Mecánica de fluidosEs importante que el ingeniero petrolero tenga un estudio de hidráulica. El punto más importante por el cual la mecánica de fluidos es esencial en la ingeniería petrolera, es porque el petróleo, el gas, agua, aceite y esos elementos relacionados con la producción, son fluidos. En la industria petrolera, se manejan los fluidos a través de tuberías y la dinámica de fluidos estudia el comportamiento de fluidos en caudales, tuberías, etc. En este trabajo incluí algunos artículos y conceptos que considero importantes acerca de la mecánica de fluidos en la industria petrolera como: flujo lineal, flujo turbulento, ecuación de Darcy, propiedades de fluidos petroleros, lodos de perforación, Reología, fluidos Newtonianos, fluidos no newtonianos, inyección de gas, bombeo, reventones, presión hidrostática, etc. En diversos artículos que leí para realizar este trabajo, hablaban mucho acerca de la inyección de gas, esto es un punto importantísimo, pues la inyección de gas en yacimientos petrolíferos ha sido una técnica empleada desde finales del siglo XIX con propósitos de recuperación secundaria El objetivo principal de la inyección de gas es mantener la presión a cierto valor o suplementar la energía natural del yacimiento. El primer caso se conoce como mantenimiento total de presión y el segundo, como mantenimiento parcial. Ambos dan lugar a un incremento del recobro de petróleo, a una mejora en los métodos de producción y a la conservación del gas. A diferencia de la inyección de agua donde solamente ocurre un desplazamiento inmiscible, en el proceso de inyección de gas puede darse, tanto un desplazamiento miscible como un desplazamiento inmiscible. Este capítulo sólo tratará lo relativo al desplazamiento inmiscible de petróleo. La inyección de gas en un yacimiento de petróleo se realiza bien sea dentro de la capa de gas si ésta existe o, directamente, dentro de la zona de petróleo. Cuando existe una capa de gas originalmente en el yacimiento, o cuando se ha ido formando una por segregación durante la etapa primaria, el gas inyectado ayuda a mantener la presión del yacimiento y hace que el gas de la capa entre en la zona de petróleo y lo empuje hacia los pozos productores. Si la inyección se realiza en un yacimiento sin capa de gas, el gas inyectado fluye radialmente desde los pozos inyectores y empuja el petróleo hacia los pozos productores3. El gas que se inyecta es, generalmente, un hidrocarburo. Los principales requerimientos hidráulicos para un fluido de perforación son: la limpieza del fondo y acarreo de recortes, las funciones del fluido, etc. Es importante conocer de los fluidos de perforación ya que es esencial para la determinación de propiedades físicas óptimas para obtener mejores condiciones. Un depósito de petróleo no es simplemente un lago de petróleo. Mas bien el petróleo esta dentro de material poroso, pero por su viscosidad fluye muy despacio. El estudio de este flujo es de lo más importante, porque determina cuanto del petróleo, que existe en un depósito se puede extraer. Desde hace mucho se sabe que una extracción muy lenta Importancia de la mecánica de fluidos en la industria petrolera pero luego vienen los métodos secundarios. componentes que no reaccionan Arena sílice. * Compresibilidad del Gas (Cg). caliza. * Densidad de Gas (ρg). Un fluido fluirá a través de un conducto de manera laminar o turbulenta. * Relación Gas-Petróleo de Producción (Rp). Normalmente estos consisten en bombear agua en un lado del campo petrolero para presionar el petróleo de salir del otro lado. surfactantes y otros reactivos. Esta clasificación es necesaria para análisis de hidráulica en cuestión de circulación del fluido. dolomita. etc. * Gravedad Específica del Petróleo (Ɣo). agentes reductores de filtrado. barita Diversos Dispersantes. La mecánica de fluidos en sistemas capilares desordenados es lo más importante para la industria petrolera. patrones de flujo del fluido y pérdidas de presión por la circulación del fluido.Mecánica de fluidos aumenta el resultado. * Factor de Compresibilidad (Z). Entre las propiedades de los fluidos. tenemos: *Gravedad Específica de Gas (Ɣg). Pero si el