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LABORATORIO DE FLUIDOS DE PERFORACIÓN

PRÁCTICA Nº 5 MEDICIÓN DE LAS PROPIEDADES REOLÓGICAS DE UN FLUIDO DE PERFORACIÓN LA PAZ ABRIL DEL 2011

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MEDICIÓN DE LAS PROPIEDADES REOLÓGICAS DE UN FLUIDO DE PERFORACIÓN

1. OBJETIVO  La presente práctica tiene por objetivo determinar las propiedades reológicas de un lodo de perforación mediante el uso de un viscosímetro rotativo (Rheómetro). 2. FUNDAMENTO TEORICO Actualmente varios tipos de viscosímetros rotacionales de lectura directa, las cuales miden las propiedades reológicas de fluidos de perforación. Los viscosímetros tienen un espacio anular entre dos cilindros. La muestra de lodo es contenida en el espacio anular y la camisa exterior gira a una velocidad constante, la cual produce cierta torsión sobre el flotante (“bob”) o cilindro interior. El movimiento del flotante es restringido por un resorte de torsión y un dial conectado registra el desplazamiento flotante a varias revoluciones por minuto (rpm) de la camisa exterior. Por definición la viscosidad es la resistencia de un fluido a fluir; como ya se ha visto en una práctica anterior la viscosidad sirve para suspender los recortes en el espacio anular así como ofrecer seguridad contra otro tipo de problemas que se presentan en el pozo. Sin embargo es necesario advertir acerca de las desventajas de perforar con un lodo de viscosidad alta, lo que puede ocasionar alguno de los siguientes problemas:  Baja velocidad de penetración.  Aparición de sobre-presiones y depresiones cuando se baja y se saca la sarta de perforación  Aumentos sensibles en el costo de la inyección introducidos por las exigencias de un mayor tratamiento químico.  En general se tiene el aumento de problemas como resultado de una mayor presión fluctuante en el sistema Viscosidad.La viscosidad se define como la resistencia interna al flujo de un fluido. También la podemos definir como la relación del esfuerzo de corte a la velocidad de corte de un fluido.

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Y

F

x + dx

A dZ Z

F’ v

X Siendo el esfuerzo de corte igual a:



F A

Donde F es la fuerza que actúa sobre el área A.

Y la velocidad de corte: D

dV dZ

que es el deslizamiento en dirección de la fuerza F.

Entonces la viscosidad es: F   A  dV D dZ

Reología La reología es el estudio de las deformaciones y flujo de un lodo cuando esta en movimiento. Las propiedades reológicas son definidas por la velocidad de corte y la resistencia de corte o el esfuerzo de corte, en la reología los dos parámetros, Viscosidad Plástica; Yield Point, son muy importantes. Las condiciones reales de flujo no se conocen a profundidad en todo el circuito de fluidos de perforación y tampoco pueden ser reproducidas estas condiciones con un simple instrumento de uso en el campo, consecuentemente por conveniencia las mediciones de la reología son efectuadas bajo condiciones estrictamente arbitrarias. MSML

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Las condiciones o flujo de lodo puede ser clasificada bajo uno de los tipos siguientes: (gráfico). Newtonianos: Diesel, Gasoil, fuel oil No newtonianos: Bingham Plástico (tienen tixotropía), Pseudo plástico(no tienen tixotropía), lodo de perforación. Dilatantes El fluido dilatante es formado habitualmente por una alta concentración de sólidos bien dispersados que exhibe una curva de consistencia no lineal y pasando por el origen. Si la viscosidad de un fluido es constante a temperatura y presión constantes e independientes de la velocidad de corte el fluido es llamado newtoniano, por ejemplo el agua, la glicerina, el alcohol. Si la viscosidad además de ser función de la temperatura y también de su presión varía también con el esfuerzo de corte aplicada y en algunos casos con el trabajo previo ejecutado sobre el líquido, en este caso el fluido es llamado no newtoniano, por ejemplo las suspensiones de arcilla, lodos o fluidos de perforación. Los fluidos que presentan un flujo pseudo plástico son líquidos espesos como el shampoo o también entra en esta categoría el diesel oil con bastante asfalto disuelto. Virtualmente todos los fluidos de perforación de base agua que contienen arcillas fluyen de una manera similar al Binghan Plástico, como se indica en la figura. Los lodos de aceite tienden a presentar un flujo pseudo plástico y tienen que ser formulados especialmente para impartir una conducta de flujo plástico. En un sistema dado de lodo un cambio con la viscosidad plástica usualmente indica un cambio en el contenido de sólidos. La viscosidad esta compuesta de dos variables que son: la viscosidad plástica VP y el punto cedente o yield point YP. La Viscosidad Plástica VP .Es la resistencia al flujo de un fluido de perforación causada principalmente por la fricción entre las partículas suspendidas y la viscosidad de la fase líquida continua. Para propósitos prácticos la viscosidad plástica depende de la concentración de sólidos presentes y del tamaño y forma de las partículas que conforman estos sólidos. El Punto cedente YP .Yield Point, Punto de fluencia, es la resistencia al flujo causado por la atracción molecular que es el resultado de la atracción de cargas eléctricas positivas y negativas situadas en o cerca de la superficie de las partículas bajo condiciones de flujo que dependen de:

