viscosidad

FLUIDOS DE PERFORACION

universidad nacional de ingenieria

FACULTAD DE INGENIERIA DE PETROLEO, GAS NATURAL Y PETROQUMICA

FLUIDOS DE PERFORACIONVISCOSIDADALUMNOCHRISTIAN OLASCOAGA MORI

CODIGO20112587H

PROFESORING. DANIEL CANTO ESPINOZA

NOVIEMBRE 2014

ContenidoINTRODUCCION3RESUMEN3FUNDAMENTO TERICO4VISCOSIDAD4VISCOSIDAD EFECTIVA7VISCOSIDAD APARENTE7VISCOSIDAD PLSTICA8PUNTO CEDENTE9ESFUERZO DE CORTE Y VELOCIDAD DECORTE9VELOCIDAD DE CORTE10ESFUERZO DE CORTE11MODELO DE FLUJO PLSTICO DE BINGHAM12MODELO DE LEYEXPONENCIAL13VISCOSIDAD API- EMBUDO MARSH15VISCOSMETRO DE LECTURA DIRECTA16PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL17Materiales17Procedimiento19Viscosmetro de FANN19Viscosmetro de Marsh21CALCULOS Y RESULTADOS22Viscosmetro de FANN23Viscosmetro de Marsh28Datos obtenidos por los dems grupos de trabajo30CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES30CONCLUSIONES30RECOMENDACIONES31APORTES32RUPTURA DE LA FUERZA GEL DE LODO MIENTRAS SE EST VIAJANDO32LOS RECORTES COMO CAUSA DE PEGAS DE TUBERAS34

LABORATORIO DE VISCOSIDAD DEL FLUIDO DE PERFORACIONINTRODUCCION

El logro de este experimento radica en la compresin de la importancia de la elaboracin del lodo de perforacin tomando en cuenta sus propiedades reolgicas; es decir, tanto en lo componentes que lo constituyen como el efecto que causa su viscosidad. Los fluidos de perforacin juegan un papel importante en cualquier proceso durante la perforacin, en otras palabras, el fluido de perforacin es un fluido capaz de circular a travs de la sarta de perforacin hasta la barrena y regresar a la superficie por el espacio anular, donde se hallan propiedades beneficiosas o no para la operacin. Es de vital importancia seleccionar el fluido de perforacin tomando en cuenta las propiedades y sus principales funciones, ya que ello es una parte clave del proceso y el xito de un programa de perforacin y completacin del pozo.

Para esta experiencia se utiliza el mtodo de mezcla, donde se conseguir obtener tres tipos de lodos de perforacin (de diferentes componentes), y obtendremos respectivamente distintas lecturas para el clculo de su viscosidad con los instrumentos a emplear, con la finalidad de comparar los datos obtenidos y diferenciar sus propiedades reolgicas.RESUMEN

La sesin de laboratorio se dividi en dos etapas. En la primera etapa se prepararon tres tipos de lodo con proporcin variable para cada grupo. El primero se compuso de agua, bentonita y barita; el segundo se compuso de agua, bentonita, barita y POLYPAC mientras que el tercero se compuso de agua, bentonita, barita y XAMPLE D. Para medir la viscosidad de estos lodos se us el viscosmetro de lectura directa, el cual nos proporcion un valor de esfuerzo de corte segn se cambiase las revoluciones por minuto a la que el lodo se somete.En la segunda etapa se procedi de la misma manera que en la primera con la nica diferencia de que para la medicin de viscosidad se us el viscosmetro de lectura directa o embudo Marsh, para ello se prepar una cantidad considerable de lodo de perforacin para poder medir su viscosidad mediante el embudo Marsh el cual tiene una capacidad de 1500 ml por lo que se calcula aproximadamente que se tienen que realzar 5 preparaciones de lodo para satisfacer el volumen requerido para el embudo. Medimos el tiempo en que demora en llenar el embudo un volumen de un cuarto de galn del fluido. Con los datos obtenidos se calculan los valores de viscosidad correspondientes para as clasificar a los lodos segn su capacidad de remocin de partculas.FUNDAMENTO TERICOVISCOSIDAD

