PERFORACIN AVANZADA 1

El empleo de la energa hidrulica durante las operaciones de perforacin incluye otros aspectos.En el diseo de sistemas de fluidos y en el comportamiento de flujo a diferentes condiciones; as como el efecto de diversos contaminantes sobre los fluidos, es posible obtenerlos solamente a partir de un estudio reolgico o de las variaciones en sus propiedades reolgicasEs la ciencia de la deformacin y flujo de los materiales. Es la rama de la fsica que trata sobre la mecnica de los cuerpos deformables.La deformacin que sufren los materiales puede ser arbitrariamente dividida en dos tipos generales: Deformacin espontneamente reversible llamada ELASTICIDAD y Deformacin irreversible denominada FLUJOEl corte es un tipo de deformacin muy importante. En donde el corte simple es un caso especial de una deformacin laminar y puede ser considerado como un proceso, en el cual planos paralelos infinitamente delgados, se deslizan uno sobre otro; como en un paquete de naipes. En el corte simple las lminas de fluido son planas, pero el corte o deformacin laminar puede ser encontrada en otras geometras. En la figura se observa que los tipos de corte mostrados en b y c son muy importantes en reologa; pues stos representan el tipo de flujo encontrado en viscosmetros rotacionales y capilares respectivamente.

Los fluidos se clasifican principalmente en dos grandes grupos: FLUIDOS PURAMENTE VISCOSOS y fluidos que exhiben propiedades viscosas y elsticas, denominados FLUIDOS VISCOELSTICOS.Sin embargo, de acuerdo con su comportamiento bajo la accin de un esfuerzo cortante y la velocidad de corte inducida por dicho esfuerzo, los fluidos se clasifican como FLUIDOS NEWTONIANOS y FLUIDOS NO-NEWTONIANOS

FLUIDOS NEWTONIANOS Los fluidos newtonianos o ideales son aquellos cuyo comportamiento reolgico puede ser descrito de acuerdo con la LEY DE LA VISCOSIDAD DE NEWTON. Es decir, son aquellos fluidos que exhiben una proporcionalidad directa entre el esfuerzo cortante aplicado y la velocidad de corte inducida.

FLUIDOS NO-NEWTONIANOS Los fluidos no-Newtonianos son aquellos fluidos que no se comportan de acuerdo con la Ley de la Viscosidad de Newton. Por exclusin, en este grupo se incluye a todos los fluidos que no exhiben una relacin directa entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte. A su vez, stos pueden ser subdivididos en dos grupos: Fluidos Independientes del Tiempo y Fluidos Dependientes del Tiempo.FLUIDOS INDEPENDIENTES DE TIEMPO Son as denominados debido a que sus propiedades reolgicas no cambian con la duracin del corte o con su historia de corte. Entre stos se encuentran los Fluidos Plsticos de Bingham, Seudoplsticos, Dilatantes, y Seudoplsticos y Dilatantes con Punto de Cedencia.FLUIDOS PLSTICOS DE BINGHAM Son un caso idealizado de los fluidos no-Newtonianos; pues a fin de iniciar su movimiento se requiere vencer un esfuerzo inicial finito, denominado esfuerzo o punto de cedencia. Una vez que dicho esfuerzo inicial ha sido excedido, estos fluidos exhiben una relacin lineal entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte.

FLUIDOS SEUDOPLSTICOS Son aquellos fluidos para los cuales un esfuerzo cortante infinitesimal iniciar su movimiento y para el cual el ritmo de incremento en el esfuerzo cortante decrece conforme se incrementa la velocidad de corte.

FLUIDOS DILATANTES Estos fluidos presentan un comportamiento similar a los Fluidos Seudoplsticos, con la diferencia de que en los Fluidos Dilatantes el ritmo del incremento del esfuerzo cortante con la velocidad de corte se incrementa.

