido. 𝝉=𝑲 𝜸 𝒏

15 2.1. REOLOGÍA C)Modelo Ley de Potencia Modificado o Herschel
Modelo usado para simular el comportamiento de la mayoría de los fluidos de perforación. Toma en cuenta el esfuerzo de cedencia para iniciar el flujo, que tiene la mayoría de los fluidos.La ecuación general para este modelo es 𝝉= 𝝉 𝒚 +𝑲 𝜸 𝒏 K es el índice de consistencia, “n” es el índice de comportamiento de flujo. 0 < n < 1.0 Tanto K como n son particulares para cada fluido. 𝝉 𝒚 , punto cedente., es el esfuerzo que se requiere para hacer que el fluido se ponga en movimiento 𝝉= 𝝉 𝒚 +𝑲 𝜸 𝒏

16 2.1. REOLOGÍA D) Medición de la Reología
Las propiedades reológicas de los fluidos de perforción se determinan en equipos como el mostrado aquí, llamado Reómetro o Viscosímetro Rotacional De este instrumento se puede obtener la viscosidad plástica y el punto cedente usando las indicaciones derivadas de las velocidades del manguito de rotor de 600 y 300 RPM. Que son controladas por la palanca de selección de velocidad

17 2.1. REOLOGÍA D) Medición de la Reología expresados en lb / 100 ft2
·Esfuerzo de Cortante = f (Lectura observada) ·Velocidad de cizallamiento = f (RPM de la cubierta) ·Esfuerzo de Cortante = f (Velocidad de Cizallamiento) Lecturas de agua fresca deben ser cero. Los viscosímetros están diseñados para dar lecturas a 3, 6, 100, 200, 300 y 600 rpm Viscosidad plástica (PV) = R600 – R300, expresada en centipoises. Punto de cedencia (YP) = R300 – PV Gel 10 segundos (GS 10 sec) = R3 a 10 seg Gel 10 minutos (GS 10 min) = R3 a 10 min expresados en lb / 100 ft2

18 2.1. REOLOGÍA D) Medición de la Reología
Punto de cedencia a baja velocidad de cizallamiento (LSRYP: Low Shear Rate YP): Medida de la viscosidad del lodo a baja velocidad de cizallamiento. Mide la capacidad del lodo para transportar recortes en el espacio anular. Mientras más grandes sean los recortes más elevado será el valor LSRYP requerido. Se calcula con la expresión:

19 2.2. PROPIEDADES Y EQUIPOS 2.2.1 Densidad – Balanza de lodos
La Balanza de Lodos (Mud Balance) es el instrumento que permite conocer la Densidad del Lodo (Mud Density); se compone de una taza de volumen fijo con una tapa en un extremo de una barra graduada y un contrapeso en el otro extremo.  Una pesa deslizante puede ser movida a lo largo de la barra y una burbuja de aire indica cuando la barra está a nivel.  El valor de la densidad se lee directamente. La densidad del lodo puede expresarse en distintas unidades:  lb/gal (ppg), lb/ft³, gravedad específica (SG) o como gradiente de presión (psi/1000 ft).  La precisión con la que se mide el peso del lodo es de ± 0.1 ppg, ± 0.5 lb/ft³, ± 0.01 gr/cm³ y ± 5 psi/1000 ft. Densidad La densidad del lodo es el factor, considerado independientemente, más importante para controlar las presiones de formación a lo largo de toda la profundidad del pozo. Debe ser tal que la presión hidrostática originada en cualquier punto del hoyo, sea mayor que la presión de la formación en el mismo punto

20 2.2. PROPIEDADES Y EQUIPOS 2.2.2 Viscosidad Embudo API–Embudo Marsh
Embudo API – Embudo de Marsh En el ensayo normalizado por el API para evaluar lodos a base de agua y a base de aceite, la medida de la viscosidad de embudo es el tiempo (en segundos) requerido para que un cuarto de lodo fluya fuera del embudo de Marsh hacia un vaso graduado. La viscosidad de embudo se expresa en segundos (para un cuarto de galón). El agua sale del embudo en aprox. 26 seg. El ensayo fue una de las primeras mediciones de lodos para uso en el campo. Simple, rápido e infalible, todavía sirve como un indicador útil de cambios en el lodo, mediante la comparación de las viscosidades de embudo de la muestra al entrar y al salir. Viscosidad La viscosidad del lodo mide la resistencia al flujo del lodo de perforación ( dicho de otra manera, la resistencia interna debida a la atracción de las moléculas de líquido); entre mayor sea la resistencia, mayor será la viscosidad. La viscosidad entonces es la resistencia del fluido al movimiento, Debe ser suficientemente alta para que el lodo pueda mantener limpio el pozo y arrastre los cortes hasta la superficie

