• Author / Uploaded
• Michael Paz

Citation preview

Tipos de fluido Los fluidos se clasifican de acuerdo a sus características de tensión y la relación de esta con el líquido, es decir en Newtonianos y no Newtonianos: Los Newtonianos: Se caracterizan por tener una relación de equilibrio lineal entre su tensión y su gradiente de velocidad cero a cero. NEWTONIANO: AguaLa mayoría de las soluciones de sal en aguaSuspensiones ligeras de tinteCaolín (mezcla de arcilla)Combustibles de gran viscosidadGasolinaKeroseneLa mayoría de los aceites del motorLa mayoría de los aceites mineral. Es decir el estado de estos fluidos es equilibrado en el cual el fluido da la impresión de no Sufrir tensión en su recorrido. Los no Newtonianos: En estos su gradiente de velocidad dependerá de la viscosidad de dicho líquido, lo cual quiere decir que el líquido sufrirá una más alta o baja presión de acuerdo a su velocidad y viscosidad. NO-NEWTONIANO: PRODUCCIÓN SEUDOPLÁSTICA, BINGHAM PLÁSTICO, PRODUCCIÓN DILATANTE ArcillaBarroAlquitránLodo de aguas residualesAguas residuales digeridasAltas concentraciones de incombustible en aceiteSoluciones termoplásticas del polímero. SEUDOPLÁSTICO Lodo de aguas residualesCelulosaGrasaJabónPinturaTinta de la impresoraAlmidónSoluciones del látexLa mayoría de las emulsiones. Entre muchos otros que forman parte de eta red de fluidos no Newtonianos, comprenden lo que son los compuestos de alta densidad y de alta viscosidad.

Modelos reológicos Son una relación matemática que no permiten caracterizar la naturaleza reologica de un fluido determinado, esta se encarga estudiar la deformación dada a una tasa de corte específica, la cual permite analizar la hidráulica de perforación rotatoria en el cual se utilizan modelos como:

plástico de Bingham, y la ley de potencia. Estas son utilizadas por su gran simplicidad en la utilización de la ecuación de flujo y en la facilidad con la que se estiman parámetros involucrados. Sin embargo ciertos autores y científicos han llegado a la conclusión de que éstos modelos no estudian un rango amplio del comportamiento de los fluidos con lo cual no son válidos para el estudio de fluido a gran escala extendiendo así el estudio característico de los fluidos a otros modelos. En este estudio se seleccionan tres adicionales a los tradicionalmente usados, para analizar el comportamiento de los lodos en rangos de trabajo más amplios, ellos son: Ley de Potencia Modificada (Herschel-Bulkley), modelo de Robertson-Stiff y Ecuación de Casson. Los modelos se definen sin tener en cuenta el efecto de la rotación ni la variación de la temperatura con la profundidad.

Modelo plástico de Bingham Es un modelo de dos parámetros muy usado en la industria. La ecuación que lo define es: ??=????+????·?? Un fluido Plástico de Bingham no comienza a fluir hasta que el esfuerzo de corte aplicado exceda el valor mínimo ????. A partir de este punto el cambioen el esfuerzo de corte es proporcional a la tasa de corte y la constante de proporcionalidad es la viscosidad plástica (????). LEY DE POTENCIA Es un modelo de dos parámetros para el cual la viscosidad absoluta disminuye a medida que la tasa de corte aumenta. La relación entre la tasa de corte y el esfuerzo de corte está dada por la siguiente ecuación: ??=????n No existe un término para el punto de cedencia por tanto bajo este modelo los fluidos comienzan a fluir a una tasa de corte cero. Viendo estos dos modelos se diferencian en las siguientes características en que el modelo plástico el fluido comienza a generar movimientos después que el corte se ha aplicado, y en la ley de potencia no importa si este haya aplicado ya un esfuerzo mínimo superior al corte, éste fluirá sin dicho esfuerzo.

