Reporte de Reologia

 

REPORTE DE REOLOGIA

Fluidos de Perforación

INTRODUCCION La reología es la ciencia que estudia el flujo y las deformaciones de sólidos y fluidos, bajo la influencia de fuerzas mecánicas o mejor explicado, es una disciplina científica científica que se dedica al estudio de la deformación y flujo de la materia o, más precisamente, de los fluidos. La palabra reología proviene del griego ρειν la cual significa fluir. fluir.   A pesar de que la Reología pudiera cubrir todo lo que tiene que ver con los comportamientos de flujo en aeronáutica, mecánica de fluidos e inclusive la mecánica de sólidos, el objetivo de la Reología está restringido a la observación del comportamiento de materiales sometidos a deformaciones muy sencillas. Por medio de la observación y del conocimiento del campo de deformación aplicado, el reólogo puede en muchos casos desarrollar una relación constitutiva o modelo2 matemático que permite obtener, en principio, las funciones materiales o propiedades que caracterizan el material. Las propiedades reológicas de un material se determinan por aplicación de las leyes básicas de la Mecánica.

ESFUERZO

DEFORMACION

MATERIAL

Fluidos y sólidos Como fluido se entiende toda porción de materia capaz de deformarse continuamente cuando es sujeta a una fuerza o deformación, deformación, a diferencia de los sólidos, los cuales o no se deforman o sólo se deforman hasta cierto punto. Son fluidos todos los líquidos, los gases y otros fluidos de composición más compleja tal es como las emulsiones y suspensiones, las pastas y los polímeros fundidos, entre otros. El chicle, la masilla, la masa de pan pudieran también clasificarse como fluidos, aunque algunos pudieran argumentar que son ssólidos ólidos deformables. deformables. En realidad, la clasificación de fluido o sólido deformable no es muy nítida en muchos casos; frecuentemente sólo puede hablarse del grado en que un fluido se acerca a uno u otro tipo de comportamiento.

El tensor de esfuerzos La forma de producir el movimiento y deformación de un material es por medio de la aplicación de fuerzas sobre la superficie s uperficie del mismo. Imagínese Imagínese un cuerpo como el ilustrado en la figura 1 sobre el cual se aplica una fuerza F de modo que el cuerpo se deforma. Supóngase ahora que se realizan cortes imaginarios a través del punto P contenido dentro del material. En el punto P se colocan los ejes de coordenadas caracterizados caracterizados por los vectores unitarios x, y y z.

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La viscosidad y el comportamiento viscoso Newtoniano La viscosidad es una propiedad de transporte que cuantifica la conductividad de cantidad de movimiento a través de un medio conductivo o fluido. Puede también interpretarse como la resistencia que ofrecen los fluidos a ser deformados, cuando son sometidos a un esfuerzo. Imaginemos el siguiente experimento. Sea una capa de fluido confinada por dos superficies sólidas paralelas (placas), como se muestra en la figura 6. Cada placa tiene un área de contacto con el fluido igual a A y están separadas separadas una distancia δ, igual al espesor de la capa de fluido. Al inicio del experimento (t = to) se aplica una fuerza F a la placa superior y, una vez logradas las condiciones estacionarias, la placa se mueve con velocidad constante, vp.

Deformación y tasa de deformación El grado de deformación de un material se expresa usualmente como un cociente entre la longitud deformada sobre la longitud sin deformar. A este término se le denomina la deformación relativa γ y puede cuantificarse según el tipo de experiment o que se haga.

Comportamiento elástico Una diferencia notoria entre un fluido Newtoniano y un sólido elástico es que los fluidos fluyen mientras se mantenga el esfuerzo, en cuanto un sólido elástico responde de forma instantánea al esfuerzo y alcanza una deformación dada que se mantiene mientras se le aplique dicho esfuerzo. Algunos sólidos pueden presentar una deformación relativa que es proporcional al esfuerzo, en la cual se presenta el esfuerzo en función de la deformación relativa de una muestra de goma de silicona (Macosko, 1994). La muestra fue sometida a una deformación como la ilustrada en la figura 2 (b); es decir, cizallamiento entre dos placas. En esta situación la deformación relativa relativa es igual a δ/h.  δ/h. 

