REOLOGÍA DE LAS LECHADAS DE CEMENTO

REOLOGÍA

Reología es la ciencia que trata de la deformación y del flujo de la materia. El uso de valores reológicos en las lechadas de cemento y en el lodo de perforación nos permite calcular los siguientes parámetros:

• La velocidad anular y el caudal de bombeo necesario para conseguir un flujo tapón laminar o turbulento.

• La velocidad interior en la cañería.• Las presiones de fricción que producen la lechada y el lodo de perforación al circular a

través del pozo.• La potencia hidráulica necesaria.• El volumen de lechada, colchones lavadores, etc.

VISCOSIDAD

En su sentido más amplio, la viscosidad se puede describir como la resistencia al flujo de una sustancia. Por definición la viscosidad (μ) se pueden describir como la relación del esfuerzo de corte (τ) a la velocidad de corte (γ):

• ESFUERZO DE CORTE: Cuando un fluido está fluyendo, hay una fuerza en el fluido que se opone al flujo. Esta fuerza se llama esfuerzo de corte. Se puede describir como un esfuerzo de fricción que aparece cuando una capa de fluido se desliza encima de otra. El esfuerzo de corte (τ) representa las libras de fuerza por cien pies cuadrados (lb/100 pies2) requeridas para mantener la velocidad de corte.

• VELOCIDAD DE CORTE: La velocidad a la cual una capa pasa por delante de la otra capa se llama velocidad de corte. Por lo tanto, la velocidad de corte (γ) es un gradiente de velocidad expresada en segundos (seg-1).

TIPOS DE FLUIDOS

Basado en su comportamiento de flujo, los fluidos se pueden clasificar en dos tipos diferentes: newtonianos y no newtonianos.

• FLUIDOS NEWTONIANOS: Son todos los fluidos cuya viscosidad permanece constante a toda velocidad de corte. En estos fluidos, el esfuerzo de corte es directamente proporcional a la velocidad de corte. Los Fluidos Newtonianos típicos usados en operaciones de cementación son el agua, algunos colchones lavadores (colchones químicos), gasolina y aceites livianos.

• FLUIDOS NO NEWTONIANOS: Muchas lechadas de cemento exhiben un comportamiento No Newtoniano muy complejo. Generalmente la viscosidad es una función de la velocidad de corte y del comportamiento del corte. Se debe diferenciar entre fluidos adelgazantes, en los cuales la viscosidad decrece con el incremento de la velocidad de corte y los fluidos dilatantes donde ocurre lo inverso. De manera general podemos decir que las lechadas de cemento caen dentro de la primera categoría y los modelos reológicos más usados para describir las propiedades de la lechada son el Modelo de Ley de Potencia y el Modelo Plástico de Bingham.

Curvas de los distintos tipos de fluidos

MODELO FLUJO PLASTICO DE BINGHAM

Este modelo describe un fluido en el cual se requiere una fuerza finita para iniciar el flujo (punto cedente) y que luego demuestra una viscosidad constante cuando la velocidad de corte aumenta (viscosidad plástica). La ecuación para el modelo de Flujo Plástico de Bingham es la siguiente:

τ = YP + PV ×γ

Dónde:

τ = Esfuerzo de corte

YP = Punto cedente o esfuerzo de corte a una velocidad de corte de cero (intersección de Y)

PV = Viscosidad plástica o tasa de aumento del esfuerzo de corte con el aumento de la velocidad de corte (pendiente de la línea)

γ = velocidad de corte

MODELO FLUJO DE LA LEY DE POTENCIA O LEY EXPONENCIA

Este modelo describe un fluido en el cual el esfuerzo de corte aumenta según la velocidad de corte elevada matemáticamente a una potencia determinada. Matemáticamente, el modelo de Ley Exponencial se expresa como:

τ = K ×γ n

Dónde:

τ = Esfuerzo de corte

K= Índice de consistencia

γ = Velocidad de corte

n = Índice de Ley Exponencial

MODELO DE CASSON

Este modelo da una buena descripción de las características reológicas de los fluidos de perforación. A altas temperaturas y bajas presiones la aproximación se hace más pobre. La relación que los caracteriza es:𝜏 1 2 = 𝜏𝑦 1 2 + 𝜇𝑝 𝛾 1 2 (Esta fórmula tengo que

acomodarla)

MODELO FLUJO DE HERSCHEL BULKLEY

Un fluido descrito por un modelo reológico de tres parámetros. Un fluido Herschel-Bulkley puede describirse matemáticamente de la siguiente manera:

τ = τ0 + k(γ)n

Dónde:

τ = esfuerzo cortante

τ0 = límite de esfuerzo

k = consistency factor

γ = velocidad de corte

n = índice de flujo.

