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August 28, 2018 | Author: Ximena Tumili | Category: Surfactant, Viscosity, Liquids, Emulsion, Fluid
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UNIVERSIDAD VERACRUZANA Facultad de Ciencias Químicas Poza Rica- Tuxpan

“CARACTERIZACION DE UN FLUIDO POLIMERICO PARA “CARACTERIZACION FRACTURAMIENTO HIDRAULICO”

TESIS PARA APROBAR PARA APROBAR EL EXAMEN DEMOSTRATIVO DE LA EXPERIENCIA RECEPCIONAL DEL PROGRAMA DE LA CARRERA DE INGENIERIA QUIMICA

PRESENTA:  ALONDRA HERNANDEZ AMADOR HERNANDEZ  AMADOR

 ASESOR DE TESIS: DR. R. OSVALDO GONZALEZ PARDES

COASESOR: MTRO.L. ELIAS CARDENAS PEREZ

Poza Rica, Ver.

JUNIO 2011

Quiero expresar mi agradecimiento

A mi Directora de Tesis, Asesor de Tesis: DR. R. Osvaldo González Paredes por su generosidad al brindarme la oportunidad de recurrir a su capacidad y experiencia científica en un marco de confianza, afecto y amistad, fundamentales para la concreción de este trabajo. Al M.C. L. Elías Cárdenas Pérez , por sus valiosas sugerencias y al DR. Israel Hernández Romero acertados aportes durante el desarrollo de este trabajo Al M.C Rene Alejandro Hernández Méndez por su permanente disposición y desinteresada ayuda, y por su aportación generosa, científica y valiosas críticas al discutir los resultados de este trabajo. A mis padres y hermanos por brindarme un hogar cálido y enseñarme que la perseverancia y el esfuerzo son el camino para lograr objetivos.

A mi novio por su cariño, comprensión y constante estímulo. A la Fac. De Ciencias Químicas. Al Instituto Mexicano del Petróleo por colaborar brindado las instalaciones y el equipo necesario para realizar la parte experimental.

Quiero expresar mi agradecimiento

A mi Directora de Tesis, Asesor de Tesis: DR. R. Osvaldo González Paredes por su generosidad al brindarme la oportunidad de recurrir a su capacidad y experiencia científica en un marco de confianza, afecto y amistad, fundamentales para la concreción de este trabajo. Al M.C. L. Elías Cárdenas Pérez , por sus valiosas sugerencias y al DR. Israel Hernández Romero acertados aportes durante el desarrollo de este trabajo Al M.C Rene Alejandro Hernández Méndez por su permanente disposición y desinteresada ayuda, y por su aportación generosa, científica y valiosas críticas al discutir los resultados de este trabajo. A mis padres y hermanos por brindarme un hogar cálido y enseñarme que la perseverancia y el esfuerzo son el camino para lograr objetivos.

A mi novio por su cariño, comprensión y constante estímulo. A la Fac. De Ciencias Químicas. Al Instituto Mexicano del Petróleo por colaborar brindado las instalaciones y el equipo necesario para realizar la parte experimental.

INDICE PAG. Introducción ……………………………………………… …………………………………………………………………………………………... …………………………………………...

3

Justificación…………………………………………………………………………………………….

5

Objetivos………………………………………………………………………………………………..

6

Hipótesis………………………………………………………………………………………………...

7

CAPITULO I 1.1.1 Resumen …………………………………………… …………………………………………………………………………………………. …………………………………………….

8

1.1.2 Generalidades ………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………

10

1.1.2.1 Fluidos fracturantes …………………………………………… …………………………………………………………………………... ……………………………...

11

1.1.2.2 Propiedades de los fluidos ……………………………………………………… …………………………………………………………………..... ………….....

12

1.1.2.3 Geles fracturantes ……………………………………………… …………………………………………………………………………….. ……………………………..

12

1.1.3 Fluidos base agua ………………………………………………… ……………………………………………………………………………...... …………………………......

14

1.1.4 Fluido lineal ………………………………………… ……………………………………………………………………………………... …………………………………………...

15

1.1.4.1 Agentes activadores ……………………………………………………… …………………………………………………………………………... …………………...

16

1.1.4.2 Rompedores ………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………

16

1.1.5 Aditivos para perdida de fluidos de fractura …………………………………………… …………………………………………………. …….

17

1.1.5.1 Agente sostén ………………………………………………… ………………………………………………………………………………….. ………………………………..

20

1.1.5.2 Comportamiento del fluido fracturante ……………………………………………… …………………………………………………….. ……..

22

1.1.6 Procedimiento de preparación de equipo …………………………………………… …………………………………………………….. ………..

25

1.1.6.1 Viscosímetros ……………………………………… …………………………………………………………………………………. ………………………………………….

26

CAPITULO II 2.1 Metodología experimental …………………………………………… ………………………………………………………………………... …………………………...

38

2.1.1 Procedimiento de laboratorio de acuerdo a las normas API …………………………………

38

2.1.1.3 Materiales ………………………………………… ……………………………………………………………………………………... …………………………………………...

40

2.1.1.3.1 Preparación de la muestra del fluido ………………………………………………………

41

2.1.1.4 Técnicas y métodos experimentales ………………………………………………………….

42

2.1.1.4.1 Flujo laminar estable y métodos de caracterización reologica ………………………….

43

2.1.1.5 Equipos utilizados en la caracterización …………………………………………………….

44

CAPITULO III 3.1.1 RESULTADOS Y DISCUSIONES …………………………………………………………….

45

3.1.1.2 Comportamiento de la viscosidad ……………………………………………………………

45

3.1.1.3 Efecto de la velocidad de corte ……………………………………………………………….

45

3.1.1.4 Efecto de la temperatura ……………………………………………………………………..

46

3.1.1.5 Efecto de la concentración ……………………………………………………………………

47

3.1.1.6 Efecto de la presión ……………………………………………………………………………

48

3.1.1.7 Comportamiento reologico del gel reticulado ……………………………………………….

50

3.1.1.8 Efecto de la presión sobre el gel gelificado …………………………………………………..

51

CONCLUSIONES …………………………………………………………………………………….

55

BIBLIOGRAFIA ……………………………………………………………………………………...

57

CARACTERIZACION DE UN FLUIDO POLIMERICO PARA TRATAMIENTOS DE FRACTURAMIENTO HIDRAULICO

CARACTERIZACION DE UN FLUIDO POLIMERICO PARA TRATAMIENTOS DE FRACTURAMIENTO HIDRAULICO

INTRODUCCION

INTRODUCCION

En la última década el fracturamiento hidráulico se ha convertido en uno de los tratamientos más importantes en la terminación de pozos. Los beneficios potenciales del fracturamiento han despertado el interés de los operadores de petróleo y gas durante más de 50 años, ya que las operaciones del fracturamiento hidráulico evitan el daño en la zona vecinal del pozo y restablecen la buena conectividad con el yacimiento En este documento se muestran diferentes características mediante una comparación del comportamiento reologico de los diferentes f luidos, comúnmente utilizados por las compañías que actualmente se encuentran realizando procesos de estimulación en la zona norte de Veracruz. Esta investigación se estructura de la siguiente manera: Se inicia con una introducción para dar a conocer la problemática y las características principales de los fluidos, su justificación, el objetivo y la hipótesis en que se basa este trabajo. En el capítulo I Se incluye una recopilación de las propiedades deseadas en un fluido fracturante. A este lo prosigue una recopilación acerca de los numerosos fluidos disponibles, incluyendo fluidos base agua, base aceite, base alcohol, emulsiones, y fluidos base espuma. También se detalla el uso de aditivos en sistemas de fluidos fracturantes. En el capitulo II se expondrá la metodología experimental utilizada en este trabajo, con lo cual se pretende evidenciar ciertas características de los fluidos fracturantes. Por otra parte, debido a que no se encontró información acerca del efecto de la presión en las pruebas simuladas bajo condiciones de yacimiento.

Se decidió

practicar una metodología, para observar el efecto de la presión en el comportamiento reologico de los fluidos fracturantes base agua. En el capítulo III se muestran los resultados obtenidos así como las discusiones respectivas. Y finalmente en esta última se dan a conocer las conclusiones obtenidas,

INTRODUCCION

las recomendaciones y la bibliografía que fue consultada para el desarrollo de este trabajo, también se incluye los anexos.

JUSTIFICACION

Justificación La importancia del comportamiento de los fluidos fracturantes para el diseño de la fractura-tratamiento, las relaciones de esfuerzo cortante como las funciones de flujo se usa para predecir las caídas de presión en tuberías y fracturas. Las consideraciones de presión son importantes para estimar los costos de bombeo, límite de presiones de tubería y geometría de la fractura. La reología del fluido también influye en el transporte del apuntalante y pérdida del fluido en la roca matriz. El comportamiento de flujo (responde a pruebas oscilatorias) recientemente ha sido usado para definir la naturaleza viscoelástica de los fluidos fracturantes. Esto puede indicar la estructura crosslinkeada y el comportamiento momentáneo esperado de los fluidos fracturantes. En el diseño del tratamiento-fractura, el comportamiento de flujo es normalmente especificado con relaciones de esfuerzo cortante conveniente determinado bajo condiciones de flujo laminar ó flujo turbulento. Dentro de las principales propiedades observadas, la viscosidad y consistencia de estos materiales son las que le dan mayor valor a los fluidos por lo que se hace necesario aparte del estudio comparativo tener un banco de datos de las propiedades reologicas. . También es necesario contar con un control de calidad, que garantice el buen funcionamiento del fluido fracturante, lo que trae como consecuencia una mejora en los costos de la producción. Lo anterior, se obtiene al no ser utilizadas concentraciones por arriba de lo necesario, asegurar trabajos por medio de la propagación de fractura y el transporte de apuntalante; y uno de los factores mas importantes, minimizar el daño realizado a la formación dando como resultado una mejor producción. Todo este conjunto de variables, pueden ser utilizadas de manera positiva ya que contando con la información pertinente, se puede hacer uso de esta en la toma de decisiones, en función de la optimización del tratamiento de fracturamiento hidráulico. En resumen, el objetivo de este trabajo es describir las características reológicas de los fluidos poliméricos para tratamientos de fracturamiento hidráulico, basándose en la ley de potencia para predecir el comportamiento del fluido fracturante, bajo diferentes condiciones de operación.

OBJETIVOS

OBJETIVOS Objetivo general 

Describir las características reologicas de los fluidos poliméricos para tratamientos de fracturamiento hidráulico, basándose en la ley de potencia para predecir el comportamiento del fluido fracturante, bajo diferentes condiciones de operación.

Objetivos específicos 

Diseñar nuevas concentraciones para optimizar el proceso de desarrollo de un aditivo o el polímero del sistema, facilitando el tipo de rendimiento de producto a un bajo costo.



Obtener datos representativos de rendimientos en áreas críticas tales como la reología,

conductividad de la fractura y la formación de

yacimiento que pueden ser utilizados en el diseño de fracturas y por  simuladores. 

Demostrar

los beneficios de los fluidos poliméricos dentro del

tratamiento para fracturamiento hidráulico y así mismo dar a conocer las propiedades requeridas de un fluido fracturante, además a seleccionar el fluido fracturante adecuado para cada tratamiento.

HIPOTESIS

Hipótesis Es posible hacer una comparación reologica del sistema utilizado en tratamientos de fracturamiento hidráulico y seleccionar el más adecuado en base a sus características.

Alcance y Limitaciones Se han escogido diferentes cargas de fluido polimérico HPG de una de las compañías establecidas en la zona norte del estado de Veracruz para la caracterización reológica. Con lo que se espera generar gráficos de comportamiento con las variables  `(  ,  ,  , t ) . Los cálculos serán obtenidos con la ya conocida “Ley de potencia” y sus desviaciones. Se empleara estadística de grupos para la selección de cada uno de los parámetros y estadística de comportamiento para el ajuste de las curvas.

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

CAPITULO I

1.1.1 Resumen. Este capítulo trata de los fluidos fracturantes y aditivos necesarios para lograr ciertas propiedades. Este capítulo comienza con la caracterización de la fractura de fluidos, seguida de la traducción de laboratorio obteniendo información de las condiciones del campo. Se debatirá la tecnología referente al comportamiento

de fluidos fracturantes

presentado de acuerdo al tipo de fluido fracturante y régimen de flujo. La argumentación se enfoca en técnicas experimentales usadas en la caracterización del comportamiento del fluido fracturante, incluyendo métodos de prueba de corte estacionario, dinámico y flujo turbulento y datos de laboratorio para varios aspectos de diseño de fractura. Se analizara la predicción de la caída de presión, cédula del gel, y el diseño de fluidos fracturantes líquidos y espumosos fluyendo abajo de la tubería de revestimiento. Las últimas tres secciones presentan las tendencias observadas en flujo laminar y turbulento para soluciones fracturantes, geles, y espumas con o sin apuntalante. Se examina también los efectos de deformación de flujo, por el medio ambiente y químicos.

El fracturamiento hidráulico utiliza fluidos especiales que son principalmente para

destinados

crear una fractura mientras que el fluido transporta el

apuntalante a la geometría, clave para todo el tratamiento es la reología de fluidos, que afecta a la viscosidad de fluidos, su apuntalante y su capacidad de transporte propensa a la fuga hacia el medio poroso. ( Pierce, et al., 1975, Lacy, 1984 ).

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

Existe un vínculo claro entre la química de los fluidos de fractura, la mayoría de los cuales son soluciones de polímeros con sus propiedades aumentadas por varios aditivos, y las propiedades físicas deseadas de estos fluidos. La Reología, su modelado y control ocupan un lugar central en el capítulo. Esto incluye no sólo fluidos tradicionales a base de agua, soluciones de polímeros, sino también fluidos complejos, tales como espumas. (Howard and fast., et al 1970 and coffer., 1964) Se incluye una discusión de las propiedades deseadas en un fluido fracturante ideal.  A este sigue un tema acerca de los numerosos fluidos disponibles, incluyendo fluidos base agua, base aceite, base alcohol, emulsiones, y fluidos base espuma. También se detalla el uso de aditivos en sistemas de f luidos En la actualidad existen otros geles lineales utilizados hoy en día como fluidos fracturantes el hidroxipropil guar (HPG), hidroxietilcelulosa (HEC) carboxilmetil HPG (CMHPG), y la goma xantana, y en algunos casos raros, los poliacridamidas.

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

1.1.2 Generalidades 1.1.2.1 FLUIDOS FRACTURANTES

1.1.2.2 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS FRACTURANTES

Los

fluidos

de

fractura

son

componentes

críticos

del

tratamiento

de

fracturamiento hidráulico. Sus principales funciones son abrir y transportar el agente apuntalante a lo largo de la longitud de la fractura. En consecuencia,

las propiedades de viscosidad del fluido se consideran

normalmente las más importantes. Sin embargo, el éxito del tratamiento de fracturamiento hidráulico debe exigir que los fluidos tengan otras propiedades especiales. Además de exhibir la buena viscosidad en la fractura, que debe romper y limpiar rápidamente una vez que el tratamiento este concluido, es más proporcionando un control para perdidas de fluidos, exhibiendo bajas presiones de fricción en el bombeo y sea lo mas económico y practico . Debido a que los reservorios

deben estimularse, los términos de temperatura,

permeabilidad, composición de la roca y la presión de poro varían notablemente, muchos tipos diferentes de

fluidos se han desarrollado para proporcionar dichas

propiedades.

Los fluidos fracturantes son bombeados hacia las formaciones subterráneas para estimular la producción de gas y aceite. Para lograr una estimulación exitosa el fluido fracturante debe tener ciertas propiedades físicas y químicas: 

debe ser compatible con el material de la formación.



debe ser compatible con los fluidos de la formación.



debe ser capaz de suspender el apuntalante y transportarlo en lo profundo de la fractura.

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .



debe ser capaz, a través de su propia viscosidad, de desarrollar la fractura con el ancho necesario para aceptar el apuntalante o para permitir la penetración profunda del ácido.



debe ser un fluido eficiente (ejemplo, que tenga una perdida mínima de fluido).



debe ser fácil de remover de la formación.



debe tener baja presión de fricción.



la preparación de los fluidos debe ser simple y fácil para desarrollarse en el campo.



debe ser estable para que pueda mantener su viscosidad a lo largo del tratamiento.



el fluido fracturante deberá ser económicamente disponible (rentable).

Una característica a destacar de un fluido fracturante es su habilidad para transportar el apuntalante por las tuberías de perforación e introducirlo dentro de la fractura. Grandes viscosidades son necesarias para transportar el apuntalante y para desarrollar el ancho de la fractura. Es bien conocido que el ancho insuficiente de la fractura y que la viscosidad insuficiente podría no permitir el transporte rápido de los apuntalantes dentro de la fractura.

La eficiencia del fluido es normalmente lograda por la combinación de fluidos altamente viscosos con aditivos para perdidas de fluidos. Estos aditivos para perdidas de fluidos pueden contar de agentes plásticos, agentes expandidles, micro emulsiones, ó agentes emulsificados. Otra característica importante de un fluido fracturante es su habilidad para reverter  de una alta viscosidad a una baja durante la residencia en la formación. La reducción de la viscosidad es necesaria para que el tratamiento del fluido pueda removerse de la formación fácilmente.

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

La viscosidad del fluido de facturación es normalmente reducida por degradación termal en pozos con altas temperaturas o por la degradación controlada a través del uso de agentes fracturantes tales como enzimas, oxidantes o ácidos débiles. Los sistemas modernos de fluidos fracturantes han sido desarrollados para permitir  altas viscosidades pero tener reducidas propiedades de fricción. Muchos de estos fluidos pueden bombearse a bajas presiones con fluidos base de baja viscosidad, tales como agua o aceite, a través de la superficie de la turbulencia por sistemas polimétricos de cadena larga. Si el fluido no puede ser bombeado fácilmente no es aceptado como un fluido fracturante. Un fluido que rápidamente pierde su viscosidad a causa de la reducción termal o de la activación no es aplicable para el tratamiento de pozos con altas temperaturas. Un fluido fracturante podría ser capaz de mantener la viscosidad diseñada con perdidas mínimas de viscosidad contra el tiempo a una temperatura de fondo (BHT). En criterio de selección para un fluido de facturación es la relación costo-efectividad tratándose de la formación bajo estudio. Es bastante obvio, que un fluido que tiene todos estos atributos pero no tiene un rendimiento costo-efectividad de estimulación podría no ser un fluido ideal.

1.1.2.3

Geles Fracturantes (Fluidos croslinkeados o Reticulados).

El flujo de soluciones croslinkeados o geles es una proposición más contradictoria por definición, un gel es un material con una fase (externa) continua sólida y una fase líquida dispersa (interna). La causa de que los sólidos no fluyen, un fluido fracturante gelado no deberá ser un gel en el sentido estricto cuando es hecho fluir. Ya sea que un "gel" fracturante fluya como una solución croslinkeados o como un gel fracturante o degradado depende de su composición química, tanto como de sus registros de deformación y térmicas. En algunos casos, los geles fracturantes no pueden fluir en el sentido convencional del todo; mejor dicho pueden fluir por algún tipo de mecanismo deslizante o como un fluido no homogéneo. El comportamiento

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

de flujo verdadero de geles fracturante es actualmente incierto, aun para condiciones controladas en el laboratorio. Comportamientos de viscosidad, para soluciones fracturantes, la mayoría de las pruebas reologicas desarrolladas

comúnmente para geles fracturantes son las

reologias. Es una práctica común croslinkear soluciones de fluidos fracturantes para aumentar las capacidades de transporte de apuntalante y viscosidad. El polímero se degrada y el riesgo potencial de daño a la fractura de grandes cantidades de productos de polímeros insolubles es reducido. Las soluciones acuosas compuestas de guar, derivadas de guar, y derivados de celulosa son comúnmente reticulados con activadores metálicos u organometálicos. Los metales usados como activadores incluyen titanio, circonio, boratos, aluminio, cromo y antimonio. Los caracteres de enlazamiento de estos metales varían desde débilmente enlazados, como en las soluciones de boratos, hasta altamente enlazados, como en los sistemas reticulados con circonato. Los hidrocarburos (fluidos), como el diesel, kerosina, y aceite crudo pueden ser  "activados" con complejos de esteres ortofosfatos con sales de aluminio o ácidos grasos, o complejos con sosa cáustica. El complejo químico resultante puede ser  referido como una asociación de polímero. Situación

para las soluciones

fracturantes, los geles fracturantes no son fácilmente caracterizados por  viscosímetro convencionales. Una razón es que muchos de los fluidos reticulados son todavía reactivos durante el periodo de caracterización, el cual hace que se dificulte la reproducibilidad de los resultados de prueba, además, la presencia de fuerzas normales grandes pueden causar que el fluido se salga de las superficies de prueba del viscosímetro Vgr. Saliéndose del espacio anular entre los cilíndricos. Una fuente de consternación particular en los geles fracturantes que no obedecen las leyes de aumento progresivo convencidos para los flujos viscométricas como resultado de algún tipo de fenómeno de flujo, slip o algún defecto experimental desconocido. Cuando este es el caso, la aplicabilidad de los datos de laboratorio para uso en campo es aun más dudosa. Las viscosidades de los geles fracturantes (soluciones croslinkeados) son usualmente medidos con viscosímetro rotatorios de cilindros concéntricos o

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

viscosímetros tubulares. Los viscosímetros rotatorios de cilindros concéntricos tienen la ventaja de mantener bien definido los rangos de "corte" y los esfuerzos de corte del fluido de prueba más uniformente cuando el radio de los cilindros exterior e interior es de > 0.9 (pequeños espacios anulares). Las desventajas incluyen los efectos del cilindro, el mezclado del fluido de prueba con el reómetro de media presión Vgr. Nitrógeno o aceite y la posibilidad de migración del fluido desde o dentro de la región anular de prueba como un resultado de esfuerzos normales o fluidos secundarios. Por otra parte la mayoría de los viscosímetros cilíndricos concéntricos son diseñados para los fluidos mezclados por lote mientras que los geles fracturantes son usualmente hechos en operaciones de campo por adición continua de croslinkeados mientras el gel es bombeado al pozo.

1.1.3 Fluidos Base Agua Los fluidos fracturantes basados en agua son utilizados en la mayoría de tratamiento actual de fracturación hidráulica. Ventajas: 1. Los fluidos basados en agua son económicos. La base del fluido, agua, es mucho mas económica que el aceite, condensados, metanol o ácido. 2. Los fluidos basados en agua incrementan el rendimiento del cabezal hidrostático en comparación con los de aceite, gases y metanol. 3. Estos fluidos son incombustibles; por lo tanto no representan un riesgo de fuego. 4. Los fluidos basados en agua están disponibles con facilidad. 5. Este tipo de fluidos son fácilmente viscosificados y controlados. La disposición costo-efectiva, el cabezal hidrostático, y los peligros de fuego provee incentivos a las compañías de servicio para desarrollar aditivos, tales como, cloruro de potasio, estabilizadores de arcilla, surfactantes y desemulsificantes que hacen a los fluidos basados en agua, mas versátiles . ( Ely, 1994).

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

 Aunque muchos perfeccionamientos han sido hechos de fluidos basados en aceite, el desarrollo técnico más reciente, ocurrió con la tecnología de los fluidos basados en agua, parcialmente por el reconocimiento de que los fluidos basados en agua se escogen para fracturas en la mayoría de las reservas.

Muchos polímeros solubles en agua puede usarse para hacer viscosificado en una solución capaz de suspender el propante a temperatura ambiente . Sin embargo, a medida que la temperatura aumenta la solución se adelgaza significativamente.

1.1.4. Fluido lineal Un fluido es viscosificado por la adición de polímeros sin el uso de aditivos reticulantes es llamado fluido lineal. Un fluido lineal será no- Newtoniano y también será un fluido pseudoplástico. Los Polímeros típicos utilizados en los fluidos fracturantes base agua son el guar, derivados del guar (HPG, CMHPG), derivados de celulosa (HEC; CMHEC). Los fluidos activados base agua son comúnmente usados para el tratamiento de fractura de yacimientos de aceite o gas. Las propiedades de estos fluidos pueden ser controladas para proveer muchas de las características deseadas en un fluido fracturante. Por ejemplo, los fluidos fracturantes proporcionan altas viscosidades a bajas velocidades de corte en una fractura, pero relativamente tienen presiones de fricción bajas relacionadas con altas velocidades de corte en el pozo durante el bombeo. La alta viscosidad de los geles activados pueden reducirse (degradarse) hasta viscosidades muy bajas al final del tratamiento de fractura para permitir que el fluido regrese y limpie la fractura. Típicamente, la base polimérica para preparar los geles activados son las siguientes: a.- Goma guar  b.- Hydroxypropyl guar (HPG) c.- Carboxymethylhydroxypropyl guar (CMHPG) d.- Carboxymethylhydroxyethyl celulosa (CMHEC)

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

1.1.4.1 Los agentes activadores comúnmente usados para estas bases poliméricas incluyen lo siguiente:  A: Compuestos boratos B: Compuestos zirconatos C: Compuestos de titaneo

1.1.4.2 La degradación del fluido se consigue utilizando lo siguiente, dependiendo de las condiciones del sistema activado y de la formación:  A: Enzimas B: Agentes oxidantes C: Ácidos La necesidad de espesar agua para ayudar al transporte los apuntalantes, decrece la pérdida de fluido, e incrementa el ancho de la fractura, siendo aparentemente para investigadores lo más rápido. La primera viscosificacion de agua fue con almidón. El almidón ha sido usado para espesar y para decrecer la perdida de fluido en perforación de lodos.

Este particular fluido tuvo una vida corta, ya que rompe con facilidad, por la falta de estabilidad en la temperatura y por la activación bacterial. En los principios de los 60´s la goma Guar fue encontrada para tenerla lista como un reemplazo. El polímero Guar se extrae de un grano y cuando se adhiere, o es añadido al agua espesa o el fluido viscosificado. Guar es un polímero que se da de manera natural y que experimenta hidratación al contacto con el agua. El polímero se desenrolla cuando las moléculas de agua atacan a las propias cadenas poliméricas. Esto crea un fluido viscoso por la interacción de enrollamiento, uno a otro en los sistemas basados en agua.

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

1.1.5 Aditivos para fluidos de fractura. Estos aditivos son muy importantes en muchos casos. No obstante, se necesita verificar la relación de compatibilidad de varios aditivos. Las pruebas de pre tratamiento de las compañías de servicios podrían anular potencialmente los problemas de compatibilidad.

Bactericidas. Prácticamente los fluidos fracturantes que no son base agua podrían ser bombeados dentro de la formación sin algún tipo de bactericida presente. Los bactericidas son usados para degradar la superficie de los polímeros en los tanques. Su propósito muy importante es que los bactericidas diseñados detendrán el crecimiento de bacterias anaerobias en la formación.

Rompedores. Un rompedor es un aditivo que posibilita a un fluido fracturante viscoso para ser  degradado controladamente por u fluido ligero que puede ser retirado fuera de la fractura. Todos lo rompedores utilizados hoy son rompedores internos, ellos son incorporados a los fluidos fracturantes en la superficie. Los sistemas rompedores frecuentemente utilizados incluyen encimas

y sistemas rompedores oxidantes

catalizados para aplicaciones a baja temperatura 70 a130º F (21 a 54ºC). Los sistemas rompedores oxidantes convencionales son utilizados para un rango de temperatura130 a 200ºF (93ºC) y sistemas retardados de oxidantes activos son aplicables para temperaturas de 180 a 240ºF. Los sistemas oxidantes rompedores funcionan para pH de 3 hasta 14. Los sistemas oxidantes también trabajan para romper la estructura molecular del polímero. Sistemas de geles base aceite, los rompedores orgánicos son los bicarbonatos, cal y/o soluciones acuosas de aminas. Ácidos débiles han sido utilizados con éxito limitados para degradar el sistema. El gel rompedor base aceite trabaja por adición

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

de un ácido o base que se disuelve en el fluido tal que la reacción es forzada una dirección o la otra rompiendo el gel del sistema. (Pakulski and Gupta, 1994) 

Buffer. Los agentes buffer frecuentemente son usados en fluidos fracturantes para el control de pH para activadores específicos y para tiempos de activación. Ellos también aceleran o baja poco a poco la hidratación de ciertos polímeros, los productos típicos son el bicarbonato de sodio y combinaciones de estos químicos. Otra de las funciones importantes del buffer es asegurar el fluido fracturante este dentro de los rangos de operación de los rompedores o agentes degradantes . (Cawiezel, 1986) 

Surfactante y Desemulsificantes. Un surfactante (agente activo en la superficie) puede ser definido como una molécula que busca fuera de una interface y tiene la habilidad para alterar las condiciones prevalentes. Un surfactante esta por lo menos siempre compuesto por  dos partes: una cadena larga de hidrocarburos que es virtualmente insoluble en agua pero soluble en aceite y fuertemente soluble al final en agua. Por que hay solubilidad parcial en aceite y agua, un surfactante tendrá que acumularse en la interfase de estos fluidos . (Penny et, al 2005)  Una emulsión consiste de dos fluidos inmiscibles, en la cual una fase existe como gota fina dispersada a través de la otra fase. Las emulsiones en el campo petrolero se encuentran en el aceite en agua. La viscosidad de una emulsión puede variar de varios a cientos de cp. Si una emulsión es formada cerca del agujero del pozo, un bloqueo severo de la producción puede ocurrir. (Gupta, 1997)  Debido ala naturaleza de su superficie activa, los surfactantes pueden actuar como desmulsificantes o emulsificantes. ( Mitchell, 1969) .

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

Estabilizador de arcillas. Los estudios de laboratorios y resultados de campo han indicado que las arcillas y partículas finas presentes en las formaciones de producción pueden reducir el éxito de a estimulación. (Mc laughlin,1967) 

Aditivo para perdida de fluido. Este aditivo derivado del petróleo denominado adomite mark, da un control excelente en la perdida de fluido utilizados con fluido base aceite sin viscosificantes. La mayoría de los aditivos de perdida de fluido consiste de granos finos de silica flúor. Un producto relacionado usa arcilla no inflamable, silica flúor, goma guar, otra usa una resina soluble en aceite y goma inflamable. Estos productos tienden a taponear la superficie de la fractura con muy poca penetración dentro de la matriz de la formación. Los fluidos que tienen el mejor control de la perdida de fluido son los que mas se aproximan ala goma guar, los cuales tuvieron altos residuos combinados con silica flúor. También fue utilizada exitosamente una combinación de talco y gomas inflamable con guar. Estas mezclas proporcionaran una excelente eficiencia del fluido casi independiente de la permeabilidad. Fluidos limpios como HEC o CMHEC, no pueden ser tratados adecuadamente para dar un control excelente en la perdida del fluido en formaciones con alta permeabilidad. El uso de muchos fluidos limpios (el HPG o derivados de la celulosa) a menudo ocasiona adiciones de grandes concentraciones de aditivos de perdidas de fluido para llevar acabo un control uniforme moderado de la perdida de fluido. Debido a que el control de la perdida de fluido es un requisito para una fractura efectiva, el uso de tales fluidos limpiadores surge para ser en cierto modo deshecho por si mismo.

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

1.1.5.1 Agente de sostén La presión aplicada al fluido mantiene abierta la fractura durante la inyección. El fluido es, usualmente mezclado con el apuntalante, el cual mantiene abierta la fractura una vez que la presión ha declinado después del tratamiento. La efectividad del tratamiento depende de varios factores: 1) La longitud apuntalada de la fractura. 2) La conductividad de la fractura apuntalada. 3) La altura de la fractura apuntalada, especialmente de la posición relativa del apuntalante en la formación productora. Estos factores dependen de la cantidad, las características del fluido, del apuntalante y de la manera en que éstos son inyectados. Para comprender el transporte del apuntalante dentro de la fractura, es necesario examinar primero la secuencia de los sucesos o eventos de un fracturamiento hidráulico: 1.-El primer fluido que se inyecta es llamado “pre colchón” (mini frac). Este fluido no contiene apuntalante y es de baja viscosidad y es utilizado para analizar las condiciones de yacimiento asi como para enfriar la formación. (Novotny, 1977). 2.-El siguiente fluido inyectado es llamado “colchón”. Este fluido tiene más viscosidad que el “pre colchón” y en algunos casos este es bombeado en forma activada, para que nos ayude a sostentar las diferentes etapas de apuntalante y que el fluido no se degrade antes del termini de bombeo, pero también no contiene apuntalante. 3.-El apuntalante se mezcla en la siguiente etapa formando un slurry. La concentración del apuntalante en el slurry esta dada usualmente en ppg, pounds per  gallon (libras por galón) o kg/m 3. Usualmente la mezcla comienza con menores a más altas concentraciones de apuntalante.  A principios del bombeo el pre colchón esta al frente de la fractura, detrás de él viene el colchón, seguido por el slurry, el cual se extiende hasta el pozo. Debido a que el fluido fracturante es bombeado a una alta presión, mayor que la de la formación y además de que ésta es permeable, ocurre pérdida del fluido fracturante hacia la formación. La más alta pérdida ocurre en el frente de la fractura, el cuál está formado por el precolchón que tiene baja viscosidad. Como resultado de

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

esta pérdida de fluido, los volúmenes del precolchón y el colchón dentro de la fractura decrecen con el tiempo. Esto da como consecuencia que el fluido del colchón y del slurry esté más cercano al frente de la fractura a medida que el tratamiento avanza, lo cual incrementa su pérdida. (Schols and visser, 1974). El slurry inyectado también sufre pérdidas, y debido a que sólo parte del fluido puede penetrar en la formación, la concentración del apuntalante en la fractura se incrementa gradualmente. A medida que el tratamiento avanza y las primeras etapas de apuntalante están más cerca al borde de la fractura, se incrementa la pérdida de fluido y consecuentemente se incrementa gradualmente la concentración del apuntalante en el slurry. Cómo el slurry se mueve dentro de la fractura, el apuntalante se precipita gradualmente al fondo de la fractura como resultado de la gravedad. Cómo veremos más tarde, el asentamiento del apuntalante depende de muchos factores, incluyendo la viscosidad del fluido, la densidad y tamaño del apuntalante. En fluidos de baja viscosidad,

el

asentamiento

del

apuntalante

es

relativamente

alto;

consecuentemente, el apuntalante se deposita en una cama en el fondo de la fractura. En estos instantes, la concentración de apuntalante suspendido no se eleva significativamente. En fluidos de alta viscosidad, el asentamiento de apuntalante es muy bajo. Por lo tanto, en tratamientos largos, el apuntalante puede viajar a distancias considerables dentro de la fractura. (Aboud and melo, 2007). . El objetivo de la colocación del agente de sostén, en el interior de la fractura, es mantener la conductividad deseada de la misma, dentro de los límites económicos pertinentes. ( Novotny, 1977). La conductividad de la fractura depende de una serie de factores, relacionados entre sí, como son: tipo, tamaño y uniformidad del agente de sostén, grado de empaque del mismo, grado de trituración y/o deformación, cantidad y manera de colocación . (Aboud and melo, 2007) 

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

Debido a la interdependencia existente entre todos los elementos que gobiernan el diseño de fracturas, debe tenerse cuidado especial con cada uno de ellos, especialmente cuando se trata del agente de sostén, debido a que el mismo es el responsable de lograr la conductividad final de la fractura. La correcta selección y colocación del agente de sostén gobernará el incremento de la productividad del pozo, después del trabajo de fracturamiento. Para predecir el comportamiento del agente de sostén, bajo condiciones específicas del pozo en cuestión, se deben medir y comparar las propiedades físicas de varios tipos del mismo, antes de hacer la decisión. Las propiedades a considerar son las siguientes: 

Redondez y esfericidad 

Tamaño y uniformidad de tamaño 

Permeabilidad 

Gravedad específica 

Densidad total 

Solubilidad en ácido 

Partículas finas 

Resistencia a la trituración La conductividad de una fractura rellena con agente de sostén, influye en la efectividad del trabajo de fracturamiento realizado. La conductividad va a depender  del tamaño y resistencia del agente sostén y de la distribución del mismo en la fractura. ( Schols and visser, 1974; and Blot and medlin, 1985).

1.1.5.2 Comportamiento Del Fluido Fracturante. La selección de un fluido para tratamiento de fracturamiento hidráulico esta basado en una variedad de criterios se desempeñan y que impactan en el diseño, la ejecución y el costo del tratamiento, así como la eventual productividad del pozo, las

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

propiedades reologicas del fluido fracturante juegan una parte crucial por que ellos influyen directamente en la formación. Las relaciones de flujo básico: Las caracterizaciones de viscosidad tiene una simple participación desde las mediciones de la tensión que resulta de la aplicación de un la velocidad de corte conocido en el flujo, la velocidad de Corte en el flujo laminar puede ser dada un proceso en el fluido es infinitamente delgado, puede deslizarse por planos paralelos entre sí. La (γ) velocidad de corte se define como la diferencia de velocidad de entre los planos divididos por la distancia entre los lo planos La taza habitual de corte se refleja en experimentos viscométricos es el valor en la pared del instrumento y se conoce como la viscosidad newtoniana aparente o nominal la velocidad de corte. La tensión de cortante τ es la fuerza de rotura por unidad de área de la superficie en la mayoría de las mediciones, el corte el estrés está determinado midiendo ambos esfuerzos ejercidos sobre una medida Bob o por la caída de presión a través de un tubo. La viscosidad aparente μa es la razón de esfuerzo de corte de la tensión a la velocidad de deformación: El comportamiento de Newton implica que los fluidos tienen una constante de viscosidad a todos los tipos de corte de agua, de baja viscosidad como los aceites y el gas son ejemplos de líquidos que presentan este comportamiento. Los fluidos de fractura han sido predominantes en el comportamiento de la viscosidad de Newton. Esto significa que la viscosidad aparente de los líquido depende de esfuerzo de corte que el líquido está experimentando en un punto específico. La ecuación(1.1) determina la viscosidad aparente de una fractura simple de fluido sobre un esfuerzo de corte.

Fluido newtoniano:        :   es constante

(1.1)

Un fluido de fracturación tendrá muy diferentes los valores de μa, dependiendo del esfuerzo de corte que se ejerce sobre el fluido. El comportamiento no newtoniano de

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

la mayoría de fluidos de fracturamiento juega un papel importante en la presión de friccion desarrollada en la tuberia y en el tratamiento y también en la capacidad del fluido para transportar el propante (apuntalante). La caracterización reológica de un fluido no-newtoniano requiere de la respuesta del fluido a los cambios de la velocidad de corte y debe ser determinado y relacionada con un modelo para que la viscosidad aparente se puede calcular en las distintas condiciones de corte en la fractura. Modelo de ley de la potencia: El modelo de ley de potencia es el modelo más ampliamente utilizado para representar el comportamiento de fluidos de fractura en los diseños de simuladores de fracturas.







Fluido de ley de potencia:    K  y n ; K  y n son constantes

(1.2)

En donde K es el índice de consistencia en lbf-sn/ft2 o kPa · sn y n es el índice de comportamiento de flujo (adimensional). Ecuación (1.2) Estas relaciones son válidas para la mayoría de los fluidos de fractura de la gama de velocidades de deformación en la que la muestra de líquido comportamiento no newtoniano. Un Log-Log de τ vs. γ suele producir una línea recta sobre una porción de la gama de corte. La pendiente de la porción de línea recta es igual al índice n de comportamiento, y el valor de τ en γ = 1,0 s-1 es igual al índice de consistencia K.  A Log-Log de μa frente γ tiene una pendiente de línea recta de n cuando el modelo de ley de potencia es aplicable por La ecuación. La pendiente es cero para comportamiento newtoniano.

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La capturacion de datos reologícos de fluidos se determinan bajo condiciones de flujo laminar en una rotación viscosímetro de cilindros concéntricos y de informó en función de la potencia n parámetros de la ley y el K. Sin embargo, K depende de la geometría de flujo para la los dispositivos cilindros concéntricos y se conoce como el índice de la constante viscosimetrica Kv. Para que la ley de energía de fluido, dependa de la velocidad de corte en el valor  de n, además del gasto de flujo y de la dimensión del conducto, el resultado de la determinación de la tasa de corte se ajusta a la determinación de n a partir de los datos de flujo. Sabinares (1958) superó el problema de acoplamiento al asumir que la tasa de corte fue el mismo un fluido no Newtoniano. Esta hipótesis permite determinar el valor de n  y un dispositivo de valor independiente de K para cada flujo. El correspondiente dispositivo de valores independientes depende de la relación de esfuerzo de corte y de las tazas aparentes de Newton, elevado a la enésima potencia. Relaciones Savin para los tres dispositivos de flujo. ( Gidley et al. (1989), Ofrecen un resumen completo desde estas consideraciones de flujo

1.1.6 Procedimiento de preparación de equipo

1.1.6.1 VISCOSIMETROS El viscosímetro marsh fue de uso general en la industria era un embudo del pantano, en forma cónico con un pequeño tubo de enlaje en el extremo inferior a través del cual el fluido (originalmente lodo de perforación) fluye bajo gravedad. Una pantalla sobre la tapa remueve las partículas grandes que pueden obstruir el tubo. En la prueba estandarizada por el API para la base de evaluación del agua y los lodos bajos en aceite, la medida de viscosidad del embudo es el tiempo (en segundos) requerido para un cuarto de galón de crudo para salir a raudales del embudo del marsh en un rango del lodo. La viscosidad del embudo se interpreta en segundos (para un cuarto de galón). Empapar las salidas del embudo cerca de 26 segundos. Esta técnica fue una de las primeras medidas para determinar la viscosidad del lodo en campo. Sencilla, rápida y eficiente, todavía sirve como

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indicador útil del cambio en lodos comparando lodo interno y lodo externo mostrando la viscosidad. Sin medios de la calefacción y guardando los líquidos de la evaporación, él se utiliza principalmente como herramienta del control de calidad para los geles bajos. El instrumento de la generación siguiente superó esto teniendo cámara de calefacción con aceite y presurizó el compartimiento de la prueba para guardar soluciones de la evaporación Gdanski, detallo el uso de este instrumento para medir la reología del titanato reticulado en los líquidos del HPG. Aunque la reología limitada se puede espigar de medidas de este instrumento en una gama limitada de tarifas del esquileo, no puede evaluar el efecto de la historia del corte de los líquidos y el efecto del apuntalante sobre la viscosidad. Craigie (1983) utilizó un simulador de la historia de corte para pre acondicionar el líquido antes de la prueba con el instrumento del FANN 50. El viscosímetro capilar consiste en una bomba fluida, una serie de tubos y una bomba aditiva para inyectar el activador. La longitud de la tubería y la taza de flujo se puede ajustar para simular historiales de esfuerzo cortante en las tuberias durante el tratamiento de fractura. Mientras que el líquido sale del simulador tubular, fluye en un viscosímetro del cilindro-concéntrico, donde se simulan las condiciones seleccionadas de la historial de corte y de temperatura de yasimiento. En esta pieza del aparato, los índices de tiempo de la degradación de los líquidos que fracturan reticulados son resueltos. El viscosímetro de intercambio capilar, donde el líquido se intercambia en un tubo capilar mide la gota de presión y la viscosidad se calcula de la gota de presión. Kraynik (1984) desarrolló un reómetro de tornillo- helicoidal (hsr). Shackleford et al(1988) y (1989) describieron el uso del hsr para los líquidos de evaluación del estímulo. Este hsr es un solo estruder del tornillo integrado por un tornillo medidor del solo vuelo con una hélice constante y una profundidad pequeña, uniforme del canal. Este tornillo gira a una velocidad constante con la separación mínima dentro de un cilindro externo. Las medidas de la gota de presión a través del barril se hacen con una válvula de escape cerrada. La reología fluida es resuelta de la tarifa de la presión diferenciada y de la rotación. El hsr puede medir los líquidos que contienen la micro partícula porque la circulación fluida en el hsr proporciona una muestra homogénea, que es una ventaja sobre viscómetros rotatorios y de las

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

pipas convencionales. Aunque la tensión de esquileo y la tarifa directas del esquileo no puedan ser medidas, un acercamiento semi-empirical extrajo parámetros de la ley de energía de los datos rotatorios de la velocidad de la gota de presión de kruif  describió otro tipo de hsv. Este hsv tiene un impeledor del tornillo helicoidal el girar  en un tubo de bosquejo de cristal cilíndrico montado coaxial en un recipiente cilíndrico. En este aparato, el tornillo circula aproximadamente 1300 ml de líquido de la prueba alrededor del tubo de bosquejo. El hsv mide rangos de esfuerzos de torsión de la rotación. El tornillo y el tubo de bosquejo fueron modelados como sistema de dos cilindros coaxiales para permitir cálculos de la energía-ley. Este hsv fue hecho para medir con eficacia las características reologicas de fluidos que fracturaban con cargas de apuntalante porque (1) su boquete de medición es grande con respecto al diámetro de la partícula del apuntalante, y (2) el líquido se circula continuamente de modo que las partículas del apuntalante no puedan colocar a la parte inferior del reómetro  A pesar de estos progresos, el viscosímetro del FANN 50 y sus reómetros equivalentes son todavía ampliamente utilizados para medir la reología de líquidos de fractura. Por esta razón fue buscado un método para la reología de medición cuando el apuntalante se encuentra presente en la muestra. El thesing (2000) adiciono un movimiento giratorio del tornillo helicoidal que se puede utilizar con el FANN 50 para prevenir el establecimiento de apuntalante en la taza de esfuerzo del viscosímetro. Se Instalan tubos a los reómetros en los lazos del flujo para la medida de la reología, se utiliza el principio de gota de presión a través de varios diámetros para correlacionar parámetros de la ley de la viscosidad y de energía. Además de evaluar  los líquidos de fractura convencionales, éstos han sido útiles para evaluar los comportamientos que forman espuma y las emulsiones en solo un paso o modo de la recirculación. Hutchins y blender (2003) describieron el desarrollo de un reómetro de circulación de la espuma para medir los comportamientos con espuma.

Viscosímetro Couette. El couette es un viscosímetro rotacional que consiste de un bob cilíndrico concéntrico y un rotor cilíndrico. La muestra del fluido se situa en el espacio anular 

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

entre el bob y el rotor. Normalmente, el rotor es girado para ejercer un rango de corte especificado sobre el fluido cercano a la superficie del rotor. El rango de esfuerzos es medido a través del boquete entre el rotor y el bob por medición del torque sobre el bob.

Los viscosímetros tubulares tienen la ventaja de la duplicación más cercana al perfil de esfuerzo de corte experimentado por el fluido en el campo. Variando linealmente desde cero en el centro de la fractura o del tubing a un máximo en la pared. Los viscosímetros tubulares fueron diseñados para los fluidos fracturantes usualmente usando aditivos para simular las condiciones de mezclado en el campo. Un viscosímetro portátil (modelo Fann 35 o equivalente) se requiere para evaluar  las propiedades viscosas del gel lineal y fluido activado. El viscosímetro debe ser  fácil de transportar y debe ser capaz de funcionar con energía y batería.

Procedimiento para la operación del viscosímetro fann 50. a. Monitoree la muestra durante el calentamiento con la temperatura programada y a lo largo de la prueba. La temperatura de la prueba (±5ºF) deberá ser alcanzada en por lo menos 20 min., y estabilizarse para el resto de la prueba. b. Empezar la primer rampa a 90% de la temperatura alcanzada o a los 20 min., de haber iniciado la prueba, lo que suceda primero. c. Las rampas de rango de corte consisten en cambiar la velocidad del rotor de 118 RPM (base B5) por un periodo de 10, 20,30 segundos o más como sea razonable grabar los esfuerzos constantes de corte. Sin embargo, las rampas deberán ser acopladas los mas rápido posible, especialmente a temperaturas altas, para estar seguros de que el fluido no se degradara demasiado durante las rampas. Este procedimiento deberá llevarse a cabo de la siguiente manera: 1) 75 seg-1 (88.5 RPM) 2) 50 seg-1 (59 RPM)

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

3) 25 seg-1 (29.5 RPM) 4) 50 seg-1 (59 RPM) 5) 25 seg-1 (29.5 RPM) 6) 100 seg-1 antes de la siguiente rampa (118 RPM) d. cada una de las rampas son llevadas a cabo cada 30 min., durante la duración de la prueba. e. Se archiva cada uno de los datos de esfuerzo de corte para cada valor de rango de corte. f. Deje enfriar la muestra a 100º F o menos antes de abrir el equipo. g. Cuando remueva la muestra del equipo mida el pH y observe las condiciones del gel.

1.1.6.2. Equipo requerido. 

Equipo de mezclado estacionario. Este equipo debe ser capaz de proveer  barios niveles de mezclado. Inicialmente el polímero debe de ser disperso rápidamente con el agua usada sin aire. Una vez que el polímero es dispersado el movimiento de mezclado es reducido a un movimiento más lento para evitar la estratificación del polímero hidratado en el contenedor.



Simulador de historia de esfuerzo (SHE ó SHS por sus siglas en ingles). Un simulador de historia de esfuerzo que satisfaga los requerimientos de este manual de prácticas recomendadas puede generalmente ser clasificado como un tubo que opera en régimen laminar. Las operaciones en flujo laminar ofrecen algunas ventajas para las comparaciones internas del laboratorio, a un rango de corte especificado, la velocidad de disipación de energía es la misma en cada simulador de laboratorio aun cuando se utilice diferente tamaño de línea a tubería. Por lo tanto el diseño y funcionalización de un SHE puede ser flexible y aun así mantener los criterios de precondicionamiento. Para mantener el SHE en un tamaño razonable es recomendado un tubo de diámetro interno (DI) en el rango de .080 a .305 pulgadas. Este tubo es el que se necesita para

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

proveer un criterio especifico de precondiciónamiento. Por ejemplo para mantener un rango de corte, γ, y un tiempo t determinado es:  n  96v / d  v   n d  / 96 Q  96.53 n d 

3

 L  vt 

VISCOSÍMETRO FANN MODELO 75. El Viscosímetro Automático modelo 75 es del tipo de cilindro coaxial que fue desarrollado para medir reologías del fluido bajo presiones y temperaturas altas con un alto grado de seguridad. El diseño FANN está basado en un equipo desarrollado por los Laboratorios “the sandia nacional laboratorios”. Fue diseñado para los fluidos de perforación geotérmicos y de pozos petroleros, pero tiene aplicaciones en muchos otros campos. Tiene características amplias de seguridad y una computadora sencilla para un control automático de presión, temperatura y velocidad del rotor y resultados de prueba. El Viscosímetro Automático modelo 75 puede ser operado en alguna de las tres configuraciones, como un instrumento de prueba autónomo, un instrumento bajo control de computadora, o como parte de una red de colección de datos de laboratorio de fluidos. La operación bajo computadora o red de control permite la ejecución automática compleja, definida por el usuario, perfiles de prueba de variación de temperaturas, velocidades de rotor y presión. El viscosímetro integra varios sistemas dentro de la parte superior de la unidad de escritorio. Estos sistemas incluyen el módulo de control electrónico, el sistema de

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

control de presión, la estación de prueba, y la celda de prueba. El servidor puede ser  localizado en un lugar conveniente ubicado a 6 pies (1.80 m.) del viscosímetro.  A. El MÓDULO ELECTRÓNICO DE CONTROL. Contiene las fuentes de suministro de bajo voltaje, computadora de teclado sencillo, teclado para el control del motor, teclado numérico para introducción de parámetros, pantalla de cristal líquido, LEDs de alarma y comunicación, y alarma de botón de restauración. B. SISTEMA DE CONTROL DE PRESIÓN. Incluye la bomba de presurización operada por aire, válvulas de alivio de presión, transductor de presión, depósito del fluido de presurización y filtros. C. LA ESTACIÓN DE PRUEBA. Es dominado por la cubierta de seguridad vertical y cilíndrica. La cubierta está unida a una bisagra tal que la parte superior pueda ser columpiada fuera para cargar la Celda de Prueba. La Estación de Prueba contiene la celda de prueba, sensor magnético de ángulo de torsión, control magnético de la celda, calentadores de celda, sistema de enfriamiento para la celda, sensor de temperatura, y los ventiladores de enfriamiento. La cubierta de seguridad es un respaldo secundario en caso de una falla de la celda a alta presión. Las conexiones de tubería a alta presión hacia la celda son hechas para usarse sin herramientas. Las mediciones de viscosidad no pueden ser hechas a menos que la cubierta protectora superior esté cerrada. D. LA CELDA DE PRUEBA. La celda está hecha de metales resistentes a la corrosión y está diseñada para 20.000 PSIG (137.900 kPa) la operación en 500°F (260°C). Incluye un ensamble de torsión que utiliza un bob tipo API y rotor geométrico. El rotor tiene ranuras externas para inducir la circulación, y es manejado por un poderoso magneto permanente de samario-cobalto. El ensamble de torsión consta de un resorte de torsión tipo FANN. El movimiento del ensamble de torsión es transmitido fuera de la celda por otro magneto el cual rota con el ensamble de torsión.

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E. ESTACION DE TRABAJO. La Estación de trabajo es una computadora avanzada clase Pentium™. El software propio controla todas funciones de la prueba, adquiere y almacena los datos a la base de datos InterBase™ para su presentación subsecuente, impresión y el análisis. Las Comunicaciones bidireccionales con el módulo de control electrónico están hechas por la industria protocolo estándar de IEEE RS232. Todo software de la Estación de trabajo corre un sistema operativo de WindowsNT™. Un máximo de cinco Estaciones de trabajo puede ser conectado para proporcionar una red de datos del laboratorio comprensibles. Los reportes y gráficos de impresión se pueden realizar en cualquier impresora compatible Windows NT™.

Figura 1. Pantalla y teclado numérico. Fuente: manual de procedimientos del fann 75

Tabla 1. Especificaciones y descripción técnica del instrumento para rotor estándar  R1, bob B1 y anillo torsión F1. ESPECIFICACIONES. Geometría del Instrumento.

Cilíndrico coaxial.

Velocidad del rotor, rpm (normal).

3 a 600.

Radio del Rotor, cm.

1.8415.

Radio del Bob, cm.

1.7245 (B1 Bob)

 Altura del Bob, cm.

3.805 (B1 Bob)

Espacio de corte en el espacio anular, cm.

. 1168.

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES .

Constante del Anillo de Torsión, K1 N-

0.00386 (F1 Anillo de torsión)

cm/grado de deflexión. Constante de rango de corte, K2 cm-3

0.01323 Bob B1.

Shear Rate constant, K3 sec-1 per rpm

1.7023

Constante Total del instrumento, K centipoise-

300

rpm/grado Precisión del Esfuerzo de corte.

± 0.5% F.S

Máxima Temperatura, F°, C°

500 (260°C)

Mínima Temperatura, F°, C°

20 (-7°C)

Máxima Presión, psi, kPa

20,000 (137900 kPa, 1361 atm)

Volumen simple, in3, cm3

7.76 in3 (175 cm3) (nominal)

Energía

115/230 V, 60/50 Hz, 1 KVA

Rango de Viscosidad, cP

0-300 @ 300 rpm

Viscosidad Mínima, cP

5 @ 600 rpm

Viscosidad Máximo, cP

300 @ 300 rpm

TAMAÑO Y PESO DEL INSTRUMENTO Tamaño de la celda de prueba, pulgadas,

15 alto, 4-1/2 diámetro (38 x 11.4 cm)

(cm) Peso, libras(kg)

29.6 (13.4 kg)

Test Station size, inches (cm)

36-1/2alto,34-1/2ancho,24D (93x88x61cm)

Peso, libras (kg)

169 (76.8 kg)

Tamaño de la computadora, pulgadas (cm) Peso de la computadora ,pulgadas (kg Fuente: manual de procedimiento del viscosímetro fann 75.

Descripción técnica. 1. Materiales de la celda de prueba. La celda de prueba está hecha de cuatro principales partes. La tapa (superior) y la celda (fondo) son hechos ambas de Aleación de Monel K-500 (Níquel, Cobre, y aleación de Aluminio). Son endurecidos por cocción. Estas partes no deberán ser  magnéticas para el funcionamiento apropiado del motor magnético y el sensor de torque. El cople (centro) está hecho de acero inoxidable 17-4 pH (17 Cr-4Ni-4Cu) barra de reserva en condiciones de endurecimiento H 1150 m. El pivote/termo pozo en el centro de la celda es también hecho del mismo material. La porción del fondo actúa como un tapón de presión. Los tres Adaptadores de puerto

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enroscan en los puertos de la Celda de prueba y están hechos de acero inoxidable 303. El que se usa en el puerto de Muestra normalmente entraría en contacto con el fluido a temperaturas relativamente bajas. En operación normal, solo el Acoplamiento, Pivote/Termo pozo, y la Celda entran en contacto con los fluidos de prueba. La mayor parte de las partes internas de la celda que no son sometidos a presión están hechas de acero inoxidable 303. Las excepciones son: (Números en [ ] se refieren a la Figura 35501): a. En el fondo de la Celda de Prueba en contacto normal con la muestra: 1. Sapphire Vee Jewel [5] (Joya). 2. Tungsten Carbide Pivot [4] (Pivot). 3. Steel Angular Contact Bearing [36] (wearing part - replace as required). 4. Plastic Rotor Bushing [40] (wearing part replace as required). 5. Samarium, Cobalt, rare earths Driven magnet [38]. 6. 17-4PH stainless steel Pivot Bushing [43] (wearing part - replace as required). 7. 17-4PH stainless steel Backup Ring [31]. b. En la parte superior de la celda de prueba donde las partes normalmente contactan solo el fluido de presurización: 1. Alnico V Upper Torsion magnet [6]. 2. Items 1 and 2 above. 3. Titanium Upper Magnet Mount [7] and Limit Stop [25]. 4. Beryllium-Copper Torsion Spring [15] and Upper Pivot Spring [3]. 5. Aluminum - Spring mandrels [9, 10, 16], Clamping Sleeves [12, 18], and the Zeroing Sleeve [11]. 6. 17-4PH stainless steel Backup Ring [22]. 2. Control de temperatura. El calentamiento de la muestra se produce mediante un calentador de resistencia eléctrica unido a la pared del termo pozo. Durante una prueba, la porción de

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muestra de la Celda descansa en el termo pozo. El calor se transfiere a través de un espacio angosto de la pared del termo pozo directamente de la pared de la celda de prueba. El calentador es de un rango de 700 watts, 115 VAC. Cuando se opera desde 230 VAC, una onda modificada produce un valor RMS de 115 VAC. La temperatura es censada por medio de un sencillo RTD (Instrumento de Temperatura de Resistencia) que está permanentemente montado en el centro del termopozo. Se proyecta desde el centro del fondo del pozo. Se fija en el termopozo en la celda de la prueba cuando la celda es bajada en el Pozo Calentador. El sensor de temperatura se localiza en el centro del Pivote Rotor, el cual soporta el Rotor (cilindro rotatorio exterior). Este está colocado lo más cercano al centro del fluido de la muestra. Hay un revestimiento con aislante térmico considerable en el sistema. El revestimiento es también influenciado por  las propiedades del fluido de prueba y el rango de corte. Normalmente, la muestra es cortada constantemente para ayudar a minimizar el revestimiento térmico. Esto permite a las ranuras externas del rotor generar flujo arriba del interior de la pared de la celda de prueba. Entonces fluye abajo a través del Bafle, el centro del Bob (la parte estacionaria de los cilindros concéntricos), y los agujeros cercanos al fondo del rotor. Los agujeros lo dirigen a la pared del pozo, para recircular. El RTD se conecta a un PID Controlador de Temperatura proporcional-integralderivativo integrado al módulo de control electrónico. Esto permite completa flexibilidad en la selección de temperaturas, con el rango de temperatura del instrumento. La alarma del controlador abortará los ciclos de calentamiento si se exceden las temperaturas preseleccionadas. Esta alarma debe ser manualmente restablecida por el operador. El enfriamiento es consumado por medio de la inyección de un flujo capilar  controlado de agua corriente u otro líquido refrigerante dentro del espacio angosto entre la celda de prueba y el pozo calentador. El vapor expandido y el agua se ventean a través de un dren en el centro del fondo del Pozo Calentador. La parte alta del espacio está ligeramente sellado por un O-ring que es retenido en la celda de prueba y sella contra la parte superior del pozo calentador. El mismo sistema de control es usado para enfriamiento y calentamiento. El enfriamiento es activado cuando el botón COOL sobre el teclado es seleccionado y el controlador abre una válvula solenoide. La característica de enfriamiento es

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principalmente dirigida para enfriar rápidamente la celda de prueba a el final de la prueba. Las temperaturas de ambiente bajo pueden ser alcanzadas por conexión de un sistema enfriador externo. Mientras este activo, la presión del enfriador  temporalmente dejará pasar a la válvula de enfriamiento normal aún manteniendo la capacidad de enfriamiento cuando se alcanzan las temperaturas elevadas. Estableciendo una temperatura arriba de la deseada prevendrá que el calentador trate de incrementar la temperatura. 3. Control del Ritmo de corte El rotor es magnéticamente manejado a través de la pared de la celda de prueba. Un poderoso magneto permanente de cobalto está unido al fondo del rotor. Magnéticamente cierra el magneto permanente cilíndrico, el cual rota con un aislante, alrededor del calentador del termopozo. La lata aislante es manejada a través de un reductor de engrane por un motor pequeño magnético permanente. La velocidad del motor es sensada por medio de un codificador óptico el cual genera una frecuencia proporcional a la velocidad. Esta frecuencia es usada por  un circuito fase cerrada para controlar un FET transistor de efecto campo energético, el cual regula la energía al motor. La masa alta de las partes rotativas, y el relativo pequeño tamaño del motor, limita el sistema para las mediciones de velocidad estacionaria. La respuesta de la velocidad del sistema es relativamente rápido. La regulación de la velocidad es ± 1revolución por  minuto. Cualquier velocidad del rotor entre 1 y 600 RPM está disponible incluyendo las estándar 600, 300, 200, 100, and 3 RPM, la cual es igual a 1021, 511, 340, 172, y 5.1 segundos recíprocos (S-1). El sistema de control de la velocidad total es suministrado por un generador de 12 Volt DC 6 amp el cual trabaja ya sea con 115 Volt AC ó 230 Volt AC. 4. Control y Medición de Presión. La presurización de la muestra de prueba se consigue por un Maxpro Technologies Maximator operado por aire, la válvula de control de compuerta, la bomba de pistón, con una relación de presión de salida hidráulica a entrada de aire 1400. La presión de aire a esta bomba es controlada por un regulador de

CAPITULO I. RESUMEN Y GENERALIDADES GENERALIDADES .

presión aire electrónico Norgren Pneu-Stat. Una señal baja del voltaje del módulo electrónico de control establece la salida electrónica de la presión del regulador  en una relación correspondiente a la presión deseada de la muestra. La liberación de la presión es principalmente a través del pistón de la válvula no rotatorio operado por aire, que está intermitentemente operado a través de una válvula de aire solenoide. El volumen de fluido liberado es filtrado y regulado a través de un tubo orificio de medición no ajustable. Una válvula manual de alta presión es también provista y es principalmente usada para purgar aire desde la celda previo a la prueba. A 22,500 psi el disco de ruptura reemplazable provee seguridad adicional. Todos los fluidos de presurización liberados son regresados a la botella de desecho. La medición de presión se hace usando un transductor de presión que es continuamente monitoreado por el teclado I/O y una computadora de teclado sencillo e el módulo de control electrónico y mostrado sobre la Pantalla de cristal líquido. Las lecturas de presión son comparadas contra los puntos establecidos actuales también como en contra de los límites de seguridad absolutos. Cuando la presión es mayor de 100 psig abajo del set point establecido, el regulador de presión electrónico se ajusta para una salida mayor, y la bomba de aire incrementa su presión. Cuando la presión es más de 150 psig arriba del set point actual, la válvula operada por aire de alta presión se abre. Los fluidos de presurización usados deben ser compatibles con el acero inoxidable tipo 303. Consultar el manual de ingeniería ó al fabricante del fluido para verificar la compatibilidad de un luido específico. Cualquier fluido usado deberá estar libre de sólidos suspendidos. Los sólidos podrían erosionar la bomba y causar daño. Alguno de los siguientes fluidos fracturantes puede ser  usados: Agua, Aceite Soluble, una emulsión aceite en-agua, Agua-glicoles, Poliglicoles o Petróleo (aceites hidráulicos).

CAPITULO I1 METODOLOGIA EXPERIMENTAL.

CAPITULO II 2.1 Metodología experimental 2.1.1 Procedimiento de Laboratorio de acuerdo a las normas API. Las prácticas recomendadas en este documento cubren dos situaciones, que son (a) prueba de fluidos en el laboratorio, y (b) prueba de fluidos en el campo. Esta sección presenta las prácticas recomendadas para pruebas de laboratorio. Para obtener datos reproducibles es necesario utilizar un simulador de historia para simular como son mezclados los fluidos de fracturas después de ser  bombeados por la tubería a rangos de corte elevados antes de ser introducidos a la fractura. Para obtener datos adecuadamente reproducibles, estos procedimientos de laboratorio deben ser seguidos con precisión, que este en buenas condiciones y calibrado. Preparación de fluidos y prueba. Soluciones base agua. Los procedimientos para la preparación de fluidos fracturantes solución polimérica, deben ser especificados y deben de contener lo siguiente: a. Descripción y/o composición de la base del fluido, incluyendo pH y contenido de sal. La preparación del fluido deberá describir, especificación la fuente de agua usada, tales como agua des-ionizada, agua de la ciudad o agua del océano. b. La cantidad de cada componente añadido. c. El orden y método de adición de cada componente. d. Tiempo de mezclado (deberá tener temperatura y tiempo de mezclado a una o más velocidad de mezclado. e. Envejecimiento y tiempo de espera. f. Volumen del fluido requerido para la prueba. g. Se deben conocer las propiedades del fluido polimérico que se saben afectan la reología del fluido. Las siguientes propiedades deben ser  medidas:

CAPITULO I1 METODOLOGIA EXPERIMENTAL.



Temperatura.



Viscosidad aparente.



pH.

2.1.1.1 Procedimiento para pruebas de gel base agua. 2.1.1.2 Simulación de historia de esfuerzo. a. Los fluidos bombeados a través del simulador de historia, deberá experimentar las siguientes condiciones de flujo. 1. Los fluidos a ser probados a temperaturas menores de 200 ºF, la historia de esfuerzo para su preparación debe ser de 675 seg -1., ± 67.5 seg-1., por un periodo de 2.5 min., ± 10 seg., o para fluidos que serán probados a temperaturas mayores de los 200 ºF la historia de esfuerzo para su preparación debe de ser 1350 seg -1., ± 135 seg-1., por un periodo de 5 min., ± 10 seg. b. Para la operación del simulador de historia de esfuerzo.(ver el manual)

Carga del viscosímetro. a. Precaliente el viscosímetro hasta la temperatura de la prueba. b. Ajuste en el viscosímetro el B5 o el B5 extendido. Checar la lectura del cero. Ajustar la copa rotor. c. Se desfoga el viscosímetro por 5 o 10 min. para purgar el oxigeno que puede degradar el polímero prematuramente a temperaturas elevadas. d. Inserte la línea de inyección de la muestra.

e. Ajuste a un rango de corte de 100 seg -1., por medio d una rotación de 118 RPM. f. Inyecte la muestra (ver documento original). g. Cierre válvulas (ver documento original).

CAPITULO I1 METODOLOGIA EXPERIMENTAL.

h. Presione el rotor a 400 psi con nitrógeno. i. (opcional) modifique la temperatura ambiente, las rampas de rango, si es necesario caracterizar un comportamiento prematuro del fluido.  j. Alzar el baño de temperatura (ver documentó original). k. Corte la bomba de adición de rompedor.

2.1.1.3 Materiales. Los materiales, técnicas y métodos experimentales de este trabajo fueron utilizados con el fin de caracterizar un fluido fracturante base agua en su estado lineal y su estado gelificado. Lo anterior fue llevado a cabo mediante técnicas experimentales pertenecientes al campo de la reología, así como también teorías de comportamiento aplicadas en el campo de la hidráulica. En este capitulo se discuten las técnicas para la caracterización de fluidos fracturantes, enfocadas principalmente en el comportamiento reológico. En su mayoría, estas técnicas son experimentales usadas en laboratorio, las cuales pueden extrapolarse a la aplicación en campo. De lo anterior, se analizara la aplicación y las ventajas que ofrecen estas pruebas en la optimización de los fluidos fracturantes y a su vez, la ventaja que ofrece el mejoramiento de los tratamientos de fractura hidráulica. Por otra parte, algunas de las técnicas discutidas en este capitulo han sido empleadas por algunas compañías para el control de calidad de sus aditivos. La ventaja de este tipo de control es la reducción de los riesgos operativos por  mal comportamiento del fluido, minimización del posible daño a la formación y el control de la eficiencia del tratamiento.  A continuación se presentan los materiales utilizados para la preparación de las diferentes muestras utilizadas para este trabajo. En la preparación de las muestras de fluido fue necesario emplear diferentes materiales, comúnmente llamados aditivos, tales como: Hidroxipropilguar como gelificante (HPG), Solución de borato en hidrocarburo utilizado como activador  B(OH)4-, Hipoclorito de sodio al 12% como bactericida para prevenir la perdida de viscosidad ocasionada por degradación bacteriana, controlador de pH

CAPITULO I1 METODOLOGIA EXPERIMENTAL.

(Buffer), Sustituto de KCL como estabilizador de arcilla, Surfactante no-iónico para reducir la tensión superficial del fluido, Persulfato de sodio encapsulado y una enzima® especifica, ambos como rompedores. Todos los materiales utilizados en la preparación de las muestras fueron obtenidos del laboratorio de fluidos de perforación y fracturantes perteneciente al Instituto Mexicano del Petróleo.

2.1.1.3.1 Preparación de las muestras de fluido. Se eligió estudiar el fluido en su estado lineal y el gelificado para tener una mejor perspectiva del comportamiento. Las muestras se prepararon de la siguiente manera. Fluido lineal:  La concentración de polímero empleada para elevar la viscosidad

del fluido lineal depende del diseño del tratamiento de fractura, el cual trae consigo variables como la temperatura, tiempo de operación, concentración de apuntalante, entre otras. De lo anterior, y basados en los tratamientos efectuados en la cuenca de Chicontepec, se decidió probar tres concentraciones diferentes 20, 25 y 30 lbs/Mgal H2O. En principio se colocaron 500 ml., de agua en una licuadora, se inicio la rotación del agitador a una velocidad moderada y se agrego la concentración deseada de polímero. La cual, fue mezclada durante un periodo de 3 minutos para garantizar la hidratación completa de las cadenas de hidroxipropil, con lo que se puede asegurar la viscosidad máxima posible para la concentración probada. Posterior a esto, se dosifico una concentración de 1 gal/Mgal H2O de estabilizador de arcilla, 1 gal/Mgal H2O de surfactante, y 0.7 gal/Mgal H2O de Buffer para mantener un promedio de 10 de pH. Una vez pasado un periodo de aproximadamente 10 minutos, se procedió a medir la viscosidad en un Viscosímetro Fann 30 de geometría tipo Couette. En este momento, se puede considerar que el fluido lineal ya ha sido preparado, el cual sirve como base para la preparación del gel activada. Fluido gelificado:  Una vez obtenido el fluido lineal, fue necesario medir el pH

para verificar que se encontrase dentro del rango requerido en la preparación del gel activado (9.5 a 10.5 de pH). Posterior a esto, fue posible agregar el activador a una velocidad moderada en una concentración promedio de 1.2

CAPITULO I1 METODOLOGIA EXPERIMENTAL.

gal/Mgal H2O, en este momento fueron agregados tanto el rompedor  encapsulado y la enzima para las pruebas que así lo requirieron. La muestra se mantuvo en agitación hasta observar una reticulación del fluido en un 75%, momento en el cual el fluido es capaz de mantener un aspecto robusto y viscoelástico.

2.1.1.4 Técnicas Y Métodos Experimentales. 2.1.1.4.1 Flujo laminar estable y métodos de caracterización reologica.

El plantear un problema práctico de manera idealizada ofrece ventajas en el modelado y la posible solución analítica, así resultan aproximaciones que proporcionan soluciones viables, tal es el caso de flujo laminar estable. Por  ejemplo, un fluido que atraviesa una fractura en una roca, la cual obviamente es irregular es comúnmente modelado como flujo entre platos paralelos, lo que disminuye considerablemente en número de variables en la interpretación del comportamiento. En relación a fluidos la ecuación constitutiva puede ser expresada usualmente en un modelo reológico simple, el cual depende de parámetros constantes determinados experimentalmente. El modelo mas simple es el llamado modelo Newtoniano, que tiene un parámetro constante, velocidad de corte independiente de la viscosidad. Sin embrago, como ya hemos visto anterior  mente, los fluidos fracturantes se desvían considerablemente del modelo de Newton. Otro modelo como el de Ley Potencia, se convierte en una aplicación más general dada la dependencia de la viscosidad con relación a la velocidad de corte. Este modelo tiene dos parámetros constantes, índices de comportamiento n´ e índices de consistencia K´. Estos parámetros y otras variables pueden ser obtenidos mediante el uso de diferentes geometrías (Viscosímetros capilares, instrumentos de cono y plato, discos paralelos y viscosímetros Couette) y la aplicación de estado estacionario. La selección de la geometría esta gobernada por consideraciones tales como la cantidad de

CAPITULO I1 METODOLOGIA EXPERIMENTAL.

material disponible, el rango de velocidad de corte y el equipo disponible. A continuación se describe brevemente las características de los equipos.

2.1.1.5 Equipos utilizados en la caracterización reologica. Viscosímetro Capilar:  Los viscosímetros capilares son usualmente empleados

en el análisis a elevadas velocidades de corte, sin embargo Liauh y Lui  presentan datos de un viscosímetro capilar diseñado para cubrir los regímenes de alta y baja velocidad. En los viscosímetros capilares son requeridos volúmenes más grandes que los requeridos para viscosímetros rotacionales. Una de las ventajas de los viscosímetros capilares es que se pueden obtener  variables bajo condiciones de proceso (elevadas presiones y temperaturas), el proceso de cálculo involucra diferenciación numérica y grafica de los datos de caída de presión y velocidad de flujo (Ecuación 2.1). Este proceso no asume ningún modelo reológico particular, porque asume un fluido homogéneo donde el esfuerzo de corte es función única de la velocidad de corte. Lo anterior  delimita a este tipo de equipos en cálculo de variables que pueden ser de gran importancia en la caracterización de fluidos poliméricos. Por otra parte, los datos experimentales obtenidos en este equipo pueden ser usados para soluciones de flujo en una tubería.  dIn(q /  rt 3 )   ( w )  3   dIn w (q /  rt 3 )    w

1

+(2.1)

Instrumentos rotacionales:  Los instrumentos rotacionales pueden ser usado

con diferentes geometrías: Couette (Cilindros concéntricos), Cono y plato o platos paralelos, una de las ventajas de la geometría Couette y la de cono y plato es que la velocidad de corte es prácticamente uniforme. La viscosidad puede ser calculada por medio del troque de la geometría conocida. A diferencia de los platos paralelos, La viscosidad puede ser calcula relacionando el torque con los datos de velocidad angular como se ve en la Ecuación (2.3). En general los equipos rotacionales están limitados a bajas velocidades de

CAPITULO I1 METODOLOGIA EXPERIMENTAL.

corte debido a que la inercia en algunos casos puede generar flujo secundario ó el fluido puede derramarse fuera del la copa. Estas dos limitaciones podrían ser resueltas mediante la aplicación de presión a la copa de la muestra y un rotor que permita mantener un flujo homogéneo. Kramer et al., y Connelly y Greener, mostraron que es posible obtener datos a 500,000 segundos -1 usando copas pequeñas entre platos paralelos.

 ( w ) 

Instrumentos de cono y plato

Instrumentos de discos paralelos

 ( ) 

3 c

(2 r   )

,   

  c

(2.2)

 o  / 2 r  p3  dIn( o  / 2 r  p3 )   ( w )  3     R dIn  R     R 

Viscosímetro Couette

3 o

r  p w f 

T o (r o  r i )

2 r i3 L  o   i

;

  

 o   i r i r o  r i

En este trabajo se realizaron pruebas con equipos de geometría tipo Couette, los cuales son modelos Fann ® 35, 50 y 75. Cada uno con características importantes para la evaluación de los fluidos poliméricos base agua utilizados en el fracturamiento hidráulico. A continuación se describen los equipos y su principio.

CAPITULO III. RESULTADOS Y DUSCUSIONES.

CAPITULO III 3.1.1 Resultados y discusiones.  A continuación se muestran los resultados obtenidos en este trabajo, los cuales serán discutidos empezando en la primera sección con los resultados del gel lineal, para terminar con el gel reticulado. Se estudio principalmente el efecto de la velocidad de corte, carga polimérica, el efecto de la presión y la temperatura. Todas estas variables son de gran importancia en el diseño y selección de un fluido fracturante; dado lo anterior, se pretende mostrar un panorama generalizado del tipo de pruebas viables para diferentes tipos de fluidos fracturantes tales como: fluidos viscoelásticos, fluidos base aceite, y base agua. Siendo este último uno de los mas usados, se creyó pertinente estudiar sus propiedades reologicas ( μ). 3.1.1.2 Comportamiento de la viscosidad. Las pruebas reologicas mas comunes en los fluidos fracturantes son las pruebas de esfuerzo de corte/velocidad de corte para determinar la viscosidad aparente del fluido. Así también, el tiempo es un parámetro debido a que las soluciones poliméricas pueden degradarse por causa de las reacciones químicas y la deformación física. 3.1.1.3 Efecto de la velocidad de corte. Las soluciones poliméricas son

típicamente pseudoplasticas, lo que significa que son sensibles al esfuerzo. Basados en ese concepto se decidió evaluar una solución polimérica de 30 libras de HPG por cada mil galones de agua, la cual fue sometida a diferentes velocidades de corte manteniendo la presión y temperatura constante. El rango de corte seleccionado para esta prueba fue de 5 a 1000 segundos recíprocos (s-1). Como se puede observar en la grafica ( 3.1) a velocidades bajas de corte no se muestran cambios significativos en los valores de viscosidad aparente. Por otra parte, conforme se incrementa la velocidad de corte se observa una disminución significativa en los valores de la viscosidad. Con lo que podemos suponer, que el fluido polimérico presenta su comportamiento dividido en dos

CONCLUCIONES.

etapas. A bajas velocidades de corte este se comporta como un fluido Newtoniano el cual se puede modelar fijando n’ igual a uno. En cambio, a altas velocidades de corte el fluido polimérico exhibe un comportamiento mas parecido al modelado por la “ley potencia” en donde para este caso podemos asumir que n’ es mayor de cero pero menor de uno. Los datos obtenidos en el equipo de geometría Couette son comparables a los datos obtenidos por Guillot y Dunad (1985) con el uso de un viscosímetro capilar.

Grafica 3.1. Efecto de la velocidad de corte.

3.1.1.4 Efecto de la Temperatura. Es esperarse que la temperatura juegue un

papel importante cuando se sabe que se encuentran interactuando reacciones químicas. La temperatura es un parámetro importante en la cinética de reacción de las sustancias químicas, si asumimos un modelo matemático tipo  Arrhenius, podríamos predecir que al incrementar la temperatura se disminuye la viscosidad (tomando a la viscosidad como la constante cinética). En la grafica ( 3.2) se muestran las isotermas de viscosidad para una solución de HPG de 30 lb. /1000 gal., como se puede ver, el efecto de la temperatura es mucho mayor en la zona de baja velocidad de corte en comparación con la

CONCLUCIONES.

zona de alta velocidad. Se cree, que este efecto es debido a que a altas velocidades se reduce la interacción intermolecular y se promueve la intramolecular, generando así cúmulos que propician los enlaces dentro de las cadenas de polímero. El cambio de la pendiente podría ser una variable importante como lo nota Dunad et al., sin embargo en esta caso no es posible dar una conclusión debido al numero de datos disponibles. Por otra parte, es prudente aclarar que existen polímeros diseñados para hidratarse a ciertas temperaturas (Ej. 140 ºF (60ºC), los cuales también podrían ser insensibles al efecto de la temperatura bajo ciertos rangos.

Grafica 3.3. Efecto de la Temperatura.

3.1.1.5 Efecto de la concentración. Una practica usual para elevar la viscosidad

de un fluido polimérico lineal es incrementar la carga polimérica en la solución (incremento de la concentración de HPG). Sin embargo, se debe caracterizar  este incremento relacionando la viscosidad alcanzada a una determinada velocidad de corte contra la concentración añadida, podemos suponer por  experiencia que el incremento será proporcional a la concentración. En la grafica 3 se muestra la viscosidad de gel lineal con diferentes concentraciones

CONCLUCIONES.

en peso (10, 20, 30, 40,50 y 60 lbs/Mgal), las cuales fueron medidas a dos diferentes velocidades de corte (100 y 170 s -1). Como se observa, el incremento es proporcional a la carga polimérica y una diferencia en viscosidades con respecto a la velocidad de corte. Mostrando sensibilidad al corte (Shear thining fluids). El objetivo principal de este tipo de gráficos la concentración óptima para iniciar la activación (reticulado), el entrelazado intramolecular a una concentración por debajo de la óptima podría dominar las interacciones intermoleculares (Menjivar, et al., 1984).

Figura 3.4. Efecto de la concentración. 3.1.1.6 Efecto de la presión. Se ha especulado mucho acerca de la influencia

de la presión sobre el comportamiento reológico del fluido fracturante base agua. Dado que al incrementar la presión sobre un liquido generalmente causa un incremento en la viscosidad. Existe un amplio rango de presiones a las cuales puede ser sometido el fluido fracturante en relación a la presión de yacimiento y la generada durante el tratamiento. Dado lo anterior, se creyó conveniente realizar pruebas a diferentes presiones en función de la velocidad de corte. En el grafico (3.5) muestra el efecto de la presión sobre un fluido fracturante base agua, tal como se puede observar la presión no tiene una influencia marcada en el “comportamiento de la viscosidad” como podría

CONCLUCIONES.

esperarse. A diferencia de los fluidos compresibles donde se espera observar  grandes efectos de la presión, los fluidos de polímero diluido en agua comparten la característica de incomprensibilidad que tiene el agua. Lo anterior, no significa que el fluido no pueda ser comprimido o que su densidad sea constante bajo cualquier condición; si no, que el efecto de la presión no es considerable. Por otro lado, partiendo de los datos obtenidos se cree que un fluidos base aceite podría mostrar un efecto mas significativo, porque el aceite es mucho mas compresible que el agua. Ferry et al., (1970) realizo estas pruebas para un fluido base aceite parcialmente gelificado, encontrando ciertas variaciones en el valor de la viscosidad.

Grafica (3.5). Efecto de la presión.

En la sección anterior se evalúo el comportamiento del fluido fracturante base agua en su estado lineal (sin gelificar), es turno ahora de presentar y discutir los datos obtenidos para el gel reticulado, en el cual se decidió solo estudiar la parte correspondiente a parámetros de la ley potencia, el efecto de la presión en la estabilidad y el efecto de la presión en el gel reticulado con la inserción de una Ezima ® especifica como rompedor. presentan a continuación.

Los resultados se

CONCLUCIONES.

3.1.1.7 Comportamiento reológico del gel reticulado (activado o gelificados).

Como ya se explico anteriormente los fluidos gelificados poseen un comportamiento visco-elástico, por lo que pueden ser modelados por la ley potencia. De este modelo podemos obtener dos parámetros importantes como el índice de comportamiento ( n’) y el índice de consistencia (K’). Estos dos parámetros son usados en la evaluación del fluido ya que controlan el estado físico en el que se encuentra el fluido y la capacidad a transportar apuntalante una de sus principales aplicaciones. En la grafica (3.6 y 3.7) podemos observar  el comportamiento de estos dos parámetros como función del tiempo, la prueba fue llevada a cabo para dos concentraciones diferentes de polímero (35 y 50 lbs/Mgal). Claramente se puede ver, que conforme pasa el tiempo el valor del índice de consistencia va disminuyendo con lo que se asume existe una degradación del fluido o en si, rompimiento de los enlaces de hidrogeno formados por el ion metálico y la galactomanosa del polímero. A diferencia del valor de consistencia el índice de comportamiento se ve incrementado al disminuir el valor de consistencia, presentando una tendencia a 1. Hay que recordar que mientras mas cerca este el valor de uno, mas cerca se esta de un comportamiento Newtoniano.

CONCLUCIONES.

Grafica (3.6). Índice de consistencia en función del tiempo y velocidad de corte.

Grafica (3.7). Índice de comportamiento en función del tiempo y velocidad de corte. 3.1.1.8 Efecto de la presión sobre el fluido gelificado. Se probó el fluido

gelificado a 100 segundos recíprocos (s -1), a una temperatura promedio de 75º C., bajo un rango de presión de 1000 a 10000 psi., se selecciono un fluido gelificado de 30 lbs/Mgal., cada una de las pruebas tuvo una duración de aproximadamente 1 hora 30 minutos. La finalidad de las pruebas fue evaluar el comportamiento global del fluido y no la viscosidad aparente (puntual), debido a que la anterior podría ser afectada por una innumerables cantidad de variables que van desde el historial de esfuerzo al preparar el fluido, la temperatura, hidratación, flujo secundario entre muchas otras. Sin embargo el comportamiento se puede observar de manera generalizada y nos ofrece datos importantes para el diseño de un tratamiento de fractura hidráulica. En la grafica (3.8) se muestran los reogramas de las pruebas y en la grafica (3.8-1) se muestra la tendencia que presentaba cada uno de los comportamiento. Las

CONCLUCIONES.

muestras estudiadas en esta ocasión no contaban con rompedor, porque se quería observar la pendiente de estabilización (comúnmente llamadas pruebas de estabilidad). Como podemos apreciar, bajo estas condiciones no se observa cambios significativos en la tendencia de las pruebas bajo las diferentes presiones presentadas. Si bien el valor de la viscosidad varia, la tendencia en todas las pruebas es la misma. Supusimos que la presión usada no fue suficiente para comprimir el fluido de manera significativa. Por lo que se decidió introducir una Enzima específica que promoviera la ruptura de los enlaces, la idea era probar la tendencia o comportamiento con la introducción de esta nueva variable. El la grafica( 3.9)y(3.9-1) se muestra los reogramas de estas pruebas y la tendencia presentada. Estos resultados prueban que la tendencia del comportamiento no es afectado por la aplicación de una presión en exceso, aun mas importante comparando los resultados anteriores donde el gel estaba totalmente reticulado y los mostrados con rompedor, podemos observar que en función de la viscosidad tenemos menor variación. Suponemos que esta diferencia es debía a la misma degradación del gel reticulado y la tendencia del índice de comportamiento a uno, mientras mas cerca esta del comportamiento del agua se es menos sensible a la presión. Por ultimo, observamos cambios en la viscosidad que son asumidos al efecto de la presión, pero que no se manifiestan directamente en el comportamiento reologico.

CONCLUCIONES.

Grafica (3.8). Reogramas de gel activado sin rompedor.

Grafica (3.8-1). Lienas de tendencia del comportamiento reologico.

CONCLUCIONES.

Grafica (3.9). Reogramas de gel activado con rompedor (Enzima).

Graficas (3.9-1). Lienas de tendencia del comportamiento reologico con rompedor.

CONCLUCIONES.

CONCLUSIONES.

Comprobamos que el tiempo es un parámetro muy importante debido a que las soluciones poliméricas pueden degradarse y deformarse. También estudiamos el efecto de la velocidad de corte con lo que vimos que conforme aumenta la velocidad de corte disminuye significativamente los valores de la viscosidad con lo que suponemos que el fluido polimérico presenta un comportamiento dividido en dos etapas, a bajas velocidades de corte se comporta como fluido newtoniano, y en cambio en altas el fluido polimérico exhibe un comportamiento mas parecido al modelado por la ley de potencia. Por otra parte también se observo el efecto de la temperatura como se pudo ver en las graficas, el efecto de la temperatura es mucho mayor en la zona de baja velocidad de corte en comparación con la zona de alta velocidad. Se cree, que este efecto es debido a que a altas velocidades se reduce la interacción intermolecular y se promueve la intramolecular, generando así cúmulos que propician los enlaces dentro de las cadenas de polímero. Se puede observar que la presión no tiene una influencia marcada en el “comportamiento de la viscosidad” como podría esperarse. A diferencia de los fluidos compresibles donde se espera observar grandes efectos de la presión, los fluidos de polímero diluido en agua comparten la característica de incomprensibilidad que tiene el agua. Por otro lado, partiendo de los datos obtenidos se cree que un fluidos base aceite podría mostrar un efecto mas significativo, porque el aceite es mucho mas compresible que el agua. en el comportamiento reologico de fluido reticulado, Claramente se puede ver, que conforme pasa el tiempo el valor del índice de consistencia va disminuyendo con lo que se asume existe una degradación del fluido o en si, rompimiento de los enlaces de hidrogeno formados por el Ion metálico y la galactomanosa del polímero. A diferencia del valor de consistencia el índice de comportamiento se ve incrementado al disminuir el valor de consistencia,

CONCLUCIONES.

presentando una tendencia a 1. Hay que recordar que mientras mas cerca este el valor de uno, mas cerca se esta de un comportamiento Newtoniano. Efecto de la presión sobre el fluido gelificado. Se probó el fluido gelificado a

100 segundos recíprocos (s -1), a una temperatura promedio de 75º C., bajo un rango de presión de 1000 a 10000 psi., se selecciono un fluido gelificado de 30 lbs/Mgal., cada una de las pruebas tuvo una duración de aproximadamente 1 hora 30 minutos. La finalidad de las pruebas fue evaluar el comportamiento global del fluido y no la viscosidad aparente (puntual), debido a que la anterior  podría ser afectada por una innumerables cantidad de variables que van desde el historial de esfuerzo al preparar el fluido, la temperatura, hidratación, flujo secundario entre muchas otras. Sin embargo el comportamiento se puede observar de manera generalizada y nos ofrece datos importantes para el diseño de un tratamiento de fractura hidráulica

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