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Universidad Mayor de San Andrés Facultad de Ingeniería Carrera de Ingeniería Petrolera

Fluidos de Perforación. PET-217 Determinación de la viscosidad

PROPIEDADES REOLOGICAS “VISCOSIMETRO ROTATORIO” 1. OBJETIVOS DEL LABORATORIO.1.1. OBJETIVO PRINCIPAL.El objetivo de esta práctica es determinar las propiedades reológicas del fluido de perforación bentonítico base agua utilizando un viscosímetro rotatorio. 1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS.I.

Determinar la viscosidad del lodo de perforación mediante el uso del viscosímetro rotatorio como un método apto para realizar pruebas más detalladas y con resultados más precisos.

II.

Determinar la viscosidad plástica, el punto cedente y la fuerza gel como parte importante de las propiedades reológicas que se deben conocer para el fluido de perforación.

III.

Observar el comportamiento de las propiedades del fluido de perforación en determinadas condiciones.

IV.

Utilizar correctamente el Viscosímetro Rotatorio, aprendiendo a montar el equipo, ajustar las velocidades y realizar las lecturas correctamente.

2. JUSTIFICACIÓN DEL LABORATORIO.En este laboratorio se tiene como propósito de aprender a determinar las propiedades reológicas del fluido de perforación bentonítico para obtener información acerca de sus cualidades y de los cambios que ha sufrido durante su servicio útil además de las mejoras que se deben hacerse para que este pueda cumplir con las funciones que se requieren en campo.

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Debido a que las propiedades reológicas de cualquier fluido son un indicativo de las características que presenta cuando se encuentra sometido a condiciones de flujo tal como en un sistema de circulación dentro del pozo el cual se desarrolla a diferentes velocidades dependiendo del tamaño de la sección de paso y otras circunstancias. Entonces es de suma importancia que el encargado del lodo de perforación en el campo (Ingeniero de lodos) tener la habilidad de realizar estas pruebas con la mayor precisión y exactitud para lo cual debe saber utilizar muy bien el equipo de medición tanto en su montaje, manejo y mantenimiento básico.

3. RESUMEN TEÓRICO.3.1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES.Debido a que en el anterior laboratorio se ha estudiado

la

viscosidad

y

sus

principales

características, ahora nos dedicaremos a conceptos más

puntuales

relacionados

a

las

propiedades

reológicas, tipos de fluido y modelos reológicos. 3.1.1. ESFUERZO DE CORTE () [lb/100pie2].Es la fuerza requerida para mantener fluyendo un tipo particular de fluido, es decir para mantener una velocidad de corte determinada. 3.1.2. VELOCIDAD DE CORTE () [s-1] [rpm].Es la velocidad relativa de una lámina de fluido adyacente a otra, dividida entre la distancia de separación entre ellas. La velocidad de corte puede medirse en revoluciones por minuto dentro del viscosímetro rotatorio, para transformar estos valores a segundos recíprocos se utiliza la siguiente formula.

3.1.3. VISCOSIDAD DINÁMICA O ABSOLUTA () [cp].-

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La viscosidad es la resistencia interna que tienen los fluidos al movimiento. La viscosidad dinámica está definida como una viscosidad tal, que al deslizarse una lamina sobre otra adyacente sufre una fuerza de rozamiento y de atracción entre las partículas. 3.1.4. VISCOSIDAD CINEMÁTICA (v) [m2/s].Es la relación de la viscosidad dinámica a la densidad de un fluido. 3.1.5. VISCOSIDAD APARENTE (A) [cp].Es una viscosidad absoluta medida en condiciones de temperatura y agitación no normalizada. Es una reflexión del punto cedente y la viscosidad plástica combinados. Depende de:  La proporción del flujo.  Las condiciones ambientales.

