ESCUELA MILITAR DE INGENIERIA

Propiedades Reologicas de los Fluidos

El flujo de fluidos o sistemas de fluidos, a travs de conductos circulares y espacios anulares, es uno de los aspectos comnmente encontrados en el campo de la ingeniera; especialmente en la perforacin, terminacin y reparacin de pozos petroleros. Por lo tanto, las caractersticas reolgicas o de flujo de los fluidos debern de ser bien definidas, a fin de disear adecuadamente los requerimientos de potencia necesaria para circularlos. Adems, 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 reolgicas. REOLOGALa reologa es la ciencia que trata de la deformacin y del flujo de fluidos. Al tomar ciertas medidas en un fluido, es posible determinar la manera en que dicho fluido fluir bajo diversas condiciones, incluyendo la temperatura, la presin y la velocidad de corte. Las propiedades reolgicas fundamentales son la viscosidad y la resistencia del gel. La medicin de las propiedades reolgicas de un lodo es importante en el clculo de: Las prdidas de presin por friccin Para determinar la capacidad del lodo para elevar los recortes y desprendimientos a la superficie Para analizar la contaminacin del fluido por slidos, substancias qumicas y temperatura. Para determinar los cambios de presin en el interior del pozo durante un viaje. DEFORMACION La deformacin que sufren los materiales puede ser arbitrariamente dividida en dos tipos generales: Deformacin espontneamente reversible llamada ELASTICIDAD. Deformacin irreversible denominada FLUJO. ELASTICIDAD Esta deformacin corresponde a una energa mecnicamente recuperable. Es decir, el trabajo empleado en deformar un cuerpo perfectamente elstico, es recuperado cuando el cuerpo es retornado a su forma original indeformada. Por lo que esta deformacin elstica es considerada como una funcin del esfuerzo. FLUJO La deformacin llamada flujo corresponde a la conversin de la energa mecnica en calor. El trabajo empleado en mantener el flujo es disipado en una forma de calor y no es mecnicamente recuperable. En el flujo, la deformacin es una funcin del corte.CORTE El 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.FLUIDO Un fluido puede ser definido simplemente como una substancia la cual tiende a fluir bajo la accin de un esfuerzo, no importando la consistencia de ste. En un fluido, los esfuerzos entre las partculas adyacentes son proporcionales al ritmo de deformacin y tienden a desaparecer cuando cesa el movimiento. Un fluido ideal (fluido viscoso) no puede soportar deformaciones por largos perodos de tiempo, debido a que stos son aliviados por el flujo. Por supuesto, algunos fluidos pueden exhibir una deformacin elstica por perodos de tiempo considerables (perodos infinitamente cortos con respecto al tiempo necesario para obtener un flujo apreciable).

MEZCLAS DE UNA FASE Los fluidos de una fase son verdaderamente homogneos y aun cuando su comportamiento de flujo no siempre es simple, este comportamiento no es complicado por la variacin en la concentracin de las fases. MEZCLAS MULTIFSICAS Estas mezclas pueden ser descritas de acuerdo con las condiciones reales de flujo y la distribucin de cada una de las fases; as, es posible definir: Dispersin Fina Pequeas burbujas de gas, gotas de lquidos inmiscibles o partculas slidas ms o menos uniformemente dispersas en una fase lquida continua; o bien continua; o bien, partculas slidas o gotas de lquidos ms o menos uniformemente distribuidas en una fase gaseosa contina. Dispersin Gruesa Burbujas de gas, gotas de lquido inmiscible o partculas slidas grandes y dispersas en una fase continua lquida; o grandes gotas de lquido o partculas slidas dispersas en una fase contina de gas. Macro-Mezclas Mezcla altamente turbulenta de gas y lquido o de lquidos inmiscibles bajo condiciones de flujo en donde ninguna de las fases es contina. Estratificado Mezcla de gas-lquido o dos lquidos inmiscibles, bajo condiciones de flujo donde ambas fases son continas. FLUIDO SEUDOHOMOGNEO Ya sea que una dispersin fluido-fluido o fluido-slido se comporte como un fluido homogneo o no, depender del grado de turbulencia del flujo o de la velocidad de separacin de las fases, la cual a su vez depende del tamao, forma, densidad y concentracin de las partculas, as como de la densidad y viscosidad del fluido. En este manual, los fluidos de una fase y las mezclas multifsicas que son "estables" en ausencia de turbulencia, sern referidas nicamente como fluidos.CLASIFICACION Y DESCRIPCIN DE LOS FLUIDOSFLUIDOS NEWTONIANOS Los fluidos newtonianos o ideales son aquellos cuyo comportamiento reolgico puede ser descrito de acuerdo con la LEY DE LA VISCOSIDAD DE NEWTON.

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.

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. MODELO 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. 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.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.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.DETERMINACIN DE LAS CONSTANTES REOLGICASLas mediciones de la Viscosidad Plstica y del Punto de Cedencia son extremadamente tiles para determinar la causa de viscosidades anormales en los fluidos de perforacin. LA VISCOSIDAD PLSTICA es la parte de resistencia al flujo causada por la friccin mecnica. Altas concentraciones de slidos llevan a una alta friccin que aumentar la viscosidad plstica. El disminuir el tamao de los slidos a volumen constante tambin aumenta la Viscosidad Plstica debido a que hay un aumento en el rea de contacto entre las partculas lo que aumenta la friccin. EL PUNTO DE CEDENCIA, el segundo componente de resistencia al flujo de un fluido de perforacin, es la medida de una fuerza electro-qumicas o de atraccin en el lodo. Estas fuerzas son el resultado de cargas positivas o negativas localizadas cerca de la superficie de las partculas.RESISTENCIA DE GEL (en libras por 100 pie2, lb/100pie2): Las mediciones de resistencia de Gel denotan las propiedades tixotrpicas del lodo. Son la medida de las fuerzas de atraccin bajo condiciones estticas o de no flujo.REOLOGA Y REGMENES DE FLUJO: En 1833, Osborne Reynolds llev a cabo experimentos con varios lquidos que fluan a travs de un tubo de vidrio. El tipo de flujo en el que todo el movimiento del fluido es en direccin del flujo es ahora llamado flujo laminar. Se le llama flujo turbulento a un movimiento rpido y catico en todas direcciones en el fluido. El flujo de un fluido a velocidades de flujo extremadamente bajas es un flujo de tapn. Al flujo que puede alternar entre laminar y turbulento se le llama flujo transicional.

REOLOGA - NMERO DE REYNOLDS El nmero de Reynolds toma en consideracin los factores bsicos de flujo por tubera. Tubera, dimetro, velocidad promedio, densidad de fluido y viscosidad de fluido. Re = (Velocidad x dimetro del tubo x densidad)/(viscosidad de fluido) Flujo Laminar si Re < 2000- Transicin - 3000 3000El rgimen particular de flujo que tenga un fluido durante la perforacin puede tener efectos dramticos en parmetros como las prdidas de presin, la limpieza del pozo y la estabilidad de agujero.

FLUIDOS DE PERFORACION8