La determinacin de las propiedades fsicas y la composicin qumica de los fluidos de perforacin han sido objeto de numerosos trabajos, ya que estas inciden en los procesos trmicos y de transporte de fluidos. La viscosidad de un fluido (como prioridad fundamental de transporte) es determinada a partir de mediciones de velocidad de corte y de esfuerzo cortante mediante el uso de modelos reolgicos de regresin (no lineales), por ser generalmente estos fluidos de tipo no Newtoniano. Los fluidos no Newtonianos se clasifican en tres subgrupos:

Independientes del tiempo Dependientes del tiempo De caractersticas solidasLos fluidos que se utilizan durante las operaciones de perforacin de pozos geotrmicos son generalmente del tipo no Newtoniano e independiente del tiempo, los cuales a su vez pueden tener un comportamiento plstico de Bingham, pseudoplstico o dilatante.

GRAFICA 1. Comportamiento de fluidos no Newtonianos

El comportamiento no Newtoniano de los fluidos de perforacin en forma significativa en su viscosidad dinmica , la cual se define como la resistencia a la deformacin de un fluido. Dicho concepto est implcito en la Ley de Newton y para efectos del presente trabajo se consider la viscosidad dinmica (en ) como la derivada del esfuerzo cortante con respecto a la velocidad de corte .

Dentro de este contexto cientfico, es importante aplicar un anlisis estadstico correcto a las mediciones relogicas experimentales usando metodologas para el tratamiento de datos univariados o bivariados y la evaluacin de los modelos de regresin.En la TABLA 2 se detallan nueve modelos relogicos de los cuales nos centraremos en modelo relogico de Bingham y el modelo de la Ley exponencial. Una vez evaluados los modelos se presentaran los datos obtenidos de cada uno y se evaluara la mejor conveniencia en la utilizacin de cada uno.

TABLA 1. Abreviatura de modelos reologicos importantesTABLA 2. Ecuaciones de esfuerzo de corte y viscosidad segn modelos reolgicosVISCOSIDAD EFECTIVA

La viscosidad de un fluido no newtoniano cambia con el esfuerzo de corte. La viscosidad efectiva de un fluido es la viscosidad de un fluido bajo condiciones especficas.Estas condiciones incluyen la velocidad de corte, la presin y la temperatura.

VISCOSIDAD APARENTE

La viscosidad efectiva a veces es llamada Viscosidad Aparente . La viscosidad aparente est indicada por la indicacin del viscosmetro de lodo a 300 RPM o la mitad de la indicacin del viscosmetro a 600 RPM . Cabe indicar que ambos valores de viscosidad aparente concuerdan con la frmula de viscosidad.

VISCOSIDAD PLSTICA

La viscosidad plstica en centipoise o milipascales-segundo se calcula a partir de los datos del viscosmetro de lodo, como:

La viscosidad plstica se describe generalmente como la parte de la resistencia alflujoqueescausadaporlafriccinmecnica.Laviscosidadplsticaesafectadaprincipalmentepor:

La concentracin de slidos. El tamao yla forma de los slidos. La viscosidad de la fase fluida. La presencia de algunos polmeros de cadena larga. Las relaciones aceite-agua (A/A) o Sinttico-Agua (S/A) en los fluidos de emulsin inversa.GRAFICA 2. Vista grafica de la viscosidad aparente y la viscosidad efectiva

PUNTO CEDENTE

Es una medida de las fuerzas electroqumicas o de atraccin de un fluido que depende de: Las propiedades superficiales de slidos en un fluido Concentracin volumtrica de un fluido Ambiente elctrico entre estos slidosEl punto cedente es la resistencia al flujo que se puede controlar con un tratamiento qumico apropiado. Su valor se obtiene mediante las siguientes relaciones:

ESFUERZO DE CORTE Y VELOCIDAD DECORTE

Los otros trminos para la viscosidad se pueden describir como la relacin del esfuerzo de corte ala velocidad de corte . Pordefinicin: Los conceptos de velocidad de corte y esfuerzo de corte se aplican al flujo de todos los fluidos. Dentro de un sistema de circulacin, la velocidad de corte depende de la velocidad media del fluido en la geometra en que est fluyendo. Por lo tanto, las velocidades de corte son mayores en las geometras pequeas (dentro de la columna deperforacin) y menores en las geometras grandes (como la tubera de revestimiento y los espacios anulares del riser). Las velocidades de corte ms altas suelen causar una mayor fuerza resistiva del esfuerzo de corte. Por lo tanto, los esfuerzos de corte en la columna de perforacin (donde hay mayores velocidades de corte) exceden los del espacio anular (donde las velocidades de corte son menores). El total de las prdidas depresin a travs del sistema de circulacin (presin de bombeo) est frecuentemente asociado con el esfuerzo de corte, mientras que la velocidad de bombeo est asociada con la velocidad de corte. Esta relacin entre la velocidad de corte y el esfuerzo de cortepara un fluido define la manera en que dicho fluido corre. La figura siguiente es una representacin simplificada de dos capas de fluido (A y B) que se mueven a diferentes velocidades cuando se aplica una fuerza. Cuando un fluido est fluyendo, hay una fuerza en el fluido que se opone al flujo. Esta fuerza se llama esfuerzo de corte. Se puede describir como un esfuerzo de friccin queaparece cuando una capa de fluido se desliza encima de otra. Como el corte ocurre ms fcilmente entre capas de fluido que entre la capa exterior del fluido y la pared de una tubera, el fluido que est en contacto con la pared no fluye.

VELOCIDAD DE CORTE

La velocidad a la cual una capa pasa por delante de la otra capa se llama velocidad de corte. Por lo tanto, la velocidad de corte es un gradiente de velocidad. La frmula para la velocidad de corte es:

FIGURA 1. Esquema de Velocidad de corte en dos capas

Dnde:

La velocidad de corte (), es igual a la velocidad rotacional RPM () viscosmetro multiplicada por 1,703. Este factor se deriva de la geometra del manguito y delbalancn del viscosmetro.

ESFUERZO DE CORTE

El esfuerzo de corte es la fuerza requerida para mantener la velocidad de corte. El esfuerzo de corte est expresado en unidades estndar delcampo petrolfero, es decir las libras de fuerza por cien pies cuadrados requeridas para mantener la velocidad de corte. Las indicaciones del cuadrante del viscosmetro de lodo tomadas con la combinacin de balancn y resorte estndar nmero uno,tal como se describen en el procedimiento del experimento, pueden ser convertidas en un esfuerzo de corte comunidades de , multiplicando la indicacin por 1,0678.

Lasindicacionesdelviscosmetrosonfrecuentementeusadascomoindicacindelesfuerzo de corte () en lb. /100 pies2 sin realizar la conversin, ya que la diferencia espequea. Se usan una variedad de viscosmetros para medir la viscosidad del fluido deperforacin. Los viscosmetros FANN (VG) y los remetros estn diseados parasimplificar el uso de los modelos geolgicos. Los viscosmetros tambin son usadospara medir las propiedades tixotrpicas o los esfuerzos de GEL de un fluido.