Con las lecturas obtenidas del viscosímetro rotatorio se puede calcular esta viscosidad a partir de la siguiente ecuación:

Donde: Θ es la lectura del viscosímetro en [lb/100pie2] (el subíndice representa la velocidad de corte en [rpm] a la cual se ha realizado la medición); la A esta en [cp] 3.1.6. VISCOSIDAD PLÁSTICA (VP) [cp].Parte de la resistencia al flujo causada por la fricción mecánica producida:  Entre los sólidos del lodo  Entre los sólidos y el liquido

Depende de:

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 La cantidad, tamaño y forma de los sólidos contenidos.  La densidad de la fase liquida.  Presencia de algunos polímeros.

3.1.7. PUNTO CEDENTE (YP) [lb/100pie2].Resistencia inicial al flujo causada por fuerzas electromagnéticas entre las partículas debidas a cargas eléctricas estando el fluido en condiciones de flujo (dinámicas). Depende de:  Propiedades de la superficie de los sólidos.  Cantidad y concentración de sólidos.  Concentración Iónica

3.1.8. FUERZA GEL (θ) [lb/100pie2].También llamada resistencia o esfuerzo gel. Son la fuerzas de atracción entre las partículas (mismas del punto cedente) estando el fluido en condiciones estáticas, esto le da al fluido la capacidad de desarrollar

un

estado

de

Gel

con

el

tiempo

(TIXOTROPÍA). Un elevado valor del punto cedente causa

floculación

del

lodo

debido

a

las

altas

concentraciones de sólidos. Se mide con el viscosímetro rotatorio el cual proporciona una medida directa, estas medidas se realizan a 10 segundos y a 10 minutos de permanecer estático el lodo.  Si estas lecturas tienen un amplio rango se llaman Geles progresivos  Si estas lecturas son elevadas y próximas se llaman High flat gels  Si estas lecturas no son elevadas y son próximas entre si se llaman Low Gels

(deseable para el fluido de perforación) Univ. Arteaga Soruco Mauricio Alejandro

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3.2. TIPOS DE FLUIDOS.3.2.1. FLUIDOS NEWTONIANOS.Son aquellos fluidos en los cuales la viscosidad permanece constante para todos los valores de velocidad de corte. El

esfuerzo

de

corte

es

directamente

proporcional a la velocidad de corte. Estos fluidos se ven representados por el Modelo Reológico Newtoniano.

La

ecuación

representa una

recta

(curva con pendiente constante) ( constante) que parte del origen (YP = 0). El agua es un fluido newtoniano. 3.2.2. FLUIDOS NO NEWTONIANOS.Son aquellos fluidos en los



cuales su viscosidad varía con la velocidad de corte. El esfuerzo de corte no es directamente proporcional a la velocidad de corte. Una viscosidad de este tipo se



llama

VISCOSIDAD

EFECTIVA (A) [cp].

Entre los tipos de fluidos newtonianos tenemos: Fluidos cuyas propiedades son independientes del tiempo.Univ. Arteaga Soruco Mauricio Alejandro

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 Fluidos Plásticos (Bingham)  Fluidos Seudo Plásticos, (adelgazantes), la viscosidad disminuye con el

incremento de la velocidad de corte.  Fluidos Dilatantes, la viscosidad aumenta

con el incremento de la velocidad de corte. Fluidos cuyas propiedades son dependientes del tiempo. Fluidos Tixotrópicos, desarrollan fuerza

gel con el tiempo durante el que permanecen en reposo. 3.3. MODELOS REOLOGICOS.Son una descripción de la relación entre el esfuerzo de corte y la velocidad de corte. 3.3.1. MODELO DE BINGHAM PARA FLUIDOS PLÁSTICOS.Describe un fluido en el cual se requiere una fuerza para iniciar el flujo, es decir el punto cedente (YP) de Bingham es mayor a cero, luego describe una viscosidad constante ante el aumento de la velocidad de corte (viscosidad plástica).

La ecuación representa una recta (con pendiente VP constante) que no parte del origen (YP > 0). Este modelo puede representar con precisión a los lodos base agua de arcilla floculada y a la mayoría de los lodos a altas velocidades de corte (>300 rpm), en estos lodos es YP es igual a la lectura del viscosímetro a 10 (s). 3.3.2. MODELO DE LEY EXPONENCIAL.Describe un fluido en el cual el esfuerzo de corte aumenta según la velocidad de corte elevada a una potencia.

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La ecuación representa una curva que parte del origen (YP = 0) pero no existe una relación lineal.  n es el ÍNDICE DE FLUJO, el cual indica el grado de comportamiento no

newtoniano de un fluido sobre un rango determinado de velocidades.  K es el INDICE DE CONSISTENCIA, es la viscosidad a una velocidad de

corte de un segundo reciproco, y está relacionado con la viscosidad de un fluido a bajas velocidades de corte. La eficiencia de limpieza aumenta a mayor k y a menor n. 3.3.3. MODELO DE LEY EXPONENCIAL MODIFICADA.-

Toma en cuenta el punto cedente y se aproxima más a un lodo típico el cual también describe una curva no lineal que tampoco pasa por el origen. 3.3.4. REPRESENTACIÓN GRAFICA DE LOS MODELOS REOLÓGICOS.-

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3.4. DESCRIPCION DEL EQUIPO.3.4.1.- VISCOSÍMETRO ROTATORIO.-

Es un viscosímetro electrónico de seis velocidades utilizado para determinar propiedades reológicas del lodo de perforación. Es un instrumento de indicación directa de tipo rotativo accionado por un motor eléctrico. Posee

dos

cilindros

concéntricos denominados en conjunto Rotor en cuyo espacio

anular

contenido

el

perforación. exterior velocidad

es

esta

fluido El

de

cilindro

rotado

a

angular

constante la cual puede ser controlada por el interruptor (posición alta y baja) y por la palanca (posiciones: superior, media e inferior). Univ. Arteaga Soruco Mauricio Alejandro

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3.4.2. SHEARÓMETRO.-

Es un instrumento utilizado para medir la fuerza gel del lodo de perforación de forma rápida y sencilla. Consta de un recipiente y un tubo de aluminio con una escala graduada.

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.4.1. DIAGRAMA DE FLUJO.-

INICIO

Encender el equipo colocando el interruptor en posición alta o baja verificando que la palanca

Viscosidad

este en posición media

aparente, plástica y punto cedente. Para una velocidad de Colocar la muestra recién

600 (rpm)

agitada en la taza hasta la marca del rotor

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A

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A

Posicionar la palanca y el interruptor para obtener la velocidad deseada

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Esfuerzo gel

Antes de cada medida agitar el lodo a 600 (rpm) por unos minutos

Registrar la lectura cuando el

Esfuerzo gel inicial a 10

dial alcance la máxima lectura

segundos

que se mantenga constante Apagar el motor por 10 segundos Para una velocidad de 300 (rpm) Posicionar el equipo en 3 (rpm) y leer inmediatamente Para una velocidad de

la máxima deflexión del dial.

200 (rpm) Esfuerzo gel a 10 minutos Para una velocidad de 100 (rpm)

Apagar el motor por 10

Para una velocidad de

Posicionar el equipo en 6

6 (rpm)

minutos

(rpm) y leer inmediatamente la máxima deflexión del dial.

Para una velocidad de 3 (rpm)

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B pág. 10

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B

Soltar el cilindro en la escala y dejar que se sumerja por si solo

Esfuerzo gel Shearómetro

Dejar que el cilindro quede estático y leer el valor en la escala

Antes de cada medida agitar el lodo.

Esfuerzo gel a 10 minutos Esfuerzo gel inicial a 10 segundos Sacar el cilindro y esperar 10 minutos Llenar el recipiente hasta el nivel indicado

FIN

5. TOMA DE DATOS.5.1

DETERMINACION

DE

LA

VISCOSIDAD

APARENTE,

VISCOSIDAD

PLASTICA Y PUNTO CEDENTE.

Densidad Lectura Lectura Lectura Lectura Lectura Lectura (LPG)

θ600

θ300

θ200

θ100

θ6

θ3

Lodo 1

8.7

111

81

68

51

20

18

Lodo 2

8.7

115

84

70

52

21

18

Lodo 3

8.7

84

57

44

30

8

7

Lodo 4

8.6

71

51

45

40

28

24

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5.2. DETERMINACION DEL ESFUERZO GEL CON EL VISCOSÍMETRO.-

Densidad

Lectura a 10

Lectura a 10

(LPG)

segundos

minutos

Lodo 1

8.7

11.0

23.0

Lodo 2

8.7

12.0

25.0

Lodo 3

8.7

8.0

12.0

Lodo 4

8.6

19.0

24.0

5.3. DETERMINACION DEL ESFUERZO GEL CON EL SHEAROMETRO.-

Densidad

Lectura a 10

Lectura a 10

(LPG)

segundos

minutos

Lodo 1

8.7

9.0

17.0

Lodo 2

8.7

9.5

18.0

Lodo 3

8.7

7.5

14.5

Lodo 4

8.6

17.5

20.0

6. CALCULOS Y TRATAMIENTO ESTADISTICO DE DATOS.I.

Calcular la viscosidad plástica, la viscosidad aparente y punto cedente.

VISCOSIDAD PLÁSTICA: La viscosidad plástica está dada por:

Reemplazando los valores para cada lodo Lodo 1

VP = 30 (cp)

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Lodo 2

VP = 31 (cp)

Lodo 3

VP = 27 (cp)

Lodo 4

VP = 20 (cp)

VISCOSIDAD APARENTE: La viscosidad aparente está dada por:

Reemplazando los valores para cada lodo Lodo 1

A = 55.5 (cp)

Lodo 2

A = 57.5 (cp)

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Lodo 3

A = 42.0 (cp)

Lodo 4

A = 35.5 (cp)

PUNTO CEDENTE: El punto cedente está dado por:

Reemplazando los valores para cada lodo Lodo 1

YP = 25.5 (lb/100pie2)

Lodo 2

YP = 26.5 (lb/100pie2)

Lodo 3

YP = 15.0 (lb/100pie2)

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Lodo 4

YP = 15.5 (lb/100pie2)

II.

Indicar las diferencias entre los esfuerzos de gel calculados con el viscosímetro y el Shearómetro, si la existe.

La principal diferencia que existe entre las mediciones de la fuerza gel es que las medidas tomadas con el viscosímetro son mayores que las tomadas con el Shearómetro. Otra diferencia es que los rangos de variación entre las lecturas a 10 segundos y 10 minutos en el caso del viscosímetro son mayores que en las lecturas del Shearómetro. III.

Dibuje las curvas: fuerza gel vs. tiempo, determinados por el viscosímetro y el Shearómetro.

Lodo 1

Fuerza gel vs Tiempo "Lodo 1" 25

Fuerza gel

20 15

Viscosímetro

10

Shearómetro 5 0 0

100

200

300

400

500

600

700

Tiempo

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Lodo 2

Fuerza gel vs Tiempo "Lodo 2" 30

Fuerza gel

25 20 15

Viscosímetro 10

Shearómetro

5 0 0

100

200

300

400

500

600

700

Tiempo Lodo 3

Fuerza gel vs Tiempo "Lodo 3" 16

Fuerza gel

14 12 10 8 6

Viscosímetro

4

Shearómetro

2

0 0

100

200

300

400

500

600

700

Tiempo

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Lodo 4

Fuerza gel vs Tiempo "Lodo 4" 30

Fuerza gel

25 20 15

Viscosímetro 10

Shearómetro

5 0 0

100

200

300

400

500

600

700

Tiempo IV.

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

ÍNDICE DE FLUJO El índice de flujo está dado por:

Reemplazando los valores para cada lodo Lodo 1

n = 0.45

Lodo 2 Univ. Arteaga Soruco Mauricio Alejandro

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n = 0.45

Lodo 3

n = 0.56

Lodo 4

n = 0.48

ÍNDICE DE CONSISTENCIA El índice de consistencia está dado por:

Reemplazando los valores para cada lodo Lodo 1

k = 4.89 (lb-sn/100pie2)

Lodo 2

k = 5.08 (lb-sn/100pie2)

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Lodo 3

k = 1.73 (lb-sn/100pie2)

Lodo 4

k = 2.56 (lb-sn/100pie2)

7. CONCLUSIONES, OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES. Este laboratorio ha sido útil para determinar las propiedades reológicas de un

lodo de perforación base agua y bentonita, entre estas propiedades se ha determinado la viscosidad aparente, la viscosidad plástica, el punto cedente y la fuerza gel de dicho lodo.  Se ha aprendido el uso correcto del Viscosímetro Rotatorio en cuanto a

montaje, mantenimiento básico y sobre todo la forma de manejo para determinar las propiedades reológicas en base a diferentes velocidades ajustando el equipo según el requerimiento.  En la parte de cálculos se ha determinado los valores de las viscosidades

plásticas, aparentes y el punto cedente a partir de las lecturas del viscosímetro, estos cálculos se ha realizado para cuatro lodos, tres de los cuales con 8.7 (LPG) de densidad y el otro de 8.6 (LPG). A pesar que tres de los lodos tenían la misma densidad y composición similar, los resultados obtenidos varían considerablemente a excepción de los lodos 1 y 2 los cuales arrojan resultados similares.  Se pudo observar que las lecturas obtenidas (esfuerzos de corte), en función a

velocidades de corte, decrecen conforme decrece dicha velocidad pero no en Univ. Arteaga Soruco Mauricio Alejandro

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relación lineal lo que demuestra que este lodo es un fluido no newtoniano típico cuyo comportamiento se acerca un poco al flujo plástico. Como podemos ver en la siguiente grafica para el lodo 1.

Esfuerzo de corte vs velocidad de corte (lodo 1) 120

 (lb/100pie2)

100 80 60 40 20 0 0

100

200

300

400

500

600

700

 (rpm)

 También se ha determinado el esfuerzo gel del lodo de dos formas diferentes,

la primera haciendo uso del viscosímetro rotatorio y la segunda con el Shearómetro, La principal diferencia que existe entre ambas mediciones es que las medidas tomadas con el viscosímetro son mayores que las tomadas con el Shearómetro y los rangos de variación entre las lecturas a 10 segundos y 10 minutos en el caso del viscosímetro son mayores que en las lecturas del Shearómetro, entonces podemos decir que el gel del lodo se aproxima a un gel progresivo lo cual no es deseable en un fluido de perforación. 

Es recomendable lavar los instrumentos antes y después de utilizarlos para evitar que el lodo se contamine y que el equipo se obstruya o dañe con restos de lodo seco.

 Se recomienda que al realizar las lecturas del la fuerza gel, el estudiante este

atento a la máxima indicación del dial ya que esta se produce muy rápidamente. Univ. Arteaga Soruco Mauricio Alejandro

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8. CUESTIONARIO.I.

¿Cuál es la importancia de la medición de las propiedades reológicas en la perforación? Las propiedades reológicas del lodo le brindan la capacidad de desempeñar muchas funciones, una de las más importantes propiedades reológicas es la viscosidad y las principales funciones que desempeña el lodo gracias a ella son:  Sacar los recortes de formación a superficie.  Mantener en suspensión los recortes de la formación y los

materiales densificantes en el espacio anular. Al perforar un determinado pozo se generan recortes de formación. La remoción de estos debe ser continua para dejar al trepano el espacio libre para que cumpla su función. El lodo debe ser capaz de acarrear estos recortes a superficie dejando limpio el fondo del pozo. La capacidad de limpieza del pozo es función de su viscosidad y de los índices de flujo y consistencia. Gracias a su viscosidad y fuerza gel el lodo puede mantener en suspensión a los sólidos, con la finalidad de que los recortes no se depositen y obstruyan la perforación del pozo y que los materiales densificantes precipiten. II.

¿Qué es la viscosidad aparente, efectiva y plástica

VISCOSIDAD APARENTE, Es la viscosidad medida en condiciones de temperatura y agitación no normalizada. Es una reflexión del punto cedente y la viscosidad plástica combinados. VISCOSIDAD EFECTIVA, Es la viscosidad absoluta de un fluido con comportamiento Newtoniano, es decir es aquella viscosidad que varia con la velocidad de corte. VISCOSIDAD PLÁSTICA, Es parte de la resistencia al movimiento causada por la fricción mecánica producida entre los sólidos del lodo, entre los sólidos y la fase liquida, y por el esfuerzo cortante de la fase liquida. Univ. Arteaga Soruco Mauricio Alejandro

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Universidad Mayor de San Andrés Facultad de Ingeniería Carrera de Ingeniería Petrolera III.

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¿Para qué sirven los índices de consistencia y comportamiento de flujo?

El índice de flujo, es un indicativo del grado de comportamiento no newtoniano de un fluido sobre un rango determinado de velocidades. Describe el grado de comportamiento adelgazante y es posible hacer una clasificación de los tipos de fluidos en base al índice de comportamiento flujo.  n < 1 para un fluido no newtoniano y para un lodo típico.  n =1 para un fluido newtoniano.  n > 1 para un fluido dilatante

El índice de consistencia, es la viscosidad a una velocidad de corte de un segundo reciproco. Se puede decir que representa la viscosidad de un fluido a bajas velocidades de corte. Estos factores influyen en la eficiencia de limpieza del pozo que posee el fluido de perforación, si se tiene un valor bajo del índice de flujo la velocidad del lodo en el espacio anular será mayor mejorando la limpieza de los recortes., en cambio, si se tiene un valor elevado del índice de consistencia la eficiencia de limpieza y suspensión de recortes aumenta. IV.

¿Qué es tixotropía y fuerza gel?

La Tixotropía de un lodo es la capacidad que este posee para desarrollar fuerza gel en el tiempo en el que se encuentra estático o en reposo. La fuerza gel es la propiedad del lodo que hace que este desarrolle una estructura de Gel, debido a fuerzas de atracción entre las partículas, cuando se encuentra en reposo. Este fenómeno es reversible ya que el lodo recupera su estado de fluido bajo agitación mecánica.

9. BIBLIOGRAFIA. UMSA-Carrera

de

Ingeniería

Petrolera.

“GUÍA

DE

FLUIDOS

DE

PERFORACIÓN Y LABORATORIO” Univ. Arteaga Soruco Mauricio Alejandro

pág. 22

Universidad Mayor de San Andrés Facultad de Ingeniería Carrera de Ingeniería Petrolera

 Fredy

Guarachi

Laura.

Fluidos de Perforación. PET-217 Determinación de la viscosidad

“GUÍA

DE

FLUIDOS

DE

PERFORACIÓN

Y

LABORATORIO”  Schlumberger-Dowell “INTRODUCCIÓN A LA REOLOGIA” modulo CF17  Alfonso García G “REOLOGIA BÁSICA APLICADA” (diapositivas)  http://es.scribd.com/doc/20228077/Introduccion-a-la-Reologia  http://es.scribd.com/doc/50917052/04-Propiedades-Reologicas  http://www.miliarium.com/proyectos/estudioshidrogeologicos/anejos/metodos

perforacion/lodos_perforacion.asp  http://es.wikipedia.org/wiki/Reolog%C3%ADa

10. ANEXOS.10.1. MEMORIA FOTOGRÁFICA.-

Univ. Arteaga Soruco Mauricio Alejandro

pág. 23

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Viscosímetro rotatorio armando el rotor

Mezclado del lodo

Medicion de las propiedades reologicas del lodo

Medición del esfuerzo gel con el Shearómetro. 10.2. HOJA DE TOMA DE DATOS.Univ. Arteaga Soruco Mauricio Alejandro

pág. 24