La ecuación de Herschel-Bulkley es preferida antes que la ley de potencia o las relaciones de Bingham porque da como resultado modelos más precisos de comportamiento reológico cuando se dispone de datos experimentales adecuados. La tensión de fluencia se toma normalmente como la lectura de 3 rpm, calculando luego los valores n y k a partir de los valores de 600 o 300 rpm o gráficamente.

Según API (American Petroleum Institute) este es el modelo recomendado para utilizar debido a los valores arrojados son los más cercanos a la realidad, el mismo será introducido en la normativa de determinación de los parámetros reológicos en la normal API-13.

En este modelo los parámetros “𝑛” y “𝑘” se definen igual que en Ley de Potencia. Como casos especiales se tienen que el modelo se convierte en Plástico de Bingham cuando 𝑛 = 1 y en Ley de Potencia cuando 𝜏𝑦 = 0.

MODELO DE ROBERTSON–STIFF

Fue presentado en 1979 como un modelo hibrido de los modelos Ley de Potencia y Plástico de Bingham para representar lechadas de cemento y lodos. La ecuación que lo caracteriza es: 𝜏 = 𝑘 𝛾 𝑜 + 𝛾 𝑛 El parámetro 𝛾 𝑜 es considerado como una corrección a la tasa de corte, de modo que 𝛾 + 𝛾 𝑜 representa la tasa de corte requerida por un fluido seudo-plástico puro para producir el esfuerzo de cedencia del modelo de Bingham. Los parámetros “𝑛” y “𝑘” se definen igual que en Ley de Potencia. Los modelos ya mencionados dependen de ciertos parámetros para ser calculados.

PERFILES DE FLUJO

FLUJO TAPON O LAMINAR BAJO: La literatura justifica con muchos argumentos que el tipo de flujo aconsejable para la cementación de un pozo es el flujo turbulento, pero hay situaciones donde no es posible conseguir flujo turbulento por razones como:

• Geometría del pozo.• Propiedades reológicas del fluido.• Restricciones de presión.

Cuando se presentan estas situaciones el tipo de fluido recomendado es el tapón, el cual presenta las siguientes características:

• Velocidad de flujo muy baja.• Perfil de velocidad recto y ordenado.• Bajos esfuerzos de corte sobre el fluido.

FLUJO LAMINAR: Las características principales presentadas por este perfil de flujo son:

• Velocidad de flujo moderada.• El fluido fluye en línea recta y en paralelo al centro de la cañería.• La velocidad del fluido en la pared de la cañería es cero.• Máxima velocidad en el centro de la cañería.• Genera moderado esfuerzo sobre el fluido.

Se caracteriza por tener un perfil de velocidad parabólico, con máxima velocidad en las capas intermedias del fluido y casi cero en los extremos. Debido a la pobre velocidad en los extremos no es aconsejable este régimen para tratar de desplazar el lodo ya que no es efectivo para remover el revoque o lodo gelificado depositado en las paredes de la formación. En la tecnología de fluidos de perforación es importante ese perfil de velocidad para perforar, ya que permite la creación del revoque en las paredes de la formación, necesario para controlar y estabilizar al pozo.

FLUJO TURBULENTO: Las características principales presentadas por este perfil de flujo son:

• Velocidades de flujo altas.• Perfil recto de velocidades, pero con movimientos caóticos (forma de remolinos).• Punto de velocidad máximo indefinible.• Genera un máximo esfuerzo sobre el fluido.

Este tipo de perfil es el preferido siempre y cuando las condiciones de fondo de pozo lo permitan, muchas veces hay que disminuir las propiedades reológicas de las lechadas de cemento, agregando aditivos que reducen las perdidas por fricción, etc.

TRANSICION ENTRE FLUJOS

El Número de Reynolds es un valor, el cual nos indica en qué punto existe la transición de un perfil de flujo a otro, según determinadas circunstancias. La velocidad critica de un fluido es la velocidad particular a la cual el flujo cambia de laminar a turbulento o viceversa.

NRE <>

100 <>

NRE > 3000 “Flujo Turbulento”

En el rango entre 2100 a 3000 no se puede definir con precisión el perfil de flujo y este punto se conoce como zona de transición. Cuando se cementa en flujo tapón la mayoría de los trabajos indican que solo se puede remover el 60 % del lodo, sin embargo si se han tenido buenos pre-flujos, se puede conseguir mas de un 95 % de remoción de lodo. Según estudios, se puede constatar que con flujo turbulento se pueden conseguir remociones de lodo mayores al 95 %.

CEMENTOS ESPECIALES (ME FALTA INFORMACION)

PROCEDIMEINTOS O TECNICAS DE CEMENTACION DE POZOS (ME FALTA INFORMACION)

REGISTROS DE EVALUACION

CBL – Registro de Adherencia del Cemento Introducción Una vez cementada la tubería de revestimiento es necesario verificar la calidad de la cementación para saber si las diferentes zonas están debidamente aisladas. Así se constata que no existe comunicación a través del espacio anular comprendido entre el revestidor y la formación. El Registro CBL es uno de los registros de cementación que se emplea en la industria para evaluar el estado de la cementación en la tubería. En esta parte del manual se va a exponer los siguientes tópicos:

Teoría sobre la transmisión de la onda sonora

Fundamentos de medición del Registro CBL

Teoría sobre la transmisión de la onda sonora En el estudio de los fundamentos básicos de los perfiles CBL / VDL se ha podido clasificar dos tipos de ondas:

Ondas compresionales u ondas P (primarias): La dirección de propagación de este tipo de ondas es la misma que la de desplazamiento de las partículas del medio por donde se transmiten las ondas, las partículas vibran hacia delante y hacia atrás en forma alternada y repetida, como se observa en la figura 5-1, los medios pueden estar en estado sólido, líquido o gaseoso. Por lo tanto, las ondas P pueden ser transmitidas por cualquier medio, sólido, líquido o gaseoso.

Ondas transversales u ondas S (secundarias): Como se muestra en la figura 5-2, la dirección de propagación es perpendicular a la dirección de desplazamiento o de vibración de las partículas del medio por donde se transmiten las ondas, las partículas 5-3 suben y bajan en forma alternada y repetida, los medios en estado líquido o gaseoso, por no tener la suficiente rigidez, no pueden transmitir este tipo de onda. Por lo tanto, las ondas S se transmiten solamente en medio sólido.

Energía acústica: La energía acústica de una onda sónica se relaciona con la amplitud de la onda, una onda de gran amplitud tiene energía acústica alta o viceversa.

Atenuación: La atenuación de una onda sónica es la reducción de la amplitud (energía) sufrida por ella en su propagación a través de un medio. La atenuación de una onda sónica puede deberse a muchos factores, sin embargo, la onda sonora que vieja por la tubería de revestimiento en un pozo revestido, se debe principalmente al material situado alrededor del revestidor. Si el material o cemento situado alrededor del tubo es sólido y bien adherido a él, la atenuación será máxima, en cambio, si el material alrededor del revestidor no es sólido o no está adherido al mismo, la atenuación, es decir, la pérdida de energía es mucho menor.

Fundamentos de medición del Registro CBL

En el dispositivo CBL, los pulsos sónicos emitidos alternadamente por un transmisor a una rata de 15 a 60 por segundo, son detectados por un receptor colocado a algunos pies del transmisor. Los pulsos sónicos son transmitidos por el fluido de perforación hasta el revestidor, a través del cual se propagan hasta el receptor con la velocidad del sonido en el acero, como se observa en la figura 5-3. Los pulsos sónicos detectados por el receptor es del tipo compresional u ondas P, ya que es el tipo de ondas que pueden viajar en medios que estén en cualquier estado, líquido, gaseoso y sólido. La propagación del frente de onda a lo largo de la tubería causa una continua transferencia de energía del frente de onda al cemento, si éste está bien adherido al tubo, debido a la atenuación de la onda sónica. En cambio, si el cemento no está bien adherido a la tubería o no es sólido, la atenuación es mucho menor. La figura 5-4 muestra la onda completa que llega al receptor señalando que la amplitud del primer impulso de onda es medida continuamente por el

receptor del dispositivo, luego es enviada a través del cable a la superficie donde es representada en forma de una curva. La escala del perfil es en milivoltios y está relacionada con la amplitud de la onda medida, una lectura en milivoltios baja indica pequeña amplitud de onda, o sea baja energía porque ha sido muy atenuada, lo cual se traduce en buena adherencia del cemento a la tubería. Entonces una lectura alta indica que la adherencia entre la tubería y el cemento es pobre, mala cementación.