reología

REOLOGIA DEL FLUIDO DE PERFORACION

REOLOGIA

Reología es el estudio de como

la materia fluye y se deforma

?VISCOSIDAD

VISCOSIDAD

Resistencia de un fluido a fluir

VISCOSIDAD FUNNEL

100 centipoise (cp) = 1 poise

Centipoise es la dimensión usada para expresar:

Viscosidad Plastica Viscosidad Aparente Viscosidad Efectiva

Viscosidad

VISCOSIDAD EFECTIVA

300 x Lectura del dial

RPM

VE =

VE = Viscosidad efectiva, centipoise

La dimensión de lb/100 sq ft son usadas para expresar:

Yield point

Initial gel

10-minute gel

Viscosidad

VISCOSIDAD

Shear StressShear Rate

VISCOSIDAD

FuerzaVelocidad

oLectura del dial

RPM

SHEAR STRESS

Fuerza interna que resiste al flujo.

Perdida presión en el sistema (presión circulante en el equipo)

Simulada por la lectura del dial en un viscosimetro

SHEAR RATE

Dri

ll S

trin

g

Formacion

Anular

La velocidad en la cual una capa del fluido se mueve sobre la otra

SHEAR RATE

La velocidad real (promedio) es la velocidad en la cual el fluido se esta moviendo.

La velocidad anular en el sistema de circulacion es un ejemplo de velocidad real.

La Velocidad son los RPM en un viscosimetro

VISCOSIDAD

Lectura del Dial RPM

FACTORES INFLUENCIADOS POR LA REOLOGIA DEL LODO,

Limpieza del hueco.

Suspensión de solidos

Estabilidad del hueco

Control de solidos

Densidades equivalentes circulantes.

Presiones de surgencia/suaveo.

MEDIDA – VISCOMITRO ROTACIONAL

Torsion Spring

Inner Cylinder

Bearing Shaft

Rotor

Bob

Cup

EFECTOS DE TEMPERATURA & PRESION

La temperatura reduce la

viscosidad

La presión incrementa la

viscosidad

Alta temperatura

Degradación de polimeros

Gelación de solidos

VISCOSIDAD PLASTICA

Resistencia a fluir debido a la fricción mecánica

Afectada por: Concentración de solidos. Tamaño y forma de los solidos Viscosidad de la fase fluida

LA PLASTIC VISCOSITY SE INCREMENTA POR:

Sólidos de perforación hidratables Arcillas, shales

Sólidos de perforación inertes Arenas, areniscas, etc.

Material Coloidal Starch, CMC

Particulas fracturadas, que incrementan el area y aumentan la fricción.

Material pesado para incrementar la densidad.

LA VISCOSIDAD PLASTICA SE INCREMENTA POR:

AREA INCREMENTADA POR LA FRACTURACION DE SOLIDOS

6-inch cube

1-inch cube

1-foot cube

VOLUME1 cu ft = 1728 cu in8 6-in cubes = 1728 cu in1728 1-in cubes = 1728 cu in

SURFACE AREA1 cu ft = 864 sq in8 6-in cubes = 1728 sq in1728 1-in cubes = 10,368 sq in10,368 - 864 = 9504 sq in increase

EFFECT OF PARTICLE SIZE ON VISCOSITY

10 11 12 13 14 15

Mud Weight, ppg

Apparent Viscosity, cP

40

80

120

160

200

Regular Barite

0-3 Barite

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Pla

stic V

isco

sity,

Yie

ld P

oin

t &

MB

T

Mud Weight, lbs/gal

PV & YP v. Mud Wt, lbs/gal

Max Recommended PV

Max Recommended YP

Max Recommended MBT

PV, YP vs Mud Wt. ppg

LA VISCOSIDAD PLASTICA DISMINUYE POR:

Remoción de sólidos

Shale shaker

Desarenadores, desilters, y centrifugas

Disminución del gel strength a través de la salida de partículas grandes

Dilución de sólidos con agua

COMO AFECTA LOS SOLIDOS LA VISCOSIDAD DEL LODO

Viscosity No Alternative - Water must be added because chemical is not effective

Add More Chemical

AddChemical

Low Gravity Solids

YIELD POINT

Resistencia a fluir debido a la dispersión o atracción entre sólidos.

Afectados por: Tipo de sólidos y cargas asociadas Concentración de estos solidos Sales disolventes

EL YIELD POINT SE INCREMENTA POR:

Las arcillas perforadas hidratables y los shales incrementan el contenido de sólidos reactivos

Insuficiente concentración de defloculantes

EL YIELD POINT SE INCREMENTA POR:

Sobre-tratamiento con Soda Ash o Bicarbonato de Sodio que resulta en una contaminación por carbonato/bicarbonato

Adición de sólidos inertes (como barita) lo que los sólidos reactivos estén mas cerca resultando en un incremento de las fuerzas de atracción.