El número de Débora Consideremos varios casos con el objeto de ilustrar los conceptos de escalas de deformación y de tiempo. Una superficie de agua puede comportarse como un sólido cuando un cuerpo cae sobre ella a gran velocidad; esto involucra para este fluido (agua) un esfuerzo muy elevado durante un período de tiempo muy corto, menor que el tiempo de deformación o relajación del agua. En tales condiciones, la superficie de agua se comporta como una superficie sólida. Por otro lado, bajo esfuerzos suficientemente elevados es entonces posible medir una viscosidad en materiales tales como el asfalto y el vidrio los cuales se comportan como fluidos bajo las condiciones condiciones señaladas.

El número de Péclet El número de Péclet o Pe permite calcular cuanta energía mecánica hay que aplicar a un fluido para que ocurra una deformación del mismo que no sea provocada por la energía térmica del

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fluido. Esta última puede producir cambios de la configuración microscópica del fluido, en ausencia de solicitación mecánica.

FUNCIONES DE LOS FLUIDOS DE PERFORACION Ya sea que se utilice en trabajos encaminados encaminados a detección contaminantes, exploración minera, mecánica de suelos o en la industria petrolera, en fluido de preforacion debe de cumplir con las siguientes funciones:

       

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Enfriar y lubricar la broca y la tubería de perforación. p erforación.

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Limpiar la broca y en fondo de barreno.

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Transportar (flotar) los recortes de la superficie y removerlos del fluido.

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Proporcionar estabilidad al barreno (evitar que se formen cavidades en el barreno).

  Prevenir la perdida excesiva de fluido en formaciones permeables.   Evitar daño a las formaciones productivas y maximizar su producción. p roducción.

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METOSDOS REOLÓGICOS EN LOS FLUIDOS DE PERFORACIÓN No existen las ecuaciones matemáticas que reproduzcan la reologia de los lodos en su totalidad, pero se han propuestos ciertas ecuaciones que cierta manera se aproximan ala complejas relaciones entre tensión de corte y la velocidad de corte. Estas ecuaciones reciben el nombre de modelos reologicos, entre las cuales un fluido de perforación puede seguir cual quiera de estos 3 modelos reologicos:

  Modelos plástico de BIGHAM   La ley exponencial   La ley exponencial modificada   Modelo de Herschel-Bulkley (punto cedente-ley de la potencia  

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  MODELOS PLÁSTICO DE BIGHAM

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Un modelo reológico de dos parámetros utilizado ampliamente en la industria de los fluidos de perforación para describir las características del flujo de muchos tipos de lodos. Puede describirse matemáticamente matemáticamente de la siguiente manera: Los fluidos que obedecen a este modelo se denominan fluidos plásticos de Bingham y exhiben un comportamiento lineal de esfuerzo cortante y velocidad de corte después de alcanzar un umbral inicial de esfuerzo cortante. La viscosidad plástica (PV) es la pendiente de la línea y el umbral de fluencia plástica (YP) es el esfuerzo de umbral. La PV debe ser lo más baja posible para que la perforación sea rápida y se consigue mejor mediante la reducción al mínimo de los sólidos coloidales. El YP debe ser suficientemente alto para sacar los recortes de perforación del pozo, pero no tan alto como para crear una presión excesiva de bombeo cuando se inicia el flujo del lodo. El YP se ajusta haciendo elecciones criteriosas de los tratamientos de lodos. El reómetro rotacional de indicación directa fue diseñado específicamente para aplicar el modelo de fluidos plásticos de Bingham.