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-

La viscosidad de la fase líquida continua Del volumen de los sólidos en el fluido de perforación Del volumen de fluidos dispersados (fluidos emulsionados) Del número de partículas por unidad de volumen del fluido de perforación De la forma de las partículas sólidas De la atracción o repulsión a) entre partículas sólidas, b) entre sólidos y las fases del fluido

En laboratorio y en el pozo se usan viscosímetros rotativos (Viscosímetro Fann, Rheómetro, etc.), como un medio de evaluar cuantitativamente las propiedades reológicas VP y YP del lodo para tener un control continúo en la perforación.

La Viscosidad Aparente VAP .Es la medida de la viscosidad de un fluido en determinado tiempo bajo condiciones de temperatura u agitación no normalizadas y depende de la proporción del flujo comprendida en la medición, así como de sus condiciones ambientales. Para los fluidos de perforación la viscosidad aparente generalmente disminuye cuando la proporción del flujo aumenta. Modelos reológicos.Las variables reológicas del lodo son importantes en los cálculos de hidráulica de fluidos, ya que a partir de estas variables (VP y YP) se han establecido los modelos reológicos que ayudan a predecir el comportamiento de los fluidos sobre una amplia escala de velocidades de corte. Los más importantes modelos reológicos aplicables a los fluidos de perforación son: Modelo de Bingham Modelo de ley de la potencia Modelo de Herschel- Bulkley [MHB] En el laboratorio y en el pozo se usan los viscosímetros rotativos (Viscosímetro Fann, Rheometro, etc), como un medio de evaluar cuantitativamente las propiedades reológicas del fluido de perforación; respecto a estos parámetros podemos hacer las siguientes consideraciones del tipo práctico: -

-

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Si la viscosidad plástica es alta es aconsejable agregar agua para reducir la concentración de sólidos. Si el punto de fluencia o punto cedente es alto se deben agregar productos químicos para reducir las fuerzas de atracción entre las partículas de arcilla, en último caso ayuda también el incrementar agua para así aumentar la distancia entre las partículas de arcilla y reducir de este modo las fuerzas de atracción. Si la viscosidad absoluta debe ser levantada para el transporte de recortes con bajas velocidades de flujo, un método eficaz es el de incrementar el punto de fluencia. 4

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En la siguiente tabla se resumen algunos términos y definiciones que son pertinentes a las discusiones sobre reología e hidráulica y son útiles para comprender las formulas y cálculos reológicos. Reología e hidráulica de fluidos son términos de ingeniería que describen el comportamiento de los fluidos en movimiento que circulan a través de las tuberías y espacios anulares de la sarta de perforación según sus regimenes de flujo. Para la aplicación de los modelos reológicos es necesario el uso de ecuaciones matemáticas que han sido construidas usando parámetros reológicos como los índices de consistencia y de comportamiento de flujo, los cuales son de particular importancia en el cálculo de las velocidades y caídas de presión durante la circulación del fluido de perforación. Índices de consistencia y de comportamiento de flujo Dentro del control de la ingeniería de lodos y en la aplicación de los modelos reológicos, mas específicamente en los programas de hidráulica de la perforación es útil conocer la velocidad de flujo del lodo en el pozo, tanto en el interior de la tubería como en el espacio anular, con lo cual se determinan perfiles de velocidad por medio del calculo de dos tipos de índices que están directamente ligados a las propiedades reológicos del lodo, estos índices son: Índice de comportamiento de flujo (n) Índice de consistencia (k) Índice de comportamientote flujo (n) Es un numero adimensional que indica la relación existente entre la viscosidad plástica y el punto cedente de un lodo. Este valor describe el grado de comportamiento adelgazante por corte de un fluido entre el esfuerzo cortante u la velocidad de corte. Matemáticamente se expresa como:  YP  2VP  n  1.4427 ln   VP  YP  ó para lecturas en un viscosímetro rotatorio   600  n  1.4427 ln    300 