agua encuentra un camino del pozo de inyección al pozo de extracción ya no sale petróleo. * Factor Volumétrico de Formación del Gas (βg). obturantes. * Factor Volumétrico de Formación Total o Bifásico (βt). cuarzo. Importancia de la mecánica de fluidos en la industria petrolera . * °API * Relación Gas-Petróleo (Rs). Es laminar cuando el fluido se mueve en líneas paralelas a los ejes del conducto y es turbulento cuando las partículas del fluido se mueven en desorden. sólidos disueltos. * Compresibilidad del Petróleo (Co). * Factor Volumétrico de Formación del Petróleo (βo). Por la menor viscosidad del agua esta fluye directamente. Partes que componen un fluido (lodo) de perforación: Fase líquida Agua Aceite Fase sólida sólidos inertes. La hidráulica del flujo del fluido comprende: comportamiento de fluido. Para lograr esta función la columna de fluido de perforación debe ejercer por lo menos una presión igual a la de la formación. el diesel y la glicerina. o fluidos Newtonianos. de ácidos y de bases). los fluidos que se comportan acorde a esta ley. lo cual significa que la viscosidad es constante con respecto a estas variables. Ley de Newton de la viscosidad. así como el comportamiento de soluciones poliméricas. La Ley de Newton describe bastante bien el comportamiento de líquidos homogéneos de bajo peso molecular.Mecánica de fluidos En las operaciones de perforación la hidráulica es fundamental. La viscosidad de los fluidos Newtonianos es función única de la temperatura a presiones moderadas cercanas a la atmosférica. Si la hidrostática es mayor que la segunda. la cual nos fundamentan conclusiones simples y ecuaciones descritas acerca Importancia de la mecánica de fluidos en la industria petrolera . Fluidos no Newtonianos: Los fluidos no newtonianos han sido estudiados extensamente en su simple naturaleza reológica. exhiben una relación linear entre τ yx y γ& . aceites orgánicos e inorgánicos y todo tipo de soluciones (electrolíticas. aceite y agua salada en sus formaciones. Temas importantes son: Reología de los lodos de perforación Modelos reológicos Capacidad de acarro velocidad crítica Pérdidas de presión en flujo laminar y turbulento Densidad equivalente de circulación Presión de surgencia y suaveo Optimización de la hidráulica de las barrenas Una de las funciones del fluido de perforación es la de suministrar la presión hidrostática suficiente como para confinar el gas. si esto falla podría provocar exceso de sólidos en el pozo y bajo promedio de penetración. Otra de las funciones importantes de un fluido es transportar los cortes del pozo a la superficie. la presión ejercida por la columna del fluido de perforación se llama presión hidrostática y la diferencia entre la presión hidrostática y la presión de la formación se llama presión diferencial. tales como agua. Fluidos Newtonianos: Para algunos fluidos el esfuerzo cortante es directamente proporcional al valor de la velocidad de corte. la diferencial es positiva y si es al revés la diferencial es negativa. emulsiones y suspensiones muy diluidas. estos tipos de fluidos son llamados Newtonianos y como ejemplo tenemos el agua. artificios mecánicos como una centrífuga o un desarenador. el más común de estos es el método rotatorio que indica la rotación de la barrena por medio de un tubo hueco. el lodo de perforación debe desempeñar distintas funciones de perforación: Remoción de recortes de la formación: cuando se perfora una formación. Suspensión de los cortes durante los viajes: cuando la circulación del lodo se detiene. Hay distintos métodos para perforar pozos de aceite. Asentamiento de cortes en el equipo de superficie: hay equipos (la mayoría) que utilizan vibradores para eliminar las partículas grandes del sistema de lodos pero las partículas más pequeñas permanecen en el sistema circulatorio del lodo. para esto es necesario un fluido que deberá circular a través del tubo hueco. Formación de enjarre impermeable: cuando se perfora una formación permeable cuyas aberturas delos poros son demasiado pequeñas para permitir el paso de los sólidos del lodo. se pueden usar para remover estas partículas. el efecto “suaveo” provocara un reventón y Importancia de la mecánica de fluidos en la industria petrolera . en algunos casos se desprenden pedazos de formación. la velocidad del fluido a través del tubo se determina n relación a las dimensiones del sistema y el gasto de la bomba: A veces es necesario aumentar la viscosidad del lodo para disminuir la velocidad. sin embargo a veces el aumento de viscosidad hace que sea necesario aumentar las presiones de bombeo y éstas a su vez ejercen presiones más altas sobre las paredes y puede ocasionar pérdidas de circulación. si el enjarre es grueso provocará fricciones al sacar la tubería del pozo. al meter barrena u otras herramientas. gas y agua. gobierna el grado de filtración a la formación. Todas las veces que se presentan estos fluidos que presentan una gran variedad de relaciones de esfuerzo cortante-velocidad de corte. y la función del fluido en este caso es remover los cortes de formación. los cortes que aún no fueron removidos deben suspenderse o caerse al fondo y causarán problemas al meter nuevamente.Mecánica de fluidos de las propiedades del flujo. En este caso la viscosidad (gelatinosidad) del lodo previene el asentamiento o reduce el grado de caída de la partícula. así mismo. la curva dada por la relación se le conoce como reograma y es típico de un lodo de perforación. se encontrarán resistencias y provocará además cambios bruscos de presión. el enjarre depositado entonces. la porción líquida del lodo se filtra dentro de la formación y los sólidos del lodo se depositan sobre la cara o pared de la formación. además si se permite el paso del lodo a través de un área suficientemente ancha la mayoría de dichas partículas pequeñas tenderá a asentarse si la viscosidad y la gelatinosidad son suficientemente bajas. Mientras que en el flujo turbulento su movimiento es enérgico de botes y de saltos en la dirección general en que se mueve el fluido. semejantes a remolinos. Por estas razones es mejor evitar la turbulencia en el espacio anular. el flujo será laminar y si la velocidad es mayor a la velocidad critica. Este ocurre cuando las velocidades de flujo son generalmente muy altas o en fluidos en los que las fuerzas viscosas son muy pequeñas. Prevención del agrandamiento del agujero: EL lodo puede ayudará a prevenir o aliviar el agrandamiento de una formación por los siguientes medios: -proveyendo suficiente presión hidrostática para mantener en su lugar la formación -previniendo la mojadura de planos de estratificación “enjarrando” la formación Control de la presión de formación: el gradiente de presión “normal” se considera como de . un flujo turbulento puede desarrollarse bien sea en un conducto liso o en un conducto rugoso. Limitación de la corrosión del equipo de perforación: si se sospecha que hay corrosión (ésta muchas veces ocurre cuando el lodo tiene sales disueltas en su fase líquida). Importancia de la mecánica de fluidos en la industria petrolera . si la velocidad en una sección es lo suficientemente baja. La diferencia entre un flujo laminar y turbulento es básicamente una función de velocidad. esto se soluciona usando anticorrosivos que se usan junto con los materiales de mantenimiento del lodo. El flujo turbulento es comúnmente desarrollado debido a que la naturaleza tiene tendencia hacia el desorden y esto en términos de flujos significa tendencia hacia la turbulencia. se han perforado fluidos que tienen la presión más alta que la normal.Mecánica de fluidos los cambios bruscos de presión originaran pérdidas de circulación. si esta formación se llegara a perforar usando un lodo cuya presión hidrostática sea menor que la presión del fluido de la formación. sin embargo. se deben determinar las causas y tomar medidas para prevenir el daño del equipo. La turbulencia puede originarse por la presencia de paredes en contacto con el fluido o por la existencia de capas que se muevan a diferentes velocidades. Este tipo de flujo se caracteriza por trayectorias circulares erráticas. el fluido va a entrar al pozo y puede causar desde una contaminación de lodo hasta un reventón. En el flujo laminar las partículas individuales de fluido se mueven en líneas paralelas a la dirección en que se mueve el fluido. es más erosivo que el flujo laminar y puede ocasionar severos deslaves del agujero. Además. el flujo no es laminar (se dice “no laminar” porque pasan lodos a través de una fase de transición entre el flujo laminar y el turbulento). EL flujo turbulento en el espacio anular es normalmente indeseable.456lb/pg2 por ft de profundidad. Este problema y el de las grandes presiones requiere que se usen bombas de diseños especiales como los que se muestran en la figura 224. las cargas de fricción son grandes y se requieren bombas de alta presión. superiores a los 200 kg/cm . Estas bombas son casi siempre del tipo reciprocante. a lo largo del ducto. Tiene también la ventaja de que sus características de succión son mucho mejores para líquidos que como los de la industria petrolera o petroquímica tienen presiones en aeropuertos para bombear combustible a los aviones. En ciertos casos el ducto puede servir para transportar diferentes fluidos. producción. el fluido que circula en la tubería entra en una “lata” donde se puede incrementar grandemente su presión mediante una bomba de varios pasos. transporte. R= velocidad de rotación. sistema hidráulico. sistema sumergible y sistema de elevación por gas. El lodo de perforación que manejan estas bombas pesa entre 2 y 20 kg/litro. se usan las llamadas bombas de lodo.Mecánica de fluidos También se presenta como tema de aplicación la turbulencia atmosférica y la dispersión de contaminantes. Deben desarrollar presiones altas a veces. Las estaciones de bombeo están instaladas a intervalos adecuados. Durante todo el año las bombas de estos oleoductos están expuestas a grandes cambios de temperatura. Hay algunos pozos que no necesitan bombeo ya que es suficiente la presión del crudo. Con este tipo de bombas. petróleoductos propiamente dichos y gasoductos. pozos submarinos. El transporte de líquidos en la industria petrolera se hace a través de miles de kilómetros en el mundo entero. con lo cual se reduce el peligro de descargas eléctricas estáticas. En perforación. En producción se usan cuatro tipos de sistemas de bombeo para extraer el crudo de los pozos de producción y descargarlo a nivel del suelo: sistema de cilindro de succión. pues aun en terreno plano. 2 Importancia de la mecánica de fluidos en la industria petrolera . fracturación. portátiles y de dosificación. adimensional. rpm n= índice de comportamiento de flujo laminar. Las bombas que se usan en la industria petrolera se dividen en 8 grupos: perforación. La bomba vertical enlatada es un tipo que ha venido teniendo mucha aplicación. Ecuación reología generalizada: Donde F= lectura del Fann Fo= parámetro determinado por la selección del modelo K= factor de consistencia laminar. refinería. tanto en oleoductos. Fann. de una columna de agua salada al 10% a esa profundidad” La regla anterior se aplica a la llamada “presión de formación normal”. Estas presiones elevadas pueden clasificarse como “imprevistas”. En la perforación de un pozo de exploración.Mecánica de fluidos Reventones. se refiere a que la presión original en el yacimiento.. presión d la formación. han permitido que el gas a alta presión suba a arenas menos profundas. y éste es. Por medio de esta regla. La presión hidrostática es la presión que existe en el pozo. el perforador tiene que estar preparado para todo lo que respecta a la presión de la formación.“Un reventón es un flujo incontrolado de los fluidos del pozo y delos fluidos de la formación que salen del pozo a la atmósfera” El reventón solo tiene una causa y esta es: “la presión de la formación” Para evitar un reventó solo hay un medio que es posible y necesario. etc. la aplicación de una contrapresión mayor que la presión de formación. Las fugas en las tuberías de revestimiento y cementaciones defectuosas. Hay una regla comúnmente usada en perforación que dice: “la presión normal en cualquier yacimiento a una profundidad dada. Se deben hacer ciertas observaciones acerca de la presión hidrostática del lodo de perforación en un pozo: L a presión en un pozo depende de dos factores: La densidad del lodo de perforación La altura de la columna del lodo encima del punto dado. tiende