MODELO DE FLUJO PLSTICO DE BINGHAM

El modelo de Flujo Plstico de Bingham ha sido usado ms frecuentemente para describir las caractersticas de flujo de los fluidos de perforacin. ste es uno de los ms antiguos modelos reolgicos que son usados actualmente. Este modelo describe un fluido en el cual se requiere una fuerza finita para iniciar el flujo (punto cedente) y que luegodemuestraunaviscosidadconstantecuandolavelocidaddecorteaumenta (viscosidad plstica). La ecuacin para el modelo de Flujo Plstico de Bingham es la siguiente:

Donde:

Cuandoseconviertelaecuacinparasuaplicacinconlasindicacionesdel viscosmetro, la ecuacin resultante es la siguiente:

La mayora de los fluidos de perforacin no son verdaderos fluidos Plsticos de Bingham. Para el lodo tpico, si se hace una curva de consistencia para un fluido deperforacin con los datos del viscosmetro rotativo, se obtiene una curva no lineal que no pasa por el punto de origen, segn se muestra en la figura. El desarrollo de los esfuerzos de gel hace que la interseccin de Y se produzca en un punto por encima delpunto de origen, debido a la fuerza mnima requerida para romper los geles e iniciar el flujo. El flujo tapn, condicin en que un fluido gelificado fluye como un tapn que tiene un perfil de viscosidad plano, comienza a medida que esta fuerza aumenta. A medida que la velocidad decorte aumenta, el flujo pasadel flujo tapn alflujo viscoso. Dentro de la zona de flujo viscoso, los incrementos iguales de la velocidad de corteproducirnincrementosigualesdelesfuerzodecorte,yelsistemaadoptalaconfiguracin del flujo de un fluido newtoniano.

GRAFICA 3. Diagrama de flujo de lodo newtoniano y tpico

MODELO DE LEYEXPONENCIAL

El modelo de Ley Exponencial procura superar las deficiencias del modelo de Flujo Plstico de Bingham a bajas velocidades de corte. El modelo de Ley Exponencial es ms complicado que el modelo de Flujo Plstico de Bingham porque no supone que existe una relacin lineal entre el esfuerzo de corte y la velocidad de corte. Sin embargo, como para los fluidos newtonianos, las curvas de esfuerzo de corte vs. Velocidad de corte para los fluidos que obedecen a la Ley Exponencial pasan por el punto de origen. Este modelo describe un fluido en el cual el esfuerzo de corte aumenta segn la velocidad decorteelevada matemticamente auna potencia determinada.Matemticamente, el modelo de Ley Exponencial se expresa como:

Dnde:

Los valores de n y K se pueden obtener de la siguiente manera:

Este valor vara en tubera y espacio anular:

Para tubera:

Para espacio anular:

Segnelvalorden,existentrestiposdiferentesdeperfilesdeflujoy comportamientos del fluido:1. n < 1: El fluido es un fluido no newtoniano que disminuye su viscosidad con el esfuerzo de corte.2. n = 1: El fluido es un fluido newtoniano.3. n > 1: El fluido es un fluido dilatante que aumenta su viscosidad con el esfuerzo de corte (los fluidos de perforacin no estn incluidos en esta categora).

GRAFICA 4. Efecto del indice n sobre el fluido

VISCOSIDAD API- EMBUDO MARSH

Se le concede cierta importancia prctica aunque carece de base cientfica, y el nico beneficio que aparentemente tiene, es el de suspender el ripio de formacin en el espacio anular, cuando el flujo es laminar. Es recomendable evitar las altas viscosidades y perforar con la viscosidad embudo ms baja posible, siempre y cuando, se tengan valores aceptables de fuerzas de gelatinizacin y un control sobre el filtrado. Un fluido contaminado exhibe alta viscosidad embudo.Embudo Marsh El embudo se utiliza para determinar la viscosidad del fluido en segundos por cuarto de galn. Es determinada con el Embudo Marsh, y sirve para comparar la fluidez de un lquido con la del agua.

FIGURA 2. Embudo Marsh para prueba de viscosidad

VISCOSMETRO DE LECTURA DIRECTA

Este aparato est constituido por un rotor que gira dentro de una taza mediante un motor elctrico. Una caja de velocidades, que acta mediante un sistema de engranaje, hace girar el rotor a diferentes velocidades.Al girar el rotor produce un cierto arrastre al bob. Este arrastre se mide mediante una balanza de torsin, que indica la fuerza desarrollada en un dial graduado.

FIGURA 3. Embudo Marsh para prueba de viscosidad

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Materiales

Procedimiento Viscosmetro de FANN

a) Primero, pesar en la balanza analtica las respectivas masas de Bentonita, Barita y Polypac brindadas en el laboratorio para la elaboracin de tres lodos diferentes asignadas respectivamente para posteriormente calcular su viscosidad.

b) Mezclar las sustancias respectivas para la elaboracin del lodo de perforacin (Lodo1) con ayuda del agitador. Luego, registrar la temperatura de la mezcla del lodo obtenido.

c) Poner en el vaso trmico la muestra de lodo, colocar el vaso en su soporte y levantarlo hasta que el rotor quede sumergido en el lodo hasta la marca grabada.

d) Se conecta la corriente al motor y se hace girar el rotor en su posicin de alta velocidad, colocando el conmutador en high. La velocidad mxima es de 600 rpm, as que, una vez que se estabilice la escala que marca el valor del esfuerzo de corte, anotar la lectura a 600 (600). Cambiar las velocidades solamente cuando el motor este en marcha con la palanca de cambio a 6 rpm y 200 rpm y anotar las respectivas lecturas de corte para el clculo de la viscosidad.e) Cambiar la velocidad del rotor cambiando el conmutador en low para obtener 300 rpm y una vez que se estabilice la escala que marca el valor del esfuerzo de corte, anotar la lectura a 300 (300). As mismo, cambiamos las velocidades con la palanca de cambio a 100 rpm y 3 rpm y anotamos las respectivas lecturas de corte para el clculo de la viscosidad.f) Repetimos los procedimientos b), c), d) y e) para obtener las respectivas lecturas para el clculo de la viscosidad para los otros lodos respectivos (Lodo2 y Lodo3).

Viscosmetro de Marsh

a) Primero, calibramos el viscosmetro Marsh manteniendo el embudo en posicin vertical y tapando el orificio de descarga con un dedo, se llena con agua hasta que el nivel del fluido llegue a la parte inferior de la malla (1500 cc) a temperatura de ambiente.

b) Luego, retiramos inmediatamente el dedo del orificio y medimos el tiempo requerido para que el agua llene el vaso receptor hasta el nivel de un cuarto de galn (946cc) indicado en el vaso.

c) El tiempo requerido de salida de un cuarto de galn (946 cc) de agua debe ser 26 segundos.d) Despus, se procede a sostener el embudo en posicin vertical tapando el orificio de descarga con un dedo, verter la mezcla de lodo obtenido a travs de la malla hasta que el fluido llegue a la parte inferior de la malla (1500 cc).

e) Retirar inmediatamente el dedo del orificio y medir el tiempo requerido (con el cronmetro) para que el lodo llene el vaso receptor hasta el nivel de un cuarto de galn (946cc) indicado en el vaso. f) Repetir 2 veces ms el procedimiento e) y f). Anotar los tiempos obtenidos y comparar.

CALCULOS Y RESULTADOS

Ecuacin dada en el laboratorio para llevar acabo la preparacin respectiva de cada lodo: Lodo 1:

Lodo 2:

Lodo 3:

Viscosmetro de FANN

Toma de datos para el Lodo 1

- Temperatura del Lodo 1 registrada 30C (temperatura ambiente)- Lodo densificado sin aditivo.

Low ()Lectura ()High ()Lectura ()

100 rpm7200 rpm9

3 rpm46 rpm4.5

300 rpm11600 rpm16.5

Los datos obtenidos por el viscosmetro FANN, son transformados mediante los factores de conversin para obtener las unidades del campo petrolfero.

Lodo 1 (lb/100ft2) (seg-1)

3 rpm4.27125,1090

6 rpm4.805110,2180

100 rpm7.4746170,3000

200 rpm9.6102340,6000

300 rpm11.7458510,9000

600 rpm17.61871021,8000

Calculamos la viscosidad plstica (), viscosidad aparente () y el punto cedente ():

Graficamos Esfuerzo de corte vs. Velocidad de corte para el Lodo 1:

GRAFICA 5. Resultados de los datos Lodo 1.

Toma de datos para el Lodo 2- Temperatura del Lodo 2 registrada 30C.- Lodo con aditivo (1gr de Xample D).


100 rpm16200 rpm23

3 rpm56 rpm6

300 rpm29600 rpm46



3 rpm5.3395,1090

6 rpm6.406810,2180

100 rpm17.0848170,3000

200 rpm24.5594340,6000

300 rpm30.9662510,9000

600 rpm49.11881021,8000




Toma de datos para el Lodo 3- Temperatura del Lodo 3 registrada 33C.- Lodo con aditivo (2gr Polypac).


100 rpm9.5200 rpm12.5

3 rpm46 rpm 4.5

300 rpm14600 rpm18.5



3 rpm4.27125,1090

6 rpm4.805110,2180

100 rpm10.1441170,3000

200 rpm13.3475340,6000

300 rpm14.9492510,9000

600 rpm19.75431021,8000




Viscosmetro de Marsh

Se calibro el embudo Marsh con agua donde obtuvimos una medicin de tiempo de salida de un cuarto de galn (946 cc) de 25.9 segundos. Temperatura del Lodo 2 registrada 30C. Se realiz la medicin solamente para el Lodo 2 ya que es favorable por el resultado obtenido por el viscosmetro FANN segn norma API, obteniendo los siguientes datos:

Lodo 2Tiempo de salida de un cuarto de galn (946 cc)

t1 (seg.)80

t2 (seg.)77

t3 (seg.)75

Tiempo promedio (seg.)77.3

Sabemos que el tiempo real requerido de salida de un cuarto de galn (946 cc) de agua debe ser 26 segundos, entonces se proceder hallar el tiempo real de salida de un cuarto de galn (946 cc) para el Lodo 2 con una regla de tres simple como a continuacin se muestra:

- Para t1:

- Para t2:

- Para t3:

Donde el tiempo promedio real ser:

Calculamos el error relativo de precisin que hay entre el tiempo promedio registrado y el tiempo promedio real, donde al tiempo real se le considera medida exacta:

Datos obtenidos por los dems grupos de trabajo

TABLA 3. Resultados obtenidos por los grupos de trabajo para diferentes aditivos.

HIGHLOW

60062003003100

1gr XAMPLE D15.54.512.51449.5

1.5 gr POLYPAC350cc Dul.3092023.58.516

Formacion2581720714

2gr New Drill HP523312

2gr+25gr Bent.15491137

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONCLUSIONES

Obtuvimos los esfuerzos de corte y velocidades de corte para cada uno de los tres lodos preparados utilizando los datos obtenidos con el viscosmetro FANN y los respectivos convertidores. Se obtuvieron y se lograron diferenciar las respectivas propiedades reolgicas de cada lodo (Lodo 1, Lodo 2 y Lodo 3); como la viscosidad plstica, la viscosidad aparente y el punto de cedencia. Se logr obtener una curva del comportamiento de cada fluido de perforacin como podemos observar en el Grfico 1, Grfico 2 y Grfico 3; es decir, nuestro fluido de perforacin (Lodo 1, Lodo 2 y Lodo 3) se comporta ms como un fluido no newtoniano y lo aproximaremos con el modelo de Bingham como indica la lnea roja en cada grfica. Se observ que el aditivo Polypac genera grandes tasas y controla la viscosidad al aumentar su masa en la elaboracin del lodo como podemos observar en la Tabla 3 registradas con el viscosmetro FANN. Veamos el orden de viscosidad de menor a mayor de los lodos respectivos: Lodo2

viscosidad

Documents