HIDRAULICA DE LA CEMENTACION

1. REOLOGIA

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.

2. 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):

2.1. 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.

2.2. 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).

3. TIPOS DE FLUIDOS

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

3.1. 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.

3.2. 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 mas usados para describir las propiedades de la lechada son el Modelo de Ley de Potencia y el Modelo Plástico de Bingham.

Fig. 1 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

Donde:
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

Donde:

τ = Esfuerzo de corte
K= Índice de consistencia
γ = Velocidad de corte
n = Índice de Ley Exponencial

4. PERFILES DE FLUJO

4.1. FLUJO TAPON
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.

4.2. 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.

4.3. 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.

4.4. TRANSICION ENTRE FLUJOS
El Número de Reynolds es un valor, el cual nos indica en que punto existe la transición de un perfil de flujo a otro, según determinadas circunstancias.

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 %.

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