  LA LEY EXPONENCIAL

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El modelo de la ley de potencia describe el comportamiento reológico del fluido usando la siguiente ecuación:

Este modelo describe el comportamiento reológico de fluidos de perforación base polímero que no presentan esfuerzo de punto cedente (p.ej., salmueras claras viscosificadas). Algunos fluidos viscosificados con biopolímeros se pueden describir también por comportamiento de la ley de la potencia. Las ecuaciones generales para calcular el índice de flujoy el índice de consistencia de un fluido son:

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REÓMETRO Un reómetro es un instrumento de laboratorio que se usa para medir la forma en que fluyen un líquido, mezcla o suspensión bajo la acción de fuerzas externas. Se emplea para fluidos que no pueden definirse con un único valor de viscosidad de  viscosidad y por tanto requieren más parámetros que los que puede proporcionar un viscosímetro. un  viscosímetro.   Mide la reología del fluido.

Viscosímetros rotacionales. Los viscosímetros rotacionales constan básicamente de dos partes que se encuentran separadas por el fluido a estudiar. Dichas partes pueden ser dos cilindros, dos superficies paralelas, una superficie y un cono de pequeño ángulo, un rotor en el interior de un cilindro, El movimiento de una de estas partes provoca la aparición de un gradiente de velocidades a lo largo del fluido. Para determinar la viscosidad del fluido se mide el esfuerzo necesario para producir una determinada velocidad angular. Este tipo de viscosímetros son mucho más versátiles que los estudiados anteriormente y pueden ser utilizados para fluidos no Newtonianos; sin embargo, su principal inconveniente es el precio. En los años 90 este tipo de viscosímetros han sufrido una importante transformación al ser conectados a ordenadores lo cual ha hecho más sencillo su uso. A continuación se describirán los tipos de viscosímetros rotacionales más empleados: - Viscosímetros de cilindros concéntricos. - Viscosímetros de placas paralelas. - Viscosímetros de cono-placa

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-Viscosímetro de cono-placa. Su funcionamiento se basa en la cizalla presente en un líquido situado en el espacio comprendido entre un cono y una placa, siendo el ángulo (α) entre ambos muy pequeño (inferior a 4º, 4º, ya que para ángulos mayores, los cálculos se complicarían excesivamente). En la figura 5.9 se muestra de forma exagerada la geometría del sistema. Si el cono gira con cierta velocidad angular (Ω), se generará un movimiento de rotación en el fluido de tal forma que éste girará a una velocidad mayor cerca de las paredes del cono.

Todos los instrumentos de cono-placa permiten extraer el cono para un cambio de la muestra, lo que facilita en muchos casos la limpieza del mismo, siendo ésta, junto con la pequeña cantidad de muestra necesaria las principales ventajas que presentan este tipo de equipos. En la mayoría de los viscosímetros rotacionales la velocidad de cizalla cambia con la distancia al centro de rotación. Sin embargo, en el viscosímetro de conoplaca la velocidad de cizalla a lo largo del espaciado del cono es constante, ya que el espaciado entre el cono y el plato aumenta al aumentar la distancia al centro. Para fluidos no newtonianos no es necesario llevar a cabo correcciones, siendo siendo posible

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aplicar las ecuaciones para fluidos newtonianos:

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RESULTADOS En todos los análisis numéricos anteriores la primera característica que destaca es la sobrestimación sistemática del método newtoniano en las curvas reologicas. Esta aproximación es la única que supone ´ a priori un comportamiento comportamiento conocido del fluido pero que sobre todo en los casos analizados, dista bastante de la situación real. Utilizar este método puede generar errores relativos superiores al 10 % en las curvas de flujo y en la estimación de la tensión de fluencia de los distintos modelos. La estimación de la viscosidad, en cambio, arroja resultados comparables. En cuanto al estudio de los métodos aplicados a modelos teóricos, el resto de las aproximaciones entregan resultados similares en todos los aspectos. a spectos. Los graficos de error evidencian un comportamiento divergente para esfuerzos de corte cercanos a la tensión de fluencia, esto se debe principalmente a dos razones:

  el inadecuado ajuste del polinomio aproximante de los puntos(Ωi, τi) en los  los  

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primeros sectores de la curva

  la forma de cálculo del error relativo, cuyo denominador toma valores cercanos

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a cero acentuando los errores numéricos en el numerador.

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