21 2.2. PROPIEDADES Y EQUIPOS 2.2.3 Viscosidad plástica, punto cedente, fuerza de gel – viscosimetro fan Viscosímetro FAN Descripción Este aparato esta constituido por un rotor que gira dentro de una taza mediante un motor eléctrico. Una caja de velocidades, que actúa mediante un sistema de engranaje, hace girar el rotor a diferentes velocidades. Al girar el rotor produce un cierto arrastre al bob. Este arrastre se mide mediante una balanza de torsión, que indica la fuerza desarrollada en un dial graduado El viscosímetro se utiliza para determinar las propiedades reológicas del fluido, es decir, la viscosidad plástica, el punto cedente y la fuerza de gel.

22 2.2. PROPIEDADES Y EQUIPOS 2.2.3 Viscosidad plástica, punto cedente, fuerza de gel – viscosimetro fan Viscosidad Plástica: Se describe generalmente como la parte de la resistencia al flujo que es causada por la fricción mecanica. Una PV baja indica que el lodo es capaz de perforar rápidamente debido a la baja viscosidad del lodo que sale en la barrena. Una PV alta es causada por un fluido de base viscosa y por el exceso de sólidos coloidales. Para bajar la PV se puede lograr una reducción del contenido de sólidos mediante la dilución del lodo. Viscosidad Plástica, cP = Lectura a 600 RPM – Lectura a 300 RPM Punto Cedente: El Punto Cedente o Yield Point (YP) es la propiedad de un fluido que se refiere a la resistencia al flujo inicial o el esfuerzo requerido para que el fluido se mueva. Se puede simplemente decir que el Punto Cedente (YP) es la fuerza de atracción entre las partículas coloidales en el lodo de perforación. Punto Cedente, lbf/100 ft2 = Lectura a 300 RP- Viscosidad Plástica

23 2.2. PROPIEDADES Y EQUIPOS 2.2.3 Viscosidad plástica, punto cedente, fuerza de gel – viscosimetro fan Fuerza de gel Es una medida de la atracción física Y electroquímica bajo condiciones estáticas. Esta relacionada con la capacidad de suspensión del fluido y se controla de la misma forma que el punto cedente Gel 10 segundos, lbf/100 ft2 = Lectura 3 RPM a 10 seg Gel 10 minutos, lbf/100ft2 = Lectura 3 RPM a 10 min

24 2.2. PROPIEDADES Y EQUIPOS 2.2.4. Filtrado API – Filtro prensa API
Los filtros prensas cumplen con las especificaciones API 13B-1 de la norma API para determinar el filtrado o pérdida de agua que pasa hacia la formación permeable cuando el fluido es sometido a una presión diferencial.

25 2.2. PROPIEDADES Y EQUIPOS 2.2.4. Filtrado API – Filtro prensa API
Para los fluidos base agua, Se corre a temperatura ambiente y a 100 psi. Determinar el volumen de líquido o filtrado que pasa hacia la formación permeable cuando el fluido e sometido a una presión diferencial. El filtrado influye sobre la estabilidad del pozo y causa daño a la zona productora, razón por la cual es importante su control. Equipos: Filtro API, Cilindro graduado de 10 cc, Papel filtro Whatman 50, Cronómetro.

26 2.2. PROPIEDADES Y EQUIPOS 2.2.5 Filtrado HP HT – Filtro prensa HP HT
Los filtros prensas cumplen con las especificaciones 13B-2 de las normas API para determinar el filtrado de los fluidos base aceite que pasa hacia la formación cuando el fluido es sometido a una presión diferencial.

27 2.2. PROPIEDADES Y EQUIPOS Porcentaje de arena, porcentaje de solido y líquidos- Retorta Kit de arena Se utiliza para determinar el porcentaje en volumen de arena en los fluidos de perforación. El kit de arena esta constituido por: un recipiente de 2.5” de diámetro con malla de bronce de 200 mesh; un embudo y una probeta graduada de 0 a 20 %, para leer directamente el porcentaje en volumen de arena. Retorta Se utiliza para determinar el porcentaje en volumen de sólidos y líquidos que contiene el fluido.

