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Practica de reologia y toxitropia (página 2)

Enviado por JONATHAN



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Tixotropía

La tixotropía, es una propiedad, pero específicamente de algunos fluidos, fluidos no newtonianos y pseudoplásticos consiste en que estos pierden su resistencia, o disminuyen su viscosidad al someterlos a una tensión cortante (cizalla) a medida que pasa el tiempo. La palabra proviene del griego, "thixis" de tocar y "tropos", de convertir. Por ejemplo este sometimiento al esfuerzo puede darse al amasar una arcilla tixotrópica a medida que la amasamos va perdiendo viscosidad hasta que queda prácticamente liquidad, y por el contrario, si la dejamos allí sin intervenir tiende a ponerse sólida. Un típico ejemplo de estos son los desprendimientos y desplazamientos de tierra (cuando esta es rica en este tipo de arcilla) tras un terremoto el movimiento hace que la arcilla se vuelva maleable y dada a moverse, junto con la tierra, ocasionando en ocasiones grandes daños. También la miel de abejas bajo ciertas condiciones, tiende a ser tixotrópica.

Algunos geles y coloides se consideran materiales tixotrópicos, pues muestran una forma estable en reposo y se tornan fluidos al ser agitados. Variedades modernas de recubrimientos alcalinos, de látex y pinturas son materiales por lo general tixotrópicos que no caen de la brocha del pintor pero se pueden aplicar fácil y uniformemente pues el gel se liquidifica cuando se aplica. La salsa de tomate es frecuentemente tixotrópica.

Principales propiedades reológicas y parámetros que definen y deben controlarse en los lodos de perforación

Densidad

Define la capacidad del lodo de ejercer una contrapresión en las paredes de la perforación, controlando de este modo las presiones litostática e hidrostática existentes en las formaciones perforadas. Se determina pesando en una balanza un volumen conocido de lodo. La escala de la balanza (Baroid) da directamente el valor de la densidad del lodo. La densidad de los lodos bentoníticos puede variar desde poco más de la unidad hasta 1,2 aproximadamente. Para conseguir densidades mayores y que el lodo siga siendo bombeable, es preciso añadir aditivos como el sulfato bárico (baritina) que tiene una densidad comprendida entre 4,20 y 4,35, lográndose lodos con densidades de hasta 2,4. Otros aditivos para aumentar la densidad, aunque menos usados, son la galena (7,5), con cuya adición se pueden alcanzar densidades análogas a la de la baritina, el carbonato cálcico (2,7) o la pirita (5). Para rebajar la densidad será preciso diluir el lodo mediante la adición de agua.

En los lodos preparados para perforar pozos para agua, las densidades oscilan entre 1,04 y 1,14 sin que sean más eficaces cuando se sobrepasa esta cifra e incluso pueden aparecer problemas de bombeo y peligro de tapar con ellos horizontes acuíferos. Además, el aumento de la densidad del lodo no tiene un efecto grande en el mantenimiento de las paredes del pozo, más bien, es mayor la influencia de sus propiedades tixotrópicas y la adecuación de los restantes parámetros a la litología y calidad de las aguas encontradas. Si hubiera que controlar, por ejemplo sugerencias, la densidad puede incrementarse mediante adición de aditivos pesados. La densidad tiene una influencia directa en la capacidad de extracción del detritus, pues al regirse, de forma aproximada por la ley de Stokes es proporcional a la densidad del flujo considerado.

Viscosidad

Es la resistencia interna de un fluido a circular. Define la capacidad del lodo de lograr una buena limpieza del útil de perforación, de mantener en suspensión y desalojar los detritus y de facilitar su decantación en las balsas o tamices vibrantes.

En los bombeos, a doble viscosidad será necesaria una doble potencia. Según la fórmula de Stokes, la velocidad de caída del detritus en el fluido es inversamente proporcional a su viscosidad, y por tanto, la capacidad de arrastre lo es directamente.

Es preciso adoptar, por tanto, una solución de compromiso: viscosidad no muy grande para que el lodo sea fácilmente bombeable, pero no tan pequeña que impida al lodo extraer el detritus producido.

La viscosidad del lodo se determina a pie de sondeo mediante el denominado "embudo Marsh", y según normas API, expresándose por el tiempo (en segundos) que tarda en salir por un orificio calibrado un determinado volumen de lodo. Para la perforación de pozos, la viscosidad óptima suele oscilar entre 40 y 45 segundos, preferentemente alrededor de 38 (la viscosidad Marsh es aproximadamente de 26 s). La medida de la viscosidad debe realizarse con lodo recién agitado.

Para cálculos más precisos se determina la viscosidad en laboratorio utilizando el "viscosímetro Stomer" y expresando los datos en centipoise. Las medidas tienen que estar referenciadas con respecto a la temperatura del lodo (el agua a 29ºC tiene una viscosidad de 1 centipoise).

Ciertas arcillas presentan propiedades tixotrópicas (p. ej., las suspensiones bentoníticas). Cuando las arcillas tixotrópicas se agitan, se convierte en un verdadero líquido, es decir, pasan de "gel" a "sol". Si a continuación se las deja en reposo, recuperan la cohesión y el comportamiento sólido. Para que una arcilla tixotrópica muestre este comportamiento deberá poseer un contenido en agua próximo a su límite líquido. En cambio, en torno a su límite plástico, no existe posibilidad de comportamiento tixotrópico.

Gracias a esta propiedad, independiente de la densidad, los lodos colaboran en el mantenimiento de las paredes de la perforación, incluso en formaciones de baja cohesión, al tiempo que ayudan a mantener el detritus en suspensión al interrumpirse la circulación de los mismos (extracción del varillaje, averías de la bomba o del circuito, etc.) evitando en buena parte que se depositen sobre el útil de perforación y lo bloqueen. Para que un lodo bentonítico pase de sol a gel inmediatamente después de dejarlo de agitar, se requieren concentraciones del orden del 20% en peso. Hasta concentraciones del 3%, prácticamente no gelifica, haciéndolo algún tiempo después de haberse detenido la agitación para concentraciones comprendidas entre el 5-10%. Estas últimas son las que normalmente se utilizan para lodos de perforación.

La medida de la tixotropía puede hacerse valiéndose de un viscosímetro rotativo, generalmente de "tipo Stormer". Mediante este instrumento se determina el peso necesario, en gramos, para que comiencen a girar las aspas, para un gel recién agitado (gel 0), y el peso necesario para que ocurra lo mismo con un lodo, 10 minutos después de haber terminado su agitación (gel 10). La diferencia en peso (expresada en gramos) entre el gel 0 y el gel 10, indica, a "grosso modo", el grado de tixotropía del lodo. La experiencia con lodos tixotrópicos de buenas características para su empleo en perforaciones, aconseja como valores adecuados para la tixotropía, los siguientes:

  • gel en el minuto 0 ................ 8 a 10 g

  • gel en el minuto 10.............. 40 a 50 g

PH

Las condiciones de equilibrio químico de un lodo marcan la estabilidad de sus características. Una variación sustancial del pH debida por ejemplo a la perforación de formaciones evaporíticas, salinas, calcáreas u horizontes acuíferos cargados de sales, puede provocar la floculación del lodo, produciéndose posteriormente la sedimentación de las partículas unidas.

La estabilidad de la suspensión de bentonita en un lodo de perforación es esencial para que cumpla su función como tal, por lo que será necesario realizar un continuo control del pH. Esto se puede llevar a cabo mediante la utilización de papeles indicadores (sensibilidad alrededor de 0,5 unidades) sin necesidad de recurrir a pH-metros, ya que son delicados para usarlos de forma habitual en el campo. En general, un lodo bentonítico es estable cuando su pH está comprendido entre 7 y 9,5, aproximadamente, precipitando fuera de este intervalo. Para corregir y mantener el pH dentro de los límites adecuados se pueden utilizar diferentes productos.

Contenido de arenas

Un lodo de perforación en buenas condiciones debe presentar un contenido en fracciones arenosas prácticamente nulo (inferior al 2-3%). Si para su fabricación se usan productos de calidad, debe estar exento de arena. Sin embargo, a lo largo de la perforación y especialmente en acuíferos detríticos, es inevitable que a medida que avance la perforación, el lodo se va a ir cargando en arena, empeorando sus condiciones. Se ha comprobado que con contenidos de arena superiores al 15%, los lodos sufren un incremento "ficticio" de la densidad, repercutiendo en la viscosidad y la tixotropía. Además, el contenido en arena resulta especialmente nocivo para las bombas de inyección al desgastarlas prematuramente.

Para combatir estos efectos se disponen desarenadores. La forma más elemental consiste en dejar decantar en una balsa el lodo que retorna a la perforación, aspirándolo nuevamente en otra a la que ha llegado de la anterior por un rebosadero de superficie. Procedimientos más rápidos y eficaces, y a la larga menos costos, son las cribas vibratorias y los desarenadores centrífugos (ciclones).

El control del contenido en arena se realiza mediante tamices normalizados, más concretamente, el tamiz 200 (200 hilos por pulgada, equivalente a 0,074 mm, 74 micras), expresándose en porcentajes. En un lodo se considera arena a la fracción fina que pasa por este tamiz. Para determinar la cantidad de arena que contiene, se toma una muestra de lodo de 100 cm3, pasándola por la malla del tamiz 200. El residuo retenido sobre el tamiz después del lavado con agua, se vierte en un tubo de cristal graduado en %, de 100 cm3 de volumen, expresándose el contenido de arena por la lectura correspondiente. Existe un dispositivo específico denominado "tamiz Baroid o elutriómetro", en el que el tamiz va intercalado entre un recipiente de volumen determinado y una probeta transparente graduada en porcentajes.

Modelo plástico de Bingham

Es el modelo reológico mas empleado en el campo por su simplicidad, ya que provee una base excelente para el tratamiento de lodo. Se utiliza un viscosímetro de dos velocidades 600 y 300 rpm cuyos valores se grafican en el papel de coordenadas rectangulares, se unen estos dos puntos obteniéndose una recta cuyos puntos de intersección con el eje vertical corresponde al punto cedente y la pendiente de la recta corresponde a la viscosidad plástica.

Ecuación de la recta:

Lectura del radial = PC + VP/L300

VP = L600 – L300PC = L300 –VP

Desventajas del modelo:

  • Limitado a dos velocidades (300 y 600 rpm)

  • En lodos dispersos se obtiene a bajas tasas de corte, valores de esfuerzos de corte mayores a los que realmente deben ser.

  • Este modelo no describe el comportamiento de los fluidos de perforación a bajas velocidades de corte.

  • Su representación  grafica  es una recta, lo cual  no es  representativo  del comportamiento del lodo a través del anular.

Metodología

Equipos y sustancias utilizadas en la práctica:

  • Balanza

  • Viscosímetro rotacional

  • Cronometro

  • Viscosímetro Fann

  • Calibrador

  • Baker

  • Agua

  • Bentonita

  • Barita

Depositar el lodo recientemente agitado en el recipiente; después colocarlo bajo el aparato y sumergir el rotor exactamente hasta la marca, se pone en marcha el motor y se coloca en su posición más baja; el botón que acciona la caja de velocidades para obtener la más alta velocidad (600 rpm) y se coloca el interruptor en posición HIGH, se mantiene la agitación durante 10 a 15 seg hasta obtener una lectura constante en el dial y se anota el valor, colocar el interruptor en posición LOW para obtener baja velocidad, el valor constante de esta es la lectura a 300 rpm, el valor resultante de la resta de las lecturas a 600 y 300 rpm se expresa como viscosidad plástica ( V.P.) y como punto cedente en lbs. / 100`2. Para medir la resistencia gel se agita el lodo durante 10 seg a 600 rpm, se coloca el botón en 3 rpm se para el motor por un tiempo de 10 seg luego se enciende y se registra la lectura máxima del dial como resistencia inicial del mismo, luego de medir la resistencia inicial se agita la muestra con el motor a 600 rpm y se deja en reposo por 10 min, se hace girar el motor y se lee la deflexión del dial. Este valor se reporta como resistencia gel a los 10 minutos.

Discusión de resultados

Como se a estudiado en el laboratorio anteriormente el lodo de perforación es un fluido de características químicas y físicas apropiadas, que puede ser aire o gas, agua, petróleo y combinaciones de agua y aceite con diferente contenido de sólidos. No debe ser tóxico, corrosivo ni inflamable, pero sí inerte a las contaminaciones de sales solubles o minerales y además, estable a altas temperaturas. Debe mantener sus propiedades según las exigencias de las operaciones y debe ser inmune al desarrollo de bacterias. El objetivo principal que se desea lograr con un lodo de perforación, es garantizar la seguridad y rapidez del proceso de perforación, mediante su tratamiento a medida que se profundizan las formaciones de altas presiones, la circulación de dicho fluido se inicia al comenzar la perforación y sólo debe interrumpirse al agregar cada tubo, o durante el tiempo que dure el viaje que se genere por el cambio de la mecha.

Así como es de vital importancia para:

  • Transportar los Ripios de Perforación, Derrumbes o Cortes desde el Fondo del Hoyo hasta la Superficie.

  • Controlar las Presiones de la Formación.

  • Limpiar, Enfriar y Lubricar la Mecha y la Sarta de Perforación.

  • Prevenir Derrumbes de Formación Soportando las Paredes del Hoyo.

  • Suministrar un Revoque liso, delgado e impermeable para proteger la p de la formación.

  • Ayudar a Soportar, por Flotación, el Peso de la Sarta de Perforación y del Revestimiento.

  • Transmitir la Potencia Hidráulica a la Formación por Debajo de la Mecha.

La medida de la tixotropía puede hacerse valiéndose de un viscosímetro rotativo, generalmente de "tipo Stormer". Mediante este instrumento se determina el peso necesario, en gramos, para que comiencen a girar las aspas, para un gel recién agitado (gel 0), y el peso necesario para que ocurra lo mismo con un lodo, 10 minutos después de haber terminado su agitación (gel 10). La diferencia en peso (expresada en gramos) entre el gel 0 y el gel 10, indica, a "grosso modo", el grado de tixotropía del lodo. La experiencia con lodos tixotrópicos de buenas características para su empleo en perforaciones, aconseja como valores adecuados para la tixotropía, los siguientes:

  • gel en el minuto 0 ................ 8 a 10 g

  • gel en el minuto 10 .............. 40 a 50 g

De lo antes menciona se concluye que el lodo desarrollado en el laboratorio es adecuado para el uso exigido en el laboratorio, para la perforación en campo porque su concentración como lodo Bentónico esta en el rango del 3% al 20%.

Conclusión

La reología estudia la capacidad, el comportamiento del flujo y la deformación de fluidos. A través de la determinación de la realogia se conoce las propiedades mecánicas de los gases, líquidos, plásticos, sustancias asfálticas y materiales cristalinos. Esta se ve afectada por factores tales como: la presión, la temperatura y el tiempo, los cuales cada uno cumplen una función específica en este caso a los lodos base agua la presión afecta muy poca la reología del mismo. La reología de un lado depende de la temperatura, ya que la viscosidad decrece por medio de esta, ocasionando la perdida de propiedades reológicas.

Por otra parte el tiempo afecta a esta en los fluidos, ya que si se invierten el orden de las lecturas pueden alterarse los resultados.

Bibliografía

P. Y. Julien y Y. Lan, "Rheology of Hyperconcentrations", Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.

117, No. 3, 346-353 (1991).

J. S. O"Brien y P. Y. Julien, "Laboratory Analysis of Mudflow Properties", Journal of Hydraulic Engineering,

ASCE, Vol. 114, No. 8, 877-887 (1988).

yacimientos-de-gas-condensado.blogspot.com/.../funciones-del-fluido-de-perforacion.html internet.

 

 

 

Autor:

Herrera, Jonathan

Mora, Víctor

Parra, Milangela

Lopez, Luis

Barcelona, 21 de Enero del 2.011

Prof.: Romero, Miguel

INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA

DE ADMINISTRACIÓN INDUSTRIAL

SEDE BARCELONA

LABORATORIO DE PETRÓLEO

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