FLUIDOS SEUDOPLSTICOS Y DILATANTES CON PUNTO DE CEDENCIA Son aquellos fluidos que exhiben un esfuerzo inicial finito o punto de cedencia, como en el caso de los Fluidos Plsticos de Bingham; pero una vez que el esfuerzo inicial ha sido rebasado la relacin entre el esfuerzo cortante, en exceso del esfuerzo inicial, con la velocidad de corte resultante no es lineal. Es decir, una vez que el esfuerzo de cedencia ha sido excedido, su comportamiento esfuerzo-deformacin se asemeja al comportamiento de los Fluidos Seudoplsticos o Dilatantes.

FLUIDOS DEPENDIENTES DE TIEMPO Estos fluidos se caracterizan porque sus propiedades reolgicas varan con la duracin del corte (esfuerzo cortante y velocidad de corte), dentro de ciertos lmites. Los Fluidos Dependientes del Tiempo se subdividen en: Fluidos Tixotrpicos y Fluidos Reopcticos. FLUIDOS TIXOTRPICOS Son aquellos fluidos en los cuales el esfuerzo cortante decrece con la duracin del corte.

FLUIDOS REOPCTICOS A diferencia de los Fluidos Tixotrpicos, en los Fluidos Reopcticos el esfuerzo cortante se incrementa conforme se incrementa la duracin del corte.

FLUIDOS VISCOELSTICOS Los Fluidos Viscoelsticos son as denominados debido a que presentan caractersticas intermedias entre los fluidos puramente viscosos y los slidos puramente elsticos, especialmente la caracterstica de deformacin bajo la accin de un esfuerzo y de retornar a su forma original indeformada cuando cesa la accin de dicho esfuerzo. Es decir, recobran su forma original despus de la deformacin a la que han estado sujetos, cuando cesa la accin del esfuerzo.FLUIDOS DE PERFORACIN Los fluidos de perforacin son generalmente suspensiones de slidos en lquidos, los cuales presentan caractersticas de flujo bastante complejas, pues no siguen, al menos en una forma rigurosa, ninguno de los comportamientos reolgicos descritos anteriormente. Adems, las condiciones de flujo tales como la presin y la temperatura, as como las diferentes velocidades de corte encontradas en los pozos petroleros, tienden a agravar el entendimiento de las propiedades de flujo de estos fluidos. De acuerdo con las funciones que tienen que cumplir estos fluidos, las caractersticas tixotrpicas son deseables; pero esta dependencia del tiempo deber de ser eliminada antes de estudiarlos desde el punto de vista reolgico. Sin embargo, los fluidos de perforacin (lodos de perforacin), pueden ser estudiados como Fluidos no-Newtonianos e Independientes de Tiempo; es decir, pueden ser considerados como Fluidos Plsticos de Bingham y/o Seudoplsticos con y sin Punto de Cedencia.

MODELOS REOLGICOSLa descripcin reolgica de los fluidos ha sido expresada mediante relaciones matemticas complejas. Afortunadamente en el campo de la ingeniera los fluidos no-Newtonianos ms abundantes, estudiados y mejor entendidos son los fluidos seudoplsticos. Algunas de las relaciones empleadas para describir a estos fluidos han sido aplicadas al comportamiento reolgico de los fluidos de perforacin, terminacin y reparacin de pozos petroleros. Por lo tanto, los fluidos de perforacin, terminacin y reparacin de pozos pueden ser representados por varios modelos reolgicos o ecuaciones constitutivas; entre las cuales, las ms empleadas son el modelo de Bingham, Ostwald-de Waele y Herschel-Bulkley. Recientemente, los modelos de Robertson y Stiff y de Casson han sido propuestos para caracterizar a los fluidos de perforacin y las lechadas de cemento. Modelos reolgicos ms complejos como el modelo de Ellis y el de Sisko han sido y pueden ser empleados en algunos casosMODELO DE NEWTON Este modelo propuesto por Newton, representa a los fluidos ideales. Es decir, caracteriza a aquellos fluidos cuya relacin entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte es lineal. La constante de proporcionalidad, conocida como coeficiente de viscosidad o simplemente viscosidad, es suficiente para describir su comportamiento de flujo. Matemticamente, esta relacin se expresa como: Donde es la viscosidad absoluta, viscosidad Newtoniana o simplemente viscosidad. Esta viscosidad permanece constante a cualquier velocidad de corte; siempre y cuando el flujo sea laminar y las propiedades del fluido permanezcan inalterables. Ejemplos de fluidos newtonianos lo son todos los gases, lquidos de molculas simples no elongadas y suspensiones seudohomogneas de partculas esfricas en gases o lquidos.MODELO DE BINGHAM Este tipo de fluidos es el ms simple de todos los fluidos no-Newtonianos, debido a que la relacin entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte exhibe una proporcionalidad directa, una vez que un esfuerzo inicial finito, necesario para iniciar el movimiento, ha sido excedido. A este esfuerzo inicial se le denomina punto de cedencia, y; en tanto que la pendiente de la porcin lineal del reograma es conocida como coeficiente de rigidez o simplemente viscosidad plstica, p. As, el modelo de Bingham esta representado como: Donde:

Aunque este modelo es un caso idealizado, las suspensiones de arcillas (20 a 60% de arcillas clcicas en agua) y el flujo de fluidos de perforacin en espacios anulares, asemejan su comportamiento de flujo a este modelo. Por simplicidad, este modelo ha sido empleado extensivamente en la ingeniera petrolera; aun cuando el comportamiento real del lodo de perforacin no presenta una relacin lineal entre el esfuerzo y la velocidad de corte.

MODELO DE LEY DE POTENCIAS El modelo de Ostwald-de Waele, comnmente conocido como modelo de Ley de Potencias, es uno de los ms usados en el campo de la ingeniera y una de las primeras relaciones propuestas entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte. Esta relacin est caracterizada por dos constantes reolgicas y expresada como:

En donde el ndice de consistencia K, es un trmino semejante a la viscosidad e indicativo de la consistencia del fluido. Es decir, si el valor de K es alto, el fluido es ms "viscoso" y viceversa. En tanto que el ndice de comportamiento de flujo n, es una medida de la no-Newtonianidad del fluido. Entre ms alejado de la unidad sea el valor de n, ms no-Newtoniano es el comportamiento del fluido. Si el valor de n es mayor que cero y menor que la unidad, el modelo representa a los fluidos seudoplsticos; en tanto que si n es mayor que la unidad, el modelo representa a los fluidos dilatantes. Ntese que este modelo se reduce a la Ley de la Viscosidad de Newton, si n es igual a la unidad, con K = /gc. No obstante que el modelo de Ley de Potencias es eminentemente emprico, ha sido ampliamente utilizado, debido a que a gradientes de velocidad intermedios reproduce adecuadamente el comportamiento de flujo de muchos fluidos seudoplsticos y dilatantes. Otra ventaja en el uso de este modelo, lo constituye el hecho de que es simple y posee nicamente dos constantes reolgicas (n y K); adems de que cuando ha sido empleado en problemas de flujo en tuberas ha dado excelentes resultados.MODELO DE LEY DE POTENCIAS MODIFICADO El modelo de Herschel-Bulkley, tambin conocido como modelo de Ley de Potencias con Punto de Cedencia, fue propuesto con el fin de obtener una relacin ms estrecha entre el modelo reolgico y las propiedades de flujo de los fluidos seudoplsticos y dilatantes que presentan un punto de cedencia. Entre los modelos propuestos que involucran el uso de tres constantes o parmetros ajustables, el modelo de Herschel-Bulkley es de los ms simples y exactos. Este modelo est representado por:

Con:

Donde y representa un esfuerzo inicial o punto de cedencia. Las constantes n y K tienen un significado similar a las constantes reolgicas del modelo de Ley de Potencias, este modelo es ms general que los anteriores. Es decir, los modelos de Newton, Bingham y Ostwald-de Waele son soluciones particulares de ste; pues si n es igual a la unidad y y es cero, el modelo se reduce a la Ley de Newton; en tanto que si y es diferente de cero, este modelo representa al modelo de Bingham , con K = p/gc. Por otro lado, si n es diferente de la unidad y y es cero, resulta el modelo de Ley de Potencias. Por este motivo, a este modelo se le ha denominado como modelo de Ley de Potencias Modificado.