28 2.2. PROPIEDADES Y EQUIPOS Porcentaje de arena, porcentaje de solido y líquidos- Retorta Porcentajes de arena Se utiliza para determinar el porcentaje en volumen de arena en los fluidos de perforación. El kit de arena esta constituido por: un recipiente de 2.5” de diámetro con malla de bronce de 200 mesh; un embudo y una probeta graduada de 0 a 20 %, para leer directamente el porcentaje en volumen de arena. Porcentaje de sõlidos y líquidos Determinar el porcentaje en volumen de los sólidos de alta y baja gravedad especifica. Calcular en los fluidos base agua, el porcentaje de sólidos no reactivos de formación, tomando como referencia el porcentaje total de sólidos obtenido en la retorta Calcular de los porcentajes de sólidos y líquidos

29 2.2. PROPIEDADES Y EQUIPOS 2.2.7. PH – PH-metro PH-metro PH
El pH-metro es un instrumento utilizado para determinar el pH de soluciones acuosas, midiendo el electropotencial generado entre el electrodo especial de vidrio y el electrodo de referencia. El pH-metro se calibra usando tres soluciones Buffer de pH 4, 7 y 10, respectivamente PH Determinar el grado de acidez o basicidad del fluido para evitar problemas de corrosión y contaminación

30 2.2. PROPIEDADES Y EQUIPOS 2.2.8. Equipos para ensayos químicos
Material de vidrio

31 2.2. PROPIEDADES Y EQUIPOS 2.2.8. Equipos para ensayos químicos
Material de metal

32 2.2. PROPIEDADES Y EQUIPOS 2.2.9. Dureza de Calcio y Magnesio
Determinar a través de un análisis de dureza los pon de calcio, cloruros y magnesio presentes en el fluido, para proceder a introducir los correctivos necesarios y evitar el efecto nocivo de estos contaminantes. El calcio es un contaminante que afecta las propiedades del fluido y disminuye el rendimiento de las arcillas.- Debe ser tratado con carbonato de sodio para precipitarl o como un sólido inerte. Materiales: solución buffet, indicador de dureza, solución de persa nato, pipeta de 5 y 10cc y agua destilada

33 2.2. PROPIEDADES Y EQUIPOS 2.2.10. Cloruros
Los cloruros afectan la reología de los fluidos base agua y causan comúnmente problemas de floculación. En algunos casos ocurren problemas de arremetida por influjo de agua salada. Materiales: Cromato de potasio, Nitrato de pla, Acido sulfúrico, Agua destilada, Pipeta de 1 y 10cc

34 2.2. PROPIEDADES Y EQUIPOS Alcalinidad filtrado y lodo PF, MF, PM Alcalinidad del filtrado PF: Determinar la alcalinidad del filtrado con fenolftaleína, con la finalidad de identificar los iones contaminantesCO³ y HCO³ que afectan la estabilidad del hoyo. La comparación entre los valores de alcalinidad PF y MF permite visualizar problemas de contaminación de fluidos. Materiales: Fenoltaleína, Ácido sulfúrico (H2SO4) (0.02N), Pipeta de 1 y 10 cc, pH-metro (opcional)

35 2.2. PROPIEDADES Y EQUIPOS Alcalinidad filtrado y lodo PF, MF, PM Alcalinidad del filtrado MF: Determina la alcalinidad del filtrado con el anaranjado de metilo para identificar la concentración de iones contaminantes que afectan la estabilidad del hoyo. Un valor alto de MF es indicativo de la presencia de contaminantes como CO3 = y HCO 3- Materiales: Anaranjado de Metilo, Ácido sulfúrico (H2SO4) (0.02N), Pipeta de 1 y 10 cc, pH-metro (opcional)

36 2.2. PROPIEDADES Y EQUIPOS Alcalinidad filtrado y lodo PF, MF, PM Alcalinidad del lodo PM: Determina la concentración de cal en lb/bls necesaria para secuestrar los GASES ácidos que puedan presentarse durante la perforación del pozo. Materiales: Capsula de titulación, Fenoltaleína, Acido Sulfúrico (H2SO4) (0.02 N)

37 2.2. PROPIEDADES Y EQUIPOS 2.2.12. Prueba Azul Metileno MBT
Determinar la concentración total de solidos reactivos presentes en el fluido Materiales: Agua oxigenada 30% Acido sulfúrico (5N) Solución de azul de metileno Papel filtro Batman Frasco erlenmeyer 250cc Pipeta de 10cc Jeringa de un CC, calentador y Varilla de agitación. La prueba MBT da la concentración total de los sólidos arcillosos que contiene el fluido, es decir, la concentración de los sólidos arcillosos comerciales agregados (Bentonita) y la concentración de sólidos arcillosos aportados por la formación.

38 FIN UNIDAD 2 ?