TP N 2: Conceptos y definiciones de Mecnica de los fluidos

La Mecnica de los Fluidos se ocupa del estudio de los fluidos en movimiento o en reposo y los efectos consiguientes sobre los contornos, que pueden ser una superficie slida u otro fluido. (Mecnica de los Fluidos, Frank M. White, Ed. McGraw Hill)1. Concepto de fluido.1. Presin y gradiente de presin.1. Equilibrio hidrosttico.1. Concepto de densidad.1. Concepto de reologa. Propiedades reolgicas.1. Concepto de viscosidad. 1. Concepto de Tixotropa. 1. Concepto de velocidad de sedimentacin. Ley de Stokes.1. Concepto de velocidad ascensional y velocidad total.

1. Concepto de fluido.

Un Fluido se define como una sustancia que cambia su forma continuamente siempre que est sometida a un esfuerzo cortante o tangencial, sin importar cuan pequeo seaLos fluidos estn conformados por los lquidos y los gases, siendo los segundos mucho menos viscosos (casi fluidos ideales). Son compresibles pues su volumen se reduce al ser comprimidos o presionados. Sin embargo son fluidos no compresibles los que soportan la fuerza de compresin del mismo modo que los cuerpos slidos. Los lquidos sufren escasa deformacin a la compresin, mientras que los gases son fluidos compresibles, estudiados por la termodinmica.En el caso de un fluido de perforacin su funcin bsica es controlar las presiones de la formacin para garantizar una operacin de perforacin segura.El fluido de perforacin o lodo como comnmente se le llama, puede ser cualquier sustancia o mezcla de sustancias con caractersticas fsicas y qumicas apropiadas, como por ejemplo: aire o gas, agua, petrleo o combinaciones de agua y aceite con determinado porcentaje de slidos.Este no debe ser txico, corrosivo, ni inflamable, pero s inerte a las contaminaciones de sales solubles o minerales y estable a las altas temperaturas. Adems, debe mantener sus propiedades segn las exigencias de las operaciones y debe ser inmune al desarrollo de bacterias.

2.Presin y gradiente de presin.Presin: es una propiedad fundamental de los fluidos estticos y puede definirse como la fuerza que ejercen en las paredes del recipiente que lo contiene. Esta presin se mantiene en cualquier punto dentro del mismo.Gradiente de presin: es la variacin de presiones generada por una diferencia de altura y se expresa como, la fuerza que ejerce un fluido segn el pie (ft) de profundidad. Se mide en libras por pulgada cuadrada por pie (psi/ft) o bar por metro (bar/m).

3.Equilibrio hidrosttico. En una masa estacionaria conformada por un solo fluido, el equilibrio hidrosttico se da cuando la presin se mantiene constante en cualquier seccin transversal del fluido. La presin ejercida por la columna de fluido de perforacin mientras est esttica (no circulando) se llama presin hidrosttica y depende de la densidad (peso del lodo) y de la Profundidad Vertical Verdadera (TVD) del pozo (o altura de la columna de este fluido)Si la presin hidrosttica de la columna de fluido de perforacin es igual o superior a la presin de la formacin, los fluidos de la formacin no fluirn dentro del pozo.La presin hidrosttica tambin controla los esfuerzos adyacentes al pozo y que no son ejercidos por los fluidos presentes en la formacin.

4.Concepto de densidad.Es la relacin que existe entre la masa y el volumen del fluido.Los fluidos de alta densidad facilitan la limpieza del pozo aumentando las fuerzas de flotacin que actan sobre los recortes. En comparacin con los fluidos de menor densidad, los fluidos de alta densidad pueden limpiar el pozo de manera adecuada, aun con velocidades anulares ms bajas y propiedades reolgicas inferiores. Sin embargo, el peso del lodo en exceso que se requiere para equilibrar las presiones de la formacin tiene un impacto negativo sobre la operacin de perforacin; por lo tanto, este peso nunca debe ser aumentado al limpiar el pozo.

5.Concepto de reologa. Propiedades reolgicas.Reologia: Ciencia centrada en el anlisis de los principios que determinan cmo se mueven los fluidos, como la deformacin y el flujo de los mismos.Propiedades reolgicas: Las propiedades reolgicas se definen a partir de la relacin existente entre fuerza o sistema de fuerzas externas y su respuesta, ya sea como deformacin o flujo. Todo fluido se va deformar en mayor o menor medida al someterse a un sistema de fuerzas externas. Las ms importantes a destacar son la viscosidad y la resistencia de gel de un lodo. La medicin de las propiedades reolgicas de un lodo es importante en el clculo de: Las prdidas de presin por friccin. Para determinar la capacidad del lodo para elevar los recortes y desprendimientos a la superficie. Para analizar la contaminacin del fluido por slidos, sustancias qumicas y temperatura. Para determinar los cambios de presin en el interior del pozo durante un viaje.

