• Título:  HIGH PRESSURE RHEOLOGY OF DRILLING FLUIDS
• Autor:  HERMOSO LIMON, JUAN
• Universidad:  Universidad de Huelva
• Departamento:  Ingeniería química, química física y química orgánica
• Fecha de Lectura:  18/07/2014
• Mención Europeo / Mención Internacional: concedido
• Programa de doctorado:  Doctor en Programa Oficial de Posgrado en Procesos y Productos Químicos
• Dirección: 
  • MARTÍNEZ BOZA, FRANCISCO JOSÉ (DIRECTOR)
  • GALLEGO MONTES, CRÍSPULO (DIRECTOR)
• Tribunal: 
  • Luckham, Paul (PRESIDENTE)
  • PARTAL LOPEZ, PEDRO (SECRETARIO)
  • Pérez Comuñas, M. José (VOCAL)
• Descriptores: 
  • PRODUCTOS DE ARCILLA
  • PROPIEDADES DE MATERIALES
  • ENSAYO DE MATERIALES
  • CIENCIAS TECNOLOGICAS
• Fichