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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA PETROLERA LABORATORIO DE FLUÍDOS DE PERFORACIÓN PET 217-L I/2013

FLUIDOS DE PERFORACION DETERMINACION DE LA VISCOSIDAD DOCENTE: Ing.: Marin AUX. DOC.: Univ.: Luis A. ChipanaYucra

1. OBJETIVO La presente práctica tiene por objetivo determinar la viscosidad de los fluidos de perforación mediante el uso del embudo Marsh. 2. FUNDAMENTO TEORICO Un fluido que está en contacto con una superficie sólida se pone en movimiento, sufre un retardo que se puede considerar similar a un rozamiento. De esta forma las capas que están en contacto con la pared permanecen en reposo, mientras que las partículas inmediatamente cercanas tienen una velocidad casi nula y a medida que nos alejamos de la pared la velocidad crece, esto debido a un efecto combinado de adhesión y cohesión contrario a la fluidez que es conocido como viscosidad, sin embargo, ya que la viscosidad está ligada a las fuerzas de atracción entre partículas su efecto se manifiesta aún en usencia de superficies sólidas o en zonas alejadas de las mismas. VISCOSIDAD La viscosidad es una propiedad física que se puede definir como una medida de la resistencia que tienen los fluidos a la dirección de su movimiento debido a la existencia e fuerzas de atracción intermoleculares que ocasionan el rozamiento entre las partículas y moléculas que lo componen, en otras palabras es la resistencia interna al flujo de un fluido. VISCOSIDAD DINÁMICA (µ) La viscosidad dinámica o también llamada "viscosidad absoluta" (µ) está definida como a viscosidad tal, que al deslizarse una sobre otra dos capas de un fluido de la misma superficie a una distancia mutua constante, sufren una fuerza de rozamiento que da lugar a una diferencia relativa de velocidades entre sus partículas. Las unidades en el sistema internacional como en el sistema cegesimal están dados por: 𝜇=[

𝑁𝑠 ] ≡ [𝑃𝑎 ∙ 𝑠] 𝑚2

Sin embargo la viscosidad generalmente se mide en centipoises (1Po = 100cPo) debido a que midiendo en unidades del sistema internacional son valores excesivamente grandes

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𝜇=[

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𝐷𝑠 ] = [𝑃𝑜𝑖𝑠𝑒] 𝑐𝑚2

VISCOSIDAD CINEMÁTICA (ν) La viscosidad en muchas oportunidades resulta difícil de medir por lo que en su lugar se utiliza otra magnitud, directamente relacionada con ella y de más fácil medición, denominada viscosidad cinemática, que es el cociente que resulta de dividir la viscosidad absoluta de un fluido entre su densidad y que tiene por unidades: 𝑚2 𝑐𝑚2 𝜈=[ ]→ 𝜈=[ ] ≡ [𝑆𝑡𝑜𝑐𝑘𝑒] 𝑠 𝑠 La viscosidad de los lodos de perforación es una propiedad que afecta directamente a la potencia de ascenso de los recortes en lodo y depende principalmente de la cantidad, concentración, calidad y dispersión de los sólidos en suspensión. Durante la perforación se requiere una mínima viscosidad para perforar más rápido, para eliminar más fácilmente los sólidos en superficie, pero en cambio se requiere una alta viscosidad para el transporte eficiente de los recortes desde el fondo del pozo. La viscosidad de un lodo al estar en relación directa con la cantidad de arcilla presente, está en función a un efecto combinado de: a) El grado de hidratación de las partículas coloidales. b) La fricción entre partículas. c) Las fuerzas de atracción y repulsión mutua de carácter electromagnético entre las partículas. Estos dos últimos factores son los que condicionan el comportamiento de un lodo y dan lugar a las variables reológicas de: a) Viscosidad plástica b) Punto cedente o Yieldpoint

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Estas variables que componen la viscosidad de un lodo serán estudiadas más a profundidad en la práctica referida a la medición de las propiedades reológicas del lodo con viscosímetro rotativo (Fann). CONVERSIÓN DE LA VISCOSIDAD MARSH EN VISCOSIDAD ABSOLUTA La determinación de la viscosidad con el uso de un viscosímetro de embudo consiste en encontrar una expresión matemática que sirva para convertir los tiempos en segundos obtenidos en las pruebas a las unidades de la viscosidad absoluta, sin embargo, hay que considerar cada uno de los tipos de fluidos, ya que su análisis es distinto y su aplicación dependerá del tipo de fluido usado en cada prueba, es así que a continuación se tiene un análisis diferenciado tanto para los fluidos Newtonianos como para los no Newtonianos. SÍ SE TRATASE DE UN FLUIDO NEWTONIANO En este caso se halla una relación entre el fluido Newtoniano que es usado para la prueba y el agua de la siguiente manera: con el embudo se vierte un volumen fijo de determinado líquido (Newtoniano) cuya viscosidad se desea medir y se cronometra el tiempo que tarda en salir (t), a continuación se repite el experimento con el mismo volumen de agua siendo el tiempo que tarda en descargar designado por (to); se tiene que los tiempos empleados por ambos líquidos son directamente proporcionales a sus viscosidades cinemáticas, por ello, designando las viscosidades cinemáticas del líquido y del agua por ν y νo respectivamente podemos expresar: Relacionando los tiempos de descarga 𝑡 𝜈 = … … … (1) 𝑡0 𝜈0 Por definición de viscosidad cinemática, se tiene: 𝜈=

𝜇 … … … (2) 𝜌

Reemplazando en la ecuación 2 en 1: 𝑡 𝜇 𝜌0 = ∗ 𝑡0 𝜌 𝜇0 Reemplazando y sugiriendo trabajar todas las unidades en el sistema “CGS” (ρ0=1g/cc) 𝜇=

𝑡∙𝜌 𝜇 𝑡0 ∙ 𝜌0 0

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Donde: t = tiempo de descarga del fluido ρ = densidad del fluido μ = viscosidad del fluido t0 = tiempo de descarga del agua ρ0 = densidad del agua μ0 = viscosidad del agua 1 cPo SI SE TRATASE DE UN FLUIDO NO NEWTONIANO Para el caso de un fluido no Newtoniano, el análisis no es tan fácil y es así que se tiene que recurrir a la formación de una ecuación diferencial que considere sus características y comportamiento haciendo uso de la ecuación de Hagen - Poiseuille para viscosímetros de orificio y cuyo resultado final es: 𝜇 𝐶2 = 𝐶1 𝑡 + 𝜌 𝑡 Y cuyas soluciones no serán discutidas, quedando la siguiente ecuación como resultado de encontrar experimentalmente las constantes: 𝜇 = 𝜌 (0.58𝑡 +

461 ) 𝑡

Donde: μ = viscosidad absoluta (cPo) ρ = densidad del fluido (g/cc) t = tiempo de descarga (segundos “marsh”) También existe un método grafico donde para distintos pesos del lodo se han graficado los valores de la viscosidad absoluta versus viscosidad Marsh usando la ecuación anterior para distintos tiempos como se muestra en la Grafica (1ª)

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TIPOS DE FLUJOS FLUJO TAPÓN Se da cuando se inicia el movimiento, a muy bajas velocidades, fluyendo con un perfil de velocidades donde el vector velocidad es siempre paralelo al eje del tubo y tiene el mismo sentido y magnitud alrededor de este, a excepción de las paredes del tubo. Es decir la velocidad es constante tanto en sentido como en intensidad, el perfil es achatado y plano.

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FLUJO LAMINAR A medida que crece la velocidad de flujo, el perfil va tomando la característica parabólica con vectores de velocidad mínimo en las paredes y que va creciendo hacia el centro del tubo donde tiene su máximo valor. La velocidad es paralela al eje del tubo, tiene el mismo sentido pero varía en intensidad. FLUJO TURBULENTO A mayor velocidad del fluido, en este caso la velocidad se vuelve caótica, no es paralela al eje del tubo, no tiene un sentido definido y tiene distintas intensidades aun en un mismo punto. A medida que la viscosidad del fluido crece el “Re” va aumentando para el paso de laminar a turbulento y crece aun más si el fluido es newtoniano. CARACTERÍSTICAS DEL EMBUDO MARSH El embudo Marsh es un simple dispositivo usado para la rápida medida rutinaria de la viscosidad del fluido. Este es un excelente indicador de los cambios en las propiedades de los fluidos de perforación. El embudo “Marsh” tiene una forma cónica, un diámetro superior de 6 pulgadas (152 mm) y 12 pulgadas (305 mm) de largo, con una capacidad de 1500 cm3 (como se muestra en el gráfico 2A y gráfico 2B). Una malla 12 mesh cubre la mitad de la parte superior y está diseñada para remover cualquier materia extraña y cuttings (recortes) presentes en el fluido. El fluido se descarga a través de un orificio fijo que está en la parte inferior del embudo y que mide 2 plg (50.8 mm) por 3/16 plg (4.7 mm).

Gráfico 2A

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4) PROCEDIMIENTO.      

Primeramente preparamos el lodo de GE 8,7 y densificamos con baritina a GE 9,3; como en el laboratorio 1. Luego calibramos el viscosímetro Marsh que es un embudo de 12 pulgadas de largo con agua; tapamos con el dedo el orificio del viscosímetro y llenamos el agua en el embudo. Destapamos el dedo y vaciamos el agua en un vaso de 1 quart. Con el cronómetro registramos el tiempo de vaciado que debería ser aprox. de 26 segundos. Batimos el lodo antes de colocar al embudo. Colocamos el lodo al embudo (antes tapamos el orificio con el dedo); vaciamos al vaso de 1 quart y registramos el tiempo en que el lodo es vaciado hasta que llegue al nivel de 1 quart; realizamos 2 registros de tiempo de vaciado. Realizamos el mismo procedimiento para un segundo viscosímetro.

3. DESARROLLO 3.1 PREPARACIÓN DEL LODO Preparación del lodo lodo volumen de Agua (ml) 1 1500

masa de Bentonita (g) 361.26

densidad Deseada (LPG) 9.29

Dilucion lodo densidad inicial (LPG) 1 9.29

Volumen de Agua 1182.97

Densidad final (LPG) 8.75

mlodo  magua  mbentonita

 lodo *Vlodo   lagua *Vagua   bentonita *Vbentonita Vlodo  Vagua  Vbentonita

 lodo * (Vagua  Vbentonita)   agua *Vagua   bentonita *Vbentonita  lagua *Vagua   lodo *Vagua .....................(1)  lodo   bentonita g  9.29 LPG Vagua  1500ml  Bentonita  2.3 ml

Vbentonita 

 lodo

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1g

9.29LPG *

ml  1.115 g 8.33LPG ml

Reemplazando en la ecuación 1

1g

*1500ml  1.115 g

*1500ml ml  157.08ml 1.115 g  2.3 g ml ml g mbentonita  157.07ml * 2.3  361.26 g ml

Vbentonita 

ml

DILUCION

mlodo2  magua  mlodo1

 lodo2 * Vlodo2   agua * Vagua   lodo1 * Vlodo1 Vlodo2  Vagua  Vlodo1

 lodo2 * (Vagua  Vlodo1 )   agua * Vagua   lodo1 *Vlodo1 Vagua 

 lodo1 *Vlodo1   lodo2 * Vlodo1 .....................(3)  lodo2   agua

lodo1  9.29LPG lodo2  8.75LPG Vlodo1  1000ml  agua  1

g ml

1g

ml  1.115 g 8.33LPG ml g 1 ml  1.05 g 8.75 LPG * 8.33LPG ml 9.29 LPG *

Reemplazando en la ecuación (3)

Vagua 

1.115 g

ml

*1000ml  1.050 g 1.050 g

ml

1 g

ml

ml

*1000ml

 1182.97ml

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magua  1182.087ml *1

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g  1182.97 g ml

3.2 RESULTADO DE MEDICIONES.Para el caso de este laboratorio se obtuvo los siguientes datos: CALIBRACION n T1 T2 Promedio

T (seg) 26.1 26 26.05

Determinación de la viscosidad embudo Embudo densidad LPG Tiempo (seg) 1 8.75 34.2 2 8.8 36.55

Tabla 1

Tabla 2

3.3 CALCULO DE ERRORES.Se calculara la diferencia porcentual para la calibración. Definición de diferencia porcentual Dif (%) 

xexp  xteo xteo

*100

Error para el embudo 1

Dif (%) 

26.1  26 * 100  0.384% 26

1.1 Medición de la viscosidad del lodo  Expresar la viscosidad de los fluidos en centipoises y en poises haciendo uso de: 1. La fórmula que considere mas conveniente Debido a que el lodo de perforación tiene un flujo no newtoniano, utilizamos la formula:

461   V  d  0.58  t   t  

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Lodo 1 Donde: 8.75 [LPG] = 1.050 [gr/cc]

461   gr   V  1.050  0.58  34.2seg   34.2seg    cc 

V  6.676cP 100 [cP] = 1 [P]

V  0.066P Lodo 2

Donde: 8.8 [LPG] = 1.056 [gr/cc]

461   gr   V  1.056  0.58  36.55seg   36.55seg    cc 

V  9.07cP 100 [cP] = 1 [P]

V  0.0907P

El cuadro Nº 2 (Viscosidad Marsh vs Viscosidad absoluta cP) Cuadro Nº2, siguiente hoja. D6nde Lodo 1

V  6.676cP

V  0.067P Lodo 2

V  9.07cP

V  0.090P

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Grafico viscosidad Marsh vs densidad

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4. CUESTIONARIO 1. Defina viscosidad ,vicocidad dinámica y cinematica R.- La viscosidad se puede definir como una medida de la resistencia de un fluido a ponerse en movimiento. -ViscocidadDinamica .- La viscosidad dinámica o absoluta (  ) está definida xomo “la viscosidad tal, que al deslizarse una sobre otra, dos capas de un fluido de la misma superficie a una distancia mutua constante sufren una fuerza de rozamiento que da lugar a una diferencia realativa de velocidades entre sus partículas”. - ViscocidadCinematica.- La viscosidad cinemática es el cociente entre la viscosidad absoluta de un fluido entre su densidad. 2. Indique los tipos de flujo con su grafica R.- Fluido No Newtoniano.Un fluido No Newtoniano se caracteriza por que su viscosidad no es constante o no es única, es decir que la relación esfuerzo de corte a velocidad de corte no es lineal.

Perfil de Flujo

Esfuerzo de corte (

)



Viscosidades Efectivas

Velocidad de Corte (  )

Fig. 2: Tendencia de un Fluido No Newtoniano

En la mayoría de los fluidos No Newtonianos demuestran un comportamiento de disminución

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3. De qué manera la viscosidad afecta al comportamiento de los fluidos y cómo se los clasifica de acuerdo a su flujo. R.- La viscosidad hace que los fluidos se resistan a la dirección de su movimiento debido a la existencia de fuerzas de rozamiento entre las partículas y moléculas que lo componen. Y se clasifica de acuerdo a su flujo en: Newtonianos, No Newtonianos y Dilatantes. 4. Según su criterio ¿A cual de los tipos de fluido (Newtoniano o no Newtoniano) pertenece el petróleo?¿Por qué? R.- EL petróleo pertenece a los no Newtonianos debido a que a altas temperaturas el petróleo tiende a tener mayor facilidad de movimiento debido a que las fuerzas de atracción entre partículas va disminuyendo. 5. CONCLUSIONES UNIV. CALLISAYA MAMANI JAVIER C.I 6907604 LP Comprobamos que este método es relativamente sencillo, que se lo puede realizar tranquilamente durante la perforación de un pozo. La manera de mezclar y agitar en el momento que se realiza la preparación de lodo, influye en la obtención de un buen lodo. Las mediciones que realizamos fueron hechas correctamente ya que el error es relativamente mínimo. Aprendimos a utilizar y a calibrar la balanza de lodo que es útil para determinar las densidades del lodo cuando se esta perforando. Hemos podido preparar un lodo, además que aprendimos a realizar los cálculos necesarios para la preparación de lodos, que en general parte de un balance de masa. UNIV. CHUQUIMIA ROJAS GUILLERMO C.I. 9897162 Después de realizar el experimento se llegaron a las siguientes recomendaciones; En la calibración del embudo con el agua no se vio mucha diferencia entre el valores estimado teóricamente de 26 segundos ya que los valores encontrados fueron variando en

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decimales de segundos lo que significa que el embudo esta en buenas condiciones para su uso con el lodo. El cuanto al lodo se puede concluir que tiene que estar bien mezclado para su uso también que la temperatura del lodo es menor a la temperatura del agua usamdo nuestro lodo que tenia una densidad de 8.75 LPG el cual tardo 34.2 segundos y en comparación con los otros lodos de los otros grupos por ejemplo un lodo de 8.9 LPG el cual tardo 40 segundos lo que en el calculo demostró que tiene una mayor viscosidad que el lodo de nuestro grupo por lo que se puede orserbar que a medida de que tarda mas tiempo el lodo es mas viscoso como también se puede notar que a una mayor densidad del lodo será mas viscoso lo que significa que la densidad es directamente proporcional a la viscosidad.

UNIV. MAMANI QUISBERT JHOSIMAR WILFREDO C.I. 9873875 LP La presente practica se concluyo con satisfacción logrando obtener un valor de “viscosidad embudo” aceptable para la densidad de lodo con la cual se trabajo, así lo demuestran los cálculos realizados, esto debido a que se conto con un buen material de trabajo y un correcto manejo de los mismos, pudiendo así satisfacer con el objetivo de la practica. Esto debido a que se conto con un embudo Marsh el cual no presentaba una des-calibración la cual pueda afectar al experimento. Sin embrago el error obtenido durante la calibración fue un error de apreciación

UNIV. VALDA CASTRO CRISTHIAN A. C.I. 8310604 LP En conclusión podríamos decir que se pudo determinar de manera efectiva la viscosidad de nuestro lodo de perforación, aun así debemos recalcar que la viscosidad afecta de gran manera a la velocidad con la cual queremos perforar, es decir que si tenemos una alta viscosidad nuestro caudal reduciría y viceversa, la viscosidad en una perforación nos sirve para aumentar la capacidad de inyección y suspender los recortes en el espacio anular. UNIV. YANIQUE LIMACHI HEBERT C.I. 6798708 LP Se realizo una correcta calibración del embudo marsh obteniendo un error minimo El error de calibración para el embudo a fue de 0.384% No se midió la temperatura ambiente. Se utilizo una grafica para ver si la viscosidad embudo estaba en el rango correcto siendo el resultado optimo siendo el rango ideal de la viscosidad entre 36 y 55 seg/qt y nuestros valores hallados fueron de 34.2 y 36.55

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Se concluyo con el experimento óptimamente y sin percances 6. RECOMENDACIONES UNIV. CALLISAYA MAMANI JAVIER C.I 6907604 LP Se recomienda tomar en cuenta el error de fabricación de la balanza de lodos para hallar la densidad del lodo además de verificar si la densidad puesta anteriormente es la correcta ya que nuestro grupo tomo un lodo de 8.75 LPG pero al verificar el lodo tenía una densidad de 8.75 LPG por estas razones es recomendable realizar lo anteriormente mencionado. UNIV. CHUQUIMIA ROJAS GUILLERMO C.I. 9897162 Dentro de las recomendaciones se puede recalcar que se tiene que utilizar un lodo bien preparado ya que si es que se tiene un fluido de perforación que no sería muy viscoso o mal preparado o que en este lodo se haya formado una floculación el experimento o no saldra adecuadamente porque la viscosidad es muy pobre y muy baja para el experimento que se realizó en el laboratorio. Otra de las recomendaciones es que se tiene que tener cuidado a la hora de armas a el equipo ya que si no se ensamblan correctamente el equipo se tendrá errores demasiado grandes que no serán aceptados. También se recomienda que al terminar el laboratorio el equipo debe ser desarmado y secado antes de entregar al encargado del laboratorio.

UNIV. MAMANI QUISBERT JHOSIMAR WILFREDO C.I. 9873875 LP Se recomienda contar con una jarra graduada que indique el valor de ¼ de galón, así también tener cuidado con la posición del embudo Marsh ya que este debe estar sostenido firmemente en una posición vertical.

UNIV. VALDA CASTRO CRISTHIAN A. C.I. 8310604 LP Lo más recomendable en este laboratorio seria tener el debido cuidado con el embudo Marsh en el momento en el cual se deposita el lodo en este, ya que si es que nuestro lodo tardara bastante en llegar al nivel significaría que tendríamos que diluirlo o realizamos una mala preparación de nuestro lodo de perforación, a su vez debemos recalcar que si no se

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tiene un buen mantenimiento del equipo este puede causar serios errores en nuestras medidas. UNIV. YANIQUE LIMACHI HEBERT C.I. 6798708 LP Se recomienda verificar la densidad del lodo de perforación, tratar de calibrar correctamente la balanza. Utilizar dos cronómetros (si es posible), facilitara la toma de datos y evitar errores. BIBLIOGRAFIA Guía de laboratorio

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6. ANEXOS

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