Modelo de Casson

Da una buena descripción de las características reológicas de los fluidos de perforación. A altas temperaturas y bajas presiones la aproximación se hace más pobre. La relación que los caracteriza es:

Modelo de Herschel–Bulkley Resultado de la combinación de aspectos teóricos y prácticos de los modelos Plástico de Bingham y Ley de Potencia. La siguiente ecuación describe elcomportamiento de un fluido regido por este modelo:

En este modelo los parámetros "??" y "??" se definen igual que en Ley de Potencia. Como casos especiales se tienen que el modelo se convierte en Plástico de Bingham cuando ??=1 y en Ley de Potencia cuando ????=0.

Modelo de Robertson–Stiff Un modelo hibrido de los modelos Ley de Potencia y Plástico de Bingham para representar lechadas de cemento y lodos. La ecuación que lo caracteriza es:

El parámetro ?? ?? es considerado como una corrección a la tasa de corte, de modo que ?? +?? ?? representa la tasa de corte requerida por un fluido seudo-plástico puro para producir el esfuerzo de cedencia del modelo de Bingham. Los parámetros "??" y "??" se definen igual que en Ley de Potencia. Los modelos ya mencionados dependen de ciertos parámetros para ser calculados. Esto dependerán de los valores dados los valores de corte y flujo. Caídas de presión en tuberías: La caída de presión es uno de los factores que frecuentemente se ignoran al calcular las dimensiones de los sistemas. Los datos sobre caídas de presión para equipo son por lo general proporcionados por el fabricante del equipo. Normalmente se conoce la presión estática en el sistema. En algunos casos puede hacerse muy poco acerca de las tuberías existentes, las cuales pueden ser de un tamaño marginal o definitivamente demasiado pequeñas. En este caso, otros procedimientos, tales como instalar una unidad de mayor tamaño

o aumentar el diámetro de la tubería en secciones críticas del sistema, pueden ser necesarios. La manera en que puede calcularse una caída de presión típica y el flujo requerido, podría parecer un proceso complicado. Sin embargo, solamente consiste de una serie de pasos sencillos. Es importante conocer los requisitos específicos del código de tuberías que han sido adoptados, y puestos en vigor, por la jurisdicción responsable de vigilar la seguridad e integridad de construcciones y tuberías en el área geográfica de instalaciones de equipo de tratamiento. Esquema de un yacimiento petrolífero. La instrumentación de la tubería comprende transmisores de caudal (FT), transmisores de presión (PT) y transmisores de temperatura (TT).

Diseño de la hidráulica de un lodo El Fluido de Perforación es un fluido de características químicas y físicas apropiadas, que puede ser aire o gas, agua, petróleo y combinaciones de agua y aceite con diferente contenido de sólidos. No debe ser tóxico, corrosivo ni inflamable, pero sí inerte a las contaminaciones de sales solubles ominerales y además, estable a altas temperaturas. Debe mantener sus propiedades según las exigencias de las operaciones y debe ser inmune aldesarrollo de bacterias. El objetivo principal que se desea lograr con un fluido de perforación, es garantizar la seguridad y rapidez del proceso de perforación, mediante su tratamiento a medida que se profundizan las

formaciones de altas presiones, la circulación de dicho fluido se inicia al comenzar la perforación y sólo debe interrumpirse al agregar cada tubo, o durante el tiempo que dure el viaje que se genere por el cambio de la mecha. Entre sus principales Funciones se encuentran: 

Transportar los Ripios de Perforación, Derrumbes o Cortes desde el Fondo del Hoyo hasta la Superficie: Los ripios de perforación deben ser retirados del pozo a medida que son generados por la rotación de la mecha; para lograrlo, el fluido de perforación se hace circular dentro de la columna de perforación y con la ayuda de la mecha se transportan los recortes hasta la superficie, subiendo por el espacio anular. La remoción eficaz y continua de los ripios, depende del tamaño, forma y densidad de los recortes, de la velocidad de penetración, rotación de la columna de perforación y de la viscosidad, siendo el parámetro más importante, la velocidad anular del fluido de perforación, el cual depende del caudal o régimen de bombeo y para esto, el fluido debe ser bombeado a la presión y volumen adecuado, logrando que el fondo del hoyo se mantenga limpio.



Controlar las Presiones de la Formación: El fluido de perforación se prepara con la finalidad de contrarrestar la presión natural de los fluidos en las formaciones. Se debe alcanzar un equilibrio justo, es decir, un equilibrio tal en el que la presión ejercida por el fluido de perforación (presión hidrostática) contra las paredes del pozo sea suficiente para contrarrestar la presión que ejercen los fluidos que se encuentran en las formaciones, el petróleo y el gas; pero que no sea tan fuerte que dañe el pozo. Si el peso del fluido de perforación fuese muy grande, podría provocar la fractura de la roca y el fluido de perforación se perdería hacia la formación.



Limpiar, Enfriar y Lubricar la Mecha y la Sarta de Perforación: A medida que la mecha y la sarta de perforación se introducen en el hoyo, se produce fricción y calor. Los fluidos de perforación brindan lubricación y enfriamiento mediante la capacidad calorífica y conductividad térmica que estos poseen, para que el calor sea removido del fondo del hoyo, transportado a la superficie y disipado a la atmósfera, y así permitir que el proceso de perforación continúe sin problemas y se pueda prolongar la vida útil de la mecha. La lubricación puede ser de especial importancia para los pozos de alcances

extendidos u horizontales, en los que la fricción entre la tubería de perforación, la mecha y la superficie de la roca debe ser mínima. Esta característica de los fluidos de perforación puede aumentarse agregando emulsificantes o aditivos especiales al fluido de perforación de perforación que afecten la tensión superficial. 

Prevenir Derrumbes de Formación Soportando las Paredes del Hoyo: La estabilidad del pozo depende del equilibrio entre los factores mecánicos (presión y esfuerzo) y los factores químicos. La composición química y las propiedades del fluido de perforación deben combinarse para proporcionar la estabilidad del pozo hasta que se pueda introducir y cementar la tubería de revestimiento. Independientemente de la composición química del fluido de perforación, el peso de debe estar comprendido dentro del intervalo necesario para equilibrar las fuerzas mecánicas que actúan sobre el pozo (presión de la formación, esfuerzos del pozo relacionados con la orientación y la tectónica). La inestabilidad del pozo se identifica por el derrumbe de la formación, causando la reducción del hoyo, lo cual requiere generalmente el ensanchamiento del pozo hasta la profundidad original. Además, el fluido de perforación debe ofrecer la máxima protección para no dañar las formaciones productoras durante el proceso de perforación.



Suministrar un Revoque Liso, Delgado e Impermeable para Proteger la Productividad de la Formación: Un revoque es un recubrimiento impermeable que se forma en la pared del hoyo, debido al proceso de filtración, la cual puede ocurrir bajo condiciones tanto dinámicas como estáticas, durante las operaciones de perforación. La filtración bajo condiciones dinámicas ocurre mientras el fluido de perforación está circulando y bajo condiciones estática ocurre durante las conexiones, los viajes o cuando el fluido no está circulando.



Ayudar a Soportar, por Flotación, el Peso de la Sarta de Perforación y del Revestimiento: La inmersión de la tubería de perforación en el fluido produce un efecto de flotación, lo cual reduce su peso y hace que se ejerza menos presión en el mecanismo de perforación; puesto que, con el incremento de la profundidad de perforación el peso que soporta el equipo se hace cada vez mayor, con lo cual el peso de una sarta de perforación o de revestimiento puede exceder las 200 toneladas y esto puede causar grandes esfuerzos sobre los equipos de superficie.

El peso de la sarta de perforación y la tubería de revestimiento en el fluido de perforación, es igual a su peso en el aire multiplicado por el factor de flotación. A medida que aumenta el peso del fluido de perforación, disminuye el peso de la tubería. 

Transmitir la Potencia Hidráulica a la Formación por Debajo de la Mecha: En perforación de pozos, cuando se habla de hidráulica se hace referencia a la relación entre los efectos que pueden causar la viscosidad, la tasa de flujo y la presión de circulación sobre el comportamiento eficiente del fluido de perforación.

Durante la circulación, el fluido de perforación es expulsado a través de las boquillas de la mecha a gran velocidad. La energía hidráulica hace que la superficie por debajo de la mecha esté libre de recortes para así maximizar la velocidad de penetración; ya que, si estos no son removidos la mecha sigue retriturando los viejos recortes, lo que reduce la velocidad de penetración. Esta energía también alimenta los motores de fondo que hacen girar la mecha. Las propiedades reológicas ejercen influencia considerable sobre la potencia hidráulica aplicada y por lo tanto deben mantenerse en valores adecuados.

Reología de los diferentes tipos de fluidos de perforación en el laboratorio Los ensayos son utilizados para determinar sus posibles alteraciones en el campo provocados por diferentes tipos de contaminantes. Fluidos de base agua Características físicas: densidad, filtrado y Reologia a 120 f Características químicas: alcalinidad del fluido (PM), alcalinidad de filtrado (Pf-Mf), MBT, cloruros, dureza cálcica. Fluidos Base Aceite FISICOS: Densidad, Reología 150ºF, Estabilidad Eléctrica, Filtrado HP-HT. QUIMICOS: Alcalinidad (POM), Cloruros. Ensayos físicos DENSIDAD

Es la masa de la muestra por unidad de volumen se expresa en: • gr/lt (gramos por litro) • lb/gal- ppg (Libras por Galón) {8.345 ppg = 1000 gr/lt} • lb/ft³ (libras por pié cúbico) FILTRADO API • Es la pérdida de volumen de Fase continua, medida en c.c. Luego de 30´, a 100 psi. FILTRADO HP- HT • Es la pérdida de volumen de Fase continua, medida en c.c. Luego de 30´, a 500 psi diferenciales y a 250ºF. REOLOGIA La Reología, nos permite determinar el régimen de flujo del Fluido de perforación, además de la Viscosidad Plástica, Yield Point y Capacidad de Gelificación. • La V.P; se expresa en Cps. • El Y. P, se expresa en lb/100ft2 • La capacidad de gelificación, también se mide en lb/100ft2.

Ensayos químicos Alcalinidad (Pm) • Permite medir la conc. De OH, en el Fluido, también el exceso de Cal libre en el Fluido. Alcalinidad del Filtrado (PfMf) • Permite medir la conc. De OH, disueltos en el Fluido, también la conc. de Carbonatos y Bicarbonatos. M.B.T (metilen Blue Test) • Es la reacción de las Arcillas al Azul de Metileno; se produce una coloración de las mismas debido al intercambio catiónico. Cloruros

• Método de titulación con Nitrato de Plata, que permite determinar la conc. de cloruros disueltos en el Fluido y también el % en peso de Sal. Dureza Cálcica • Método de titulación con EDTA (Acido Etilen Diamínico Tetra Acético), que permite determinar la cons. De Ión Calcio, disuelto en el fluido. Determinación de Sólidos y Líquidos • Se realiza por medio de una "Retorta", donde la muestra es calcinada dentro de la celda; quedando los sólidos en su interior y evaporando los líquidos, para luego ser condensados. • Con este método se determina el % de Sólidos, % de Agua y % de hidrocarburos, presentes en el Fluido.

REOLOGÍA Es la ciencia de la deformación y el flujo de la materia. Esta, como toda una definición de la rama de la ciencia, lleva implícita una serie de preguntas fundamentales sobre el por qué, el cómo, la medida y el objeto material del fenómeno a estudiar. Un ejemplo claro podrían ser los alimentos los cuales ingresan a nuestra boca, donde lo masticamos para obtener una pasta fluida que luego se ingiere, la cual, por estar en movimiento, genera deformación y flujo de la materia, a este tipo de reología es la que llamamos natural. Al someter la muestra de material a este estudio de deformación y flujo de la materia se puede obtener información cualitativa y cuantitativa valiosísima. El tener esa información permite:

1. Caracterizar la materia y definir sus parámetros reológicos como viscosidad, consistencia, propiedades elásticas, 2. Diseñar equipos sofisticados de procesamiento industrial, conociendo previamente la caracterización de la materia a procesar;

3. Diseñar materiales nuevos con respuestas mecánicas muy específicas y bien definidas; entre muchas otras acciones.

- Por Qué Se Deforman Los Cuerpos? Un cuerpo es deformable porque su energía de cohesión, debida a las interacciones interatómicas e intermoleculares, es finita y por consiguiente puede ser superada al aplicársele un esfuerzo suficientemente grande.

Las imperfecciones en los arreglos tridimensionales de los átomos, característicos de los sólidos cristalinos, proveen mecanismos de deformación basados en la movilidad interna a nivel molecular, los cuales implican cambios en la cantidad de energía requerida para deformar el material. Por ejemplo, si se trata de un sólido cristalino, la presencia de imperfecciones y dislocaciones en el arreglo cristalino tenderá a disminuir la energía requerida para deformar el material a tensión, pero tendera a aumentar la energía requerida para deformar el material por impacto. En el caso de líquidos y gases, las energías de cohesión son cada vez menores y por consiguiente estos cuerpos son mas fácilmente deformables bajo ciertos esfuerzos. - Fuentes Y Ancestros Casi 320 años atrás, Robert Hooke, describió la relación existente entre esfuerzo y deformación en sólidos elásticos, mientras que su colega contemporáneo Sir Isaac Newton planteo entre otras la Ley de la Viscosidad de los fluidos. La energía entre la Ley de Hooke y la Ley de newton: = EE

Ley de Hooke

t = µÿ

Ley de Newton

En estas ecuaciones encontramos elementos análogos: un esfuerzo aplicado que constituye la fuerza impulsora de la deformación; una función material que mide la resistencia de la materia a ser deformada (E y u) y como consecuencia de estas dos fuerzas opuestas, un cierto grado de deformación, el cual puede considerarse como la medida de la intensidad del proceso de deformación, resultante del compromiso de las dos fuerzas opuestas anteriormente citadas. Esta misma interrelación entre fuerza impulsora de un proceso, resistencia al proceso e intensidad de ocurrencia del mismo, opera en los fenómenos de transporte de masa, calor, cantidad de movimiento, electricidad. Con la formulación de la mecánica clásica se logra conocimiento básico sobre la dinámica (fuerzas) y la cinemática (velocidad y deformación) de los cuerpos.

Mas tarde, con la aparición del ferrocarril y en general de las maquinas durante la revolución industrial, sobrevino un desarrollo de la mecánica de la deformación y la fractura enfocado principalmente al estudio del comportamiento de sólidos metálicos. Este desarrollo contribuyo a establecer diversos aspectos directamente relacionados con el problema de flujo y la deformación tales como la identificación y relación cuantitativa entre las variables de interés en el proceso, el análisis de esfuerzos y deformaciones que sufre un sólido al sometérsele a un esfuerzo dado, el conocimiento de los mecanismos de deformación (elástica, plástica, homogénea, heterogénea), el papel de las imperfecciones y dislocaciones, la concentración de esfuerzos en los sitios donde el material presenta heterogeneidades, los modos de falla, etc. Las matemáticas han constituido una imprescindible herramienta en estos avances al permitir el planteamiento de las leyes de continuidad y movimiento ya sea en forma algebraica o diferencial y al permitir el tratamiento tensorial propios del esfuerzo y la deformación. La físico-química también se constituye en fuente de la reología al posibilitar el entendimiento e las propiedades de la materia a partir de su estructura química y morfológica. Por otra parte, el desarrollo de la ciencia y la tecnología de los polímeros, han resultado conceptos de primera importancia teórica y práctica para la reología tale como el concepto de viscoelasticidad y el de la correspondencia entre tiempo y temperatura. - Planteamiento Del Problema Básico El problema básico de la reología es determinar la relación entre el esfuerzo aplicado y la deformación producida en un material de naturaleza físico-química dada. Esta relación es ya conocida para sólidos elásticos sometidos a pequeñas deformaciones ( Ley de Hooke) y para líquidos sencillos y gases (Ley de Newton de la Viscosidad). Sin embargo, no siempre existe una relación lineal entre esfuerzo y deformación debido a complejidades en la estructura y morfología de algunos materiales. Pero tanto en los casos sencillos como en los caos complejos se tienen las mismas variables fundamentales. Características físicas de dichas variables: 1) Esfuerzo:

Un elemento de una porción de materia continua, el cual tomaremos como sistema, puede estar sometido a fuerzas de origen diversos: gravedad, fuerzas internas ( viscosas en fluidas fluyendo o tensiones internas debidas al

procesamiento de sólidos) y distribución de presiones externas aplicadas al sistema. En términos de los efectos sobre la deformación del material, no interesa conocer cada termino dinámico de los componentes normales sino la diferencia de esfuerzos normales en diferentes direcciones. Los valores de la diferencia de esfuerzos normales en diferentes direcciones se deben únicamente a diferencias en los componentes dinámicos tii, dado que la presión es isotópica. Puesto que tales componentes dinámicos no son determinados por las fuerzas externas sino que resultan del tipo de deformación del material, se consideran propiedades reologicas del material que las exhibe y se define así: t11 – t22: primera diferencia de esfuerzos normales t22 – t33: segunda diferencia de esfuerzos normales, no es necesario definir t11 – t33 puesto que: t11 + t22 + t33 = 0 Se han desarrollado métodos experimentales que permiten la medición de la diferencia de esfuerzos normales. Es interesante anotar que en los fluidos inelásticos, sean o no Newtonianos, no se observan diferencias de esfuerzos normales (t 11 – t22 = t22 – t33 = 0), mientras que si se observan en los en los fluidos elásticos (viscoelásticos). En verdad, la elasticidad de los fluidos puede ser cuantificada en términos de funciones de las diferencias de esfuerzos normales. 2) Deformación: Un material se deforma en cierta dirección si la velocidad de todos los puntos (vista desde un marco de referencia fijo) no es la misma en dicha dirección.

- Reometría (Rt) : Es la parte experimental de la Reología; para esto se emplea un Reómetro con el que se mide y cuantifican las microestructuras -invisibles a simple vista- de materiales y fluidos. Además de los Reómetros "de laboratorio", existen los "comerciales". Las industrias y laboratorios los pueden elegir en un espectro amplio según los ensayos a realizar, dependiendo esto, a su vez, del uso, de las aplicaciones reológicas y de los desarrollos tecnológicos que deseen hacer. Por ejemplo es laboratorios de otros países, como México, se han diseñado y construido, con la colaboración de los talleres de Vidrio y Mecánico del Ceride-Conicet y de la

FIQ-UNL, los cuales son dispositivos simples y prácticos que cumplen fines reométricos destacables.

- Aplicaciones En el campo biotecnológico, la información obtenida a partir de la Reología permite diagnosticar patologías caracterizando fluidos biológicos en el contexto de la biorreología (cualquier materia o sustancia de organismo humano, animal o vegetal) y de la hemorreología (para diagnosticar enfermedades en la sangre). En el campo biomédico, permite predecir respuestas de materiales y fluidos en desempeños mecánicos complejos de la vida práctica, desde el de una prótesis (para saber si es mecánicamente compatible) hasta un compuesto industrial tal como una pintura, una fibra textil o un adhesivo. Para producir un yogurt, una mayonesa, un dulce untable, una mermelada, todas de consistencia agradable se requiere conocer sobre la reología.

- Investigaciones Se han formulado proyectos de investigación desde el Laboratorio y Grupo de Reología que dirige el Intec (UNL-Conicet) siempre teniendo altos componentes de aplicación de los conocimientos científicos que se obtienen. Lo que permite realizar asesoramientos y convenios tecnológicos prolongados con empresas como Fate, Pasa Argentina y Du Pont Argentina. En la ciudad de Santa Fe se han asesorado a empresas de alimentos y productoras de plastisoles y látex.

Reologíía de Políímeros Esta línea de trabajo se refiere al estudio teórico y experimental de las propiedades reológicas de los polímeros, copolímeros y mezclas, como así también de polímeros lineales y entrecruzados de estructura controlada. Recientemente se han incorporado diversas líneas de investigación que han llevado al análisis reológico de mezclas compatibles e incompatibles y su modelado. Además se están implementando técnicas ópticas para el estudio no-invasivo de las

propiedades de flujo y estado de orientación de polímeros a través de la medición de propiedades ópticas tales como birrefringencia y dicroismo.