EL YIELD POINT SE INCREMENTA POR:

Contaminantes Sal, cemento, anhidrita, gases acidos, etc.

neutralizas cargas de las particulas de arcilla causando floculacion

Las particulas de arcillas fracturadas causan fuerzas residuales en las facetas de las particulas resultando en floculación.

Neutralizando el rompimiento de las valencias de union en las caras de las particulas de arcilla adsorbiendo los iones negativos del lignito, lignosulfonatos, fosfatos, etc.

Remoción de los iones contaminantes (calcio o magnesio) causando la floculación por precipitación del ion con soda ash, bicarbonato de sodio o fosfato.

EL YIELD POINT SE INCREMENTA POR:

EL YIELD POINT DISMINUYE POR:

La adición de agua minimiza la floculación, pero no es la solución..

La floculación es un problema químico y debe ser tratado con química.

Grades adiciones de agua tambien puede ser la solución. Pero esta requiere una gran cantidad de adición de material de peso, lo que puede ser muy costoso.

INTERPRETACION DE LOS VALORES DE VG

Incrementos del YP con pequeños o ningun cambio en VP indica un problema químico,que puede ser reducido con la adición de químicos defloculantes solamente.

Incrementos de la VP con un pequeño o ningun cambio en el YP indica un problema de solidos, que puede ser reducido con la adición de agua o un adecuado sistema de control de solidos.

INTERPRETACION DE LOS VALORES DE VG

Grandes incrementos simultáneos entre el YP y la VP indican usualmente un incremento en la reactividad de los contenidos de arcilla en el lodo.

Esto debe ser tratado con la adición de tanto agua como agente defloculante.

GEL STRENGTH

La estructura de Gel se desarrolla cuando el lodo esta estatico como las particulas de arcillas reactivas que se mueven muy lentamente (Movimiento Browniano), arrastrando otras particulas de arcillas reactivas y uniondose entre ellas de manera positivo- negativo con respecto a cada uno de las formas estructural de gel.Gel strength es función del tiempo y temperatura, concentracion y esfuerzo de las particulas atractivas.

GEL STRENGTH

Gel Strengths disminuye la rata de levantamiento de los cortes cuando la circulacion es interrumpida.

Time

Gels

PROGRESSIVE

FRAGILE

PROBLEMAS ATRIBUIBLES A LA ALTA VISCOSIDAD Y AL GEL STRENGTHS

Mayor presión de bomba para romper la circulacion

Perdidas de circulacion por presion de surgencias.

Desestabilizacion de las arcillas y entrada de fluidos al pozo.

Se presenta carga de arena abrasiva por el lodo.

THIXOTROPIA Thixotropia: Debido a las laminas de

arcillas arregladas entre ellas en un posicionde energia libre.

A mayor tiempo mayor es la fuerza de YP se requiere para colocar en fluido de nuevo en movimiento de nuevo.

Gel Strength (lbs/100ft2)

Yield Point (lbs/100 ft2) S

hea

r S

tres

s

Gel Strength

Yield Point

DecreasingShear Rate

IncreasingShear Rate

Shear Rate

TIPOS DE FLUIDOS

Newtonianos

Non-Newtonianos

FLUIDOS NEWTONIANOS

El Shear stress es directamente proporcional al shear rate,

i.e., viscosity (shear stress/shear rate) is constant regardless of shear rate.

Yield Point = 0

FLUIDOS NEWTONIANOS

Si la lectura a 600 es el doble al 300, el fluido es Newtoniano

NEWTONIANO600 DR = 80300 DR = 40

SHEAR RATE

SH

EA

R S

TR

ES

S

FLUIDOS NEWTONIANOS

FLUIDOS NO-NEWTONIANOS

La viscosidad depende de la rata de esfuerzo. No existe una relación lineal. Shear thinning (as the shear rate is increased, the shear stress increases at a lower rate than that of the shear rate, making it less than a proportional increase) When in laminar flow they are thinner at high shear rates than at low shear rates

FLUIDOS NO-NEWTONIANOS

Si la lectura a 600 es menor a dos veces la lectura de 300, el fluido es shear thinning o No-Newtoniana.

NO-NEWTONIANO600 DR = 68300 DR = 40

NON-NEWTONIAN FLUIDS

SHEAR RATE

SH

EA

R S

TR

ES

S

MODELOS REOLOGICOS

Plástico de Bingham

Ley de Potencia

MODELO PLASTICO DE BINGHAM

R P M

LE

CT

UR

A D

IAL

FA

NN

300 600

40

25

10

0

600 = 40300 = 25PV = 15YP = 10

ECUACION DEL MODELO PLASTICO DE BINGHAM

F = YP + PV

PV = Viscosidad plastica YP = Yield Point R = RPM Rotary Speed F = Lectura del dial a una

velocidad R

R

300

MODELO DE LEY DE LA POTENCIA

SHEAR RATE

SH

EA

R S

TR

ES

S

n = 1

n = 0

.5n = 0

.25

k

ECUACION DEL MODELO DE LEY LA POTENCIA

F = K (RPM)n

F = Shear Stress, unidades dialRPM = Shear Rate, velocidad

bomba K = Indice de consistencia n = Indice Ley de Potencia

VALOR N

Indice de Ley de la Potencia

Indica la habilidad de un fluido para comportarse shear thinning.

A medida que “n” disminuye, el fluido se convierte mas shear thinning

VALOR DE N PARA DRILL PIPE

3.32 log (R600/R300)np =

VALOR DE N PARA EL ANULAR

na = .657 log (R100/R3)

QUE CAUSA UN INCREMENTO EN N

Remoción de solidos reactivos

Adición de diluyentes químicos

(i.e., cualquiera que reduzca el Yield Point)

QUE CAUSA LA DISMINUCION DEL N

Adición de reactivos solidos

Contaminación química

(I.e., cualquier cosa que incremente el Yield Point)

VALOR K

Índice de consistencia

Indica la viscosidad del sistema a bajos esfuerzos.

Influenciado por los viscosificantes y los sólidos en concentración.

VALOR DE K PARA EL DRILL PIPE

5.11 R300

511Kp = np

VALOR DE K PARA EL ANULAR

Ka 5.11 R3

5.11na

=

QUE CAUSA EL INCREMENTO DE LA K

Adición de tanto sólidos reactivo como sólidos no reactivos.

Contaminación química

(i.e., cualquier cosa que resulte en un incremento de la viscosidad)

QUE CAUSA LA DISMINUCION DE LA K

Remoción de los sólidos reactivos y no reactivos

Adición de químicos defloculantes

(i.e., cualquier cosa que resulte en una reducción de la viscosidad)

MODELOS REOLOGICOS

0

20

40

60

80

0 100 200 300 400 500 600

Bingham Plastic

Typical Drlg. Fluid

Power Law

Newtonian

Lecturas del dial del viscosimetro

RPM

REGIMENES DE FLUJO

DETERMINACION DEL REGIMEN DE FLUJO

Número de Reynold

Geometría del pozo

Propiedades del fluido

NUMERO DE REYNOLD

Función de:

Peso de lodo

Geometría del pozo

Rata de flujo

Viscosidad del fluido

D = Diametro Hidraulico, inV = Velocidad, ft/sec

MW = Peso lodo, lb/galm = Viscosidad, cp

RN =928 DV (MW)

m

ETAPA 1: NO FLUJO

AnularD

rill

Str

ing Formacion

ETAPA 2: FLUJO TAPON

AnularD

rill

Str

ing

Formacion

ETAPA 3: TRANSICION (TAPON A LAMINAR)

AnularD

rill

Str

ing Formacion

ETAPA 4: FLUJO LAMINAR (STREAMLINE)

AnularD

rill

Str

ing Formacion

ETAPA 5: TRANSITION (LAMINAR O TURBULENTO)

AnnulusD

rill

Str

ing Formation

ETAPA 6: FLUJO TURBULENTO

Dri

ll S

trin

g

Formacion

Anular

Desarrollo completo de corrientes de Eddy

NUMERO DE REYNOLD

< 2100 Laminar2100 - 4100 Transicional > 4100 Turbulento

Normalmente se asume flujo turbulento cuando el Numero de

Reynolds > 2100

TIPOS DE FLUJO

WaterDye Laminar Flow

WaterDye Turbulent Flow

CIRCULATING SYSTEM SHEAR RATES

Shear Rates in the Circulating System

Section Shear Rate s-1 Pressure Drop Equivalent

of Section Rheometer rpmDrill String 170 -10,000 20 - 45 100 and aboveBit 10,000 -100,000 40 - 75 NoneAnnulus 5 - 170 2 - 5 3 - 100Pits 0 - 3 n/a 0 - 3SCE* 170 - 1000 n/a 100 - 600

*Solids Control Equipment

This demonstrates the importance of low end rheologies in cleaning the annulus.

ANNULAR GEOMETRY

Surface Ca gsin

Intermediate Ca gsin

Liner

Open Hole

Drill Pipe

Drill Collars

Surface

Drill Bit

Annular Geometry

D P Ca g. .& sin

D P Liner. .&

D P Open Hole. .&

DrillCollars O Hole& .

Mud Prop

Geometries

Flow Rate

Calculate

K

value

Calculate

Bulk

Velocity

Calculate

Effective

Viscosity

Calculate

n

value

Calculate

Reynolds

Number

If Rnum 2100 If Rnum 2100Calculate

Laminar

Fric Factor

Calculate

Turbulent

Fric Factor

Calculate

Interval

P

Save

Interval

P

Calculate P for next interval until last interval calculated

After P Calculated for all intervalsTotal

Interval

Ps

Annular:

Calculate

ECD

End

SEQUENCE OF PIPE AND ANNULAR CALCULATIONS