Índice de consistencia de flujo (k) Es una relación existente entre la reología del lodo y el índice de consistencia de éste. El índice de consistencia se calcula por la siguiente expresión: VP  YP 511n ó para lecturas en un viscosímetro rotatorio k

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k

 300

511n La aplicación de estos índices esta ligado a los cálculos de hidráulica de perforación para encontrar las velocidades de flujo del lodo, el número de Reynolds, la velocidad de caída de los recortes, etc.

Normalmente para encontrar el VP y el YP son necesarios sustituir los valores de los esfuerzos de corte en complicadas formulas para determinar la viscosidad plástica, el punto cedente y la viscosidad aparente, pero usando un viscosímetro rotativo el trabajo se hace más simple con el reemplazo de las lecturas de Θ a 600 y 300 [rpm] en: Viscosidad Plástica

VP   600  300

en

[cp]

Punto Cedente

YP  300  VP

en

 lbs   2 100  ft 

Viscosidad Aparente

VAP 

en

[cp]

 600 2

VISCOSIMETRO OFI MODELO 800, 8 VELOCIDADES

El Viscosímetro Electrónico de ocho velocidades, Modelo 800 está diseñado y fabricado exclusivamente por OFI Testing Equipment, Inc. Es ampliamente usado alrededor del mundo, tanto en el campo como en el laboratorio, para la medición precisa de propiedades reológicas de los fluidos. El regulador electrónico de velocidades OFI provee ocho velocidades de ensayo, precisamente reguladas. El uso de circuito electrónico C-Mos de baja energía hace que el Viscosímetro Modelo 800 sea ideal para operaciones de campo usando una batería de 12 Volt o una potencia standard en el equipo de perforación. El regulador electrónico de velocidad monitorea continuamente y ajusta automáticamente la velocidad rotacional para mantener una velocidad de corte constante bajo condiciones variables de tensión de corte del fluido y variaciones de entrada de energía, que se encuentra comúnmente en el lugar de trabajo (locación).

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Las ocho velocidades son 3 (gel), 6, 30, 60, 100, 200, 300 y 600 rpm. Las velocidades pueden cambiarse sin parar el rotor, por medio de una perilla de control. El dato de tensión de corte se muestra continuamente vía un dial iluminado y aumentado, el cual elimina el brillo y hace más fácil la visión de la lectura.

OPERACION Coloque en un container una muestra recién extraída del fluido de perforación y sumerja la camisa del rotor exactamente hasta la línea marcada en la misma, elevando la plataforma del instrumento, y ajustando firmemente con la tuerca de ajuste que está sobre la plataforma. Conecte el viscosímetro en la fuente de energía disponible y encienda el viscosímetro moviendo el interruptor ON/OFF, localizado en la parte posterior del viscosímetro. Precaución: si se está usando una copa termostatizada para controlar la temperatura del lodo, la temperatura de operación Máxima es de 200°F (93°C). El liquido entrampado dentro del cuerpo hueco puede evaporarse cuando se lo sumerge en fluidos con temperaturas muy altas, y causar la explosión del cuerpo. Rote la perilla selectora de velocidades, para establecer la agitación y mezcla de la muestra por unos pocos segundos, mientras se está calentando o enfriando el fluido a la temperatura deseada, lo cual se mide con un termómetro. Rote la perilla a la posición de 600 rpm, espere hasta que el dial alcance una lectura estacionaria, y registre la lectura a 600 rpm y la temperatura de la muestra. Rote la perilla de selección de velocidad a la posición de 300 rpm, espere a que el dial alcance una lectura estacionaria y registre la lectura a 300 rpm. Rote la perilla selectora de velocidad para volver a la posición de agitación y reagite la muestra por unos pocos segundos. Rote la perilla selectora de velocidad a la posición gel e inmediatamente suspenda la potencia. Tan pronto como sea posible, la camisa parará de rotar, espere 10 segundos y encienda la potencia, mientras observa el dial. Registre la máxima deflexión del dial antes de la ruptura del gel, lo que determinará la resistencia del gel a 10 segundos. Para determinar la resistencia del gel a 10 minutos, vuelva a agitar el fluido y espere 10 minutos antes de registrar la máxima deflexión del dial. Esta deflexión máxima del dial indicará el gel de 10 minutos. Cuando se desee la lectura en otras velocidades, siempre realice la medida desde las mayores rpm hacia las menores rpm. Por ejemplo, si se desean las lecturas a 200 rpm y