a ser proporcional a la profundidad de este. presión de los fluidos del depósito. La fuerza de la presión hidrostática se ejerce contra la pared y el fondo del pozo del mismo modo. El término gradiente de presión. es aproximadamente igual a la presión hidrostática. Muy pocos yacimientos tienen esta presión de formación exacta. La presión hidrostática no cambia con los cambios de diámetro del pozo. Como la única causa del reventón es principalmente la presión de la formación hay que tener en cuenta lo siguiente: la aplicación de una presión mayor para contrarrestar la presión de la formación. Esta presión original se llama de distintos modos: presión de roca. se sabe que un yacimiento profundo puede tener una presión mayor que uno menos profundo. pues la mayoría tiene valores cercanos a estos. debido al peso de la columna del lodo de perforación y se mide en Kg/cm2. 6lb/pg2. Importancia de la mecánica de fluidos en la industria petrolera . Se llaman “preventores de reventones” a la unidad que está montada a la tubería de revestimiento. La viscosidad en la fase líquida (aceita. homogéneo e isotrópico es proporcional a la conductividad del medio poroso o conductividad hidráulica (K) y a una fuerza conductora o gradiente hidráulica. Peso del fluido o densidad La presión de un fluido de perforación debe controlarse para dar suficiente presión hidrostática y prevenir la entrada al. Rehometros y viscómetros (son aparatos de varias velocidades que pueden determinar viscosidad aparente y viscosidad plástica). Q= K * A * h/L Importancia de la mecánica de fluidos en la industria petrolera . pozo. La viscosidad es una de las propiedades mas importantes ya que una alta viscosidad significa la reducción de la eficiencia hidráulica. Existen distintos métodos para calcular la viscosidad de un fluido: embudo de Marsh (artefacto común en equipos de perforación. para que esta sea la adecuada se debe tomar en cuenta la densidad. tipo cono) . La temperatura afecta más la viscosidad del aceite que la del agua. el papel ph en tiras ó adición de soluciones colorantes directamente al filtrado.Mecánica de fluidos Hay dos causas principales de la presión hidrostática baja: La densidad del lodo es baja El nivel del lodo en el pozo es bajo. Otro punto importante de la mecánica de fluidos en la industria es el “ph” o ion de hidrógeno que es una medida de acidez o alcalinidad y en la mecánica d efluidos se han desarrollado métodos para determinar el ph como el potenciómetro. la forma de las partículas es importante porque una partícula plana tiene un parea de contacto mayor que la que la de una partícula esférica. de fluidos de la formación. presión y problemas con el agujero de la tubería. el diámetro del agujero. el caudal de la bomba. Viscosidad del fluido: la viscosidad es la resistencia de un fluido a fluir. sirve para no sobre pasar dicha presión y causar pérdidas de circulación o afectar en forma adversa el avance de perforación. Darcy midió el volumen de agua por unidad de tiempo a través de una columna de arena saturada de longitud (L) y area (A) cuando existía una diferencia de presión hidrostática (h) entre dos puntos (L). así mismo el control de la misma (ᵨ). Flujo de agua en medios porosos La Ley de Darcy expresa que el flujo de agua en un medio poroso. agua o ambas) está en función de la temperatura. Un fluido que tanga un peso de partículas grandes tiene una viscosidad más baja que el de partículas pequeñas. arenas gruesas bien graduadas. Entre sus limitaciones. En algunas circunstancias. sino que depende de las características del fluido (peso especifico y viscosidad cinemática). es posible afirmar que la constante de proporcionalidad K no es propia del medio poroso.Mecánica de fluidos Donde Q = caudal (L3 T -1) K = conductividad hidráulica (LT-1) A = area (L2) h= altura de agua (L) L= largo de la muestra de suelo (L) La ley de Darcy es valida para todo suelo donde el flujo sea laminar: arenas finas a medias. arcillas y limos. la relación entre el caudal y el gradiente hidráulico no es lineal Importancia de la mecánica de fluidos en la industria petrolera . 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