6.Concepto de viscosidad. La viscosidad se puede definir como la resistencia interna de un fluido a fluir o circular.La viscosidad y las propiedades reolgicas de los fluidos de perforacin tienen un efecto importante sobre la limpieza del pozo. Los recortes se sedimentan rpidamente en fluidos de baja viscosidad (agua, por ejemplo) y son difciles de circular fuera del pozo. En general, los fluidos de mayor viscosidad mejoran el transporte de los recortes. La mayora de los lodos de perforacin son tixotrpicos, es decir que se gelifican bajo condiciones estticas. Esta caracterstica puede suspender los recortes mientras que se efectan las conexiones de tuberas y otras situaciones durante las cuales no se hace circular el lodo. Los fluidos que disminuyen su viscosidad con el esfuerzo de corte y que tienen altas viscosidades a bajas velocidades anulares han demostrado ser mejores para una limpieza eficaz del pozo.

Entre esta propiedad, podemos destacar: Viscosidad de embudo (o de Marsh)

Sirve para comparar la fluidez de un lquido con la del agua. El nico beneficio que tiene esta tipo de viscosidad, es el de suspender la roca de formacin en el espacio anular, cuando el flujo es laminar.Es recomendable evitar las altas viscosidades y perforar con la viscosidad embudo ms baja posible, siempre y cuando, se tengan valores aceptables de fuerzas de gelatinizacin y un control sobre el filtrado. Un fluido contaminado exhibe alta viscosidad embudo.

Embudo Marsh: El embudo se utiliza para determinar la viscosidad del fluido en segundos por cuarto de galn. Es determinada con el Embudo Marsh, y sirve para comparar la fluidez de un lquido con la del agua.

Viscosidad plstica

Es la viscosidad que resulta de la friccin mecnica entre: Slidos Slidos y lquidos Lquido y lquidos

Esta viscosidad depende de la concentracin, tamao y forma de los slidos presentes en el fluido, y se controla con equipos mecnicos de Control de Slidos. Este control es indispensable para mejorar el comportamiento reolgico y sobre todo para obtener altas tasas de penetracin (ROP).

Una baja viscosidad plstica sumada a un alto punto cedente permite una limpieza efectiva del pozo con alta tasa de penetracin.

7.Concepto de Tixotropa. La tixotropa es una propiedad de ciertos fluidos que permiten formar una estructura de gel cuando estos estn estticos, regresando luego al estado de fluido cuando se aplica un esfuerzo de corte. La mayora de los lodos de perforacin son tixotrpicos. Esta caracterstica puede suspender los recortes mientras que se efectan las conexiones de tuberas y otras situaciones durante las cuales no se hace circular el lodo.La resistencia del gel formado depende de la cantidad y del tipo de slidos en suspensin, del tiempo, de la temperatura y del tratamiento qumico

8.Concepto de velocidad de sedimentacin. Ley de Stokes.

La velocidad a la cual un recorte se sedimenta en un fluido se llama velocidad de cada o de sedimentacin. La velocidad de cada de un recorte depende de su densidad, tamao y forma, y de la viscosidad, densidad y velocidad del fluido de perforacin.Ley de Stokes:La Ley de Stokes se refiere a la fuerza de friccin experimentada por objetos esfricos movindose en el seno de un fluido viscoso en un rgimen laminar de bajo nmero de Reynolds.Un cuerpo que cumple la ley de Stokes se ve sometido a dos fuerzas, la gravitatoria y la de arrastre. En el momento que ambas se igualan su aceleracin se vuelve nula y su velocidad constante.

Segn su frmula, la velocidad de cada de los recortes en el fluido es inversamente proporcional a su viscosidad, y por tanto, la capacidad de arrastre lo es directamente.

Donde: V= Velocidad de cada o de sedimentacin (pie/seg) d= Dimetro del slidos (pies) s= Densidad del Slido (lb/pie3) l= Densidad del liquido (lb/pie3) g= Constante de Gravedad (pie/seg2) (32.2 pie/seg2) = Viscosidad del liquido (Cp)Se concluye de analizar la ecuacin que la velocidad de sedimentacin de cada partcula es: Proporcional al cuadrado de su tamao. Proporcional a la diferencia entre la densidad de la partcula y del medio. Es nula cuando ambas densidades se igualan. Tiende a infinito cuando la viscosidad del medio tiende a cero. Proporcional a la aceleracin a la cual la partcula est sometida.Esta ley tambin es importante para la compresin del movimiento de microorganismos en un fluido, as como los procesos de sedimentacin debido a la gravedad de pequeas partculas y organismos en medios acuticos. Es usado, adems, para determinar el porcentaje de granulometra muy fina de un suelo mediante el ensayo de sedimentacin.

9.Concepto de velocidad ascensional y velocidad total.