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100 rpm, el orden de medida deberá ser: Agitación, 200 rpm, 100 rpm, y luego la resistencia de gel, de ser necesaria.

CALCULOS Viscosidad Plástica (PV), cp = lectura @ 600 rpm - lectura @ 300 rpm Punto de Fluencia (YP), lbf/100 ft2 = lectura @ 300 rpm - Viscosidad Plástica (PV) Viscosidad Aparente (AV), cp = lectura @ 600 rpm/2 Resistencia de Gel, 10 segundos, lbf/100 ft2 = máxima deflexión del dial luego de 10 segundos Resistencia de Gel, 10 minutos, lbf/100 ft2 = máxima deflexión del dial luego de 10 minutos

REQUERIMIENTOS DE POTENCIA 115 Volt, 50/60 Hz o 12 Volt DC 230 Volt, 50/60 Hz o 12 Volt DC

Nota: Para operaciones continuas a largo término, es altamente recomendable que el Viscosímetro Modelo 800 se use sólo con la fuente de poder OFI. Ninguna de las fuentes de poder disponibles actualmente, tiene el rango que asegure una frecuencia verdadera bajo condiciones variables de potencia de entrada. Tamaño: 16 x 6 x 7 pulgadas (40.6 x 15.2 x 17.8 cm) Peso: Viscosímetro - 13 lb (5.8 kg) Fuente de Poder - 0.9 oz (0.4 kg) CONSIDERACIONES La camisa, el cuerpo fijo (bob) y el guarda salpicaduras deberían lavarse y secarse luego de cada operación. Mantenga el instrumento en posición vertical hacia arriba en todo momento, especialmente cuando lo está limpiando, de tal forma que el agua no se introduzca dentro de los cojinetes. Nunca sumerja la camisa del rotor más arriba de la línea límite que posee la camisa.

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Cuando se midan propiedades de gel, el dial no tiene que retornar a cero durante el período de reposo. De tal forma, no debería forzarse a la posición cero si esta no se alcanza libremente. Cuando se determine la máxima deflexión del dial, no se preocupe si la misma no comienza en cero. Sólo es importante determinar la máxima deflexión del dial. Las propiedades reológicas y características de la muestra, determinarán si el dial retorna a cero durante el período de reposo en las determinaciones de los geles.

El viscosímetro debería tener la lectura del dial en cero cuando se coloca en una posición vertical, con la camisa no inmersa en fluido, previo a la realización de los ensayos. Con el instrumento en esta posición, rote la camisa a 600 rpm. La lectura del dial en el aire no debería exceder de una unidad. Coloque agua en el recipiente adecuado y sumerja la camisa del rotor hasta la línea de marcación. Rote la camisa a 600 rpm. La lectura del dial en el agua debería estar entre 1.5 y 3.0. A 300 rpm, la lectura del dial en agua debería estar entre 0.5 y 2.0. Si el viscosímetro no pasa ninguno de los ensayos remarcados anteriormente, indica que los cojinetes están en malas condiciones y deberían ser reemplazados por un técnico calificado en este instrumento.

Rheometro Es un viscosímetro que esta diseñado para permitir obtener lecturas directas; opera en forma rotacional por medio de un cilindro externo (BOB) que es accionado por un operador haciendo girar un manubrio en forma circular para obtener una velocidad angular que a través de un sistema de engranajes internos produce velocidades de 300 y 600 revoluciones por un minuto [rpm], las cuales pueden ser seleccionadas alternativamente por una palanca de cambio. Un peso que se conecta interiormente con un resorte indica la fuerza de torsión (generada por el efecto de la rotación) necesaria par romper el gel que se forma en la muestra de lodo y es indicada en una escala dial (ojo de pollo)

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Carátula –Dial

Palanca de Cambio

(Ojo de pollo) Manubrio de Velocidad BOB

Cerradura de Peso

Tornillo

Recipiente de prueba

El equipo que se utilizó en laboratorio es el Rheometro que es un equipo que permite obtener lecturas directas, opera en forma rotacional por medio de un cilindro externo (BOB) que es accionado por un operador haciendo girar un manubrio en forma circular para obtener una velocidad angular que a través de un sistema de engranajes internos produce velocidades de 300 y 600 revoluciones por minuto, las cuales pueden ser seleccionadas alternativamente por una palanca de cambios. 3. Procedimiento Coloque el instrumento sobre una superficie bien nivelada y verifique que su plataforma se encuentre firmemente asentada.

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Asegure el peso en el interior del cilindro rotatorio.

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Deposite una muestra de lodo recientemente agitado en el recipiente de prueba y colóquelo en la plataforma exactamente debajo del cilindro rotatorio (BOB). Cuando el cilindro rotatorio exterior y el peso interior estén firmemente asegurados baje el conjunto hasta que este sumergido en la muestra exactamente hasta la línea marcada en el cilindro rotor. Para sostenerlo en esta posición, apriete la cerradura de tornillo (vuelta tuerca) en la pata izquierda del instrumento. Coloque la palanca de cambios en baja velocidad (300rpm) tirando de esta hacia arriba hasta que encaje dentro de su retenedor

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-

300 rpm

600 rpm

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De vueltas al manubrio en sentido horario de forma enérgica y constante por un minuto o el tiempo necesario para que la lectura en el dial se estabilice y sea constante (el tiempo requerido depende de las características de la muestra). - Cuando la lectura sea constante registre esta como el esfuerzo de corte a 300 revoluciones por minuto como (Θ300) - Repetir el mismo procedimiento pero colocando el manubrio de la palanca de cambios hacia abajo hasta que esa se encaje dentro del retenedor, esto significara que este en alta velocidad 600 [rpm]. - Cuando la lectura sea constante registre esta como el esfuerzo de corte a 600 evoluciones por minuto como (Θ600). Las mangas y el BOB del Rheometro deben ser lavadas después de cada operación. Para hallar la densidad de los lodos usamos la balanza de lodos

4. DATOS EXPERIMENTALES

NÚMERO DE LODO

DENSIDAD [LPG]

LODO 1 LODO 2

9 8.7

DEFLEXIÓN DEL DIAL

 300

 600

5. CALCULOS 1. Calcular las viscosidades plásticas y puntos cedentes para cada lodo.

2. Calcular los índices de consistencia y de comportamiento de flujo para cada lodo.

3. Calcular la velocidad crítica y el caudal crítico con cada lodo para un pozo con: La siguiente información MSML

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Información: Densidad de lodo = Lodo 1 y lodo 2 Viscosidad Plástica = de lodo 1 y lodo 2 Yield Point = del lodo 1 y lodo 2 Caudal de circulación = 430 gal/ minuto Diámetro de pozo = 8.5 pulgadas Drill pipe OD = 5.0 pulgadas Longitud de la tubería de perforación (Drill pipe) = 11 800 pies Drill Collar OD (portamecha) = 6.5 pulgadas Longitud del Drill Collar (portamechas) = 750 pies Longitud vertical verdadera = 12550 pies Nota. Dibujar la geometría del pozo.

6. CUESTIONARIO 1. ¿Cuál es la importancia de las propiedades reológicas en la perforación? 2. ¿Qué es la viscosidad aparente? 3. ¿Para qué sirven los índices de consistencia y comportamiento de flujo? 4. Defina lo que es shear rate y shear stress 5. ¿Con que otro instrumento se puede medir la reología de un lodo de perforación ? 6. ¿Que es la velocidad crítica y el caudal crítico? 7. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS Bibliografía: Manual of Drilling Fluids Technology Baroid Petroleum Services (1992) Mud Engineering Magcobar Tecnologia aplicada de lodos Imco Services Lodos de perforación (Petróleos Mexicanos) Ing. Ramón Velasco www.baroid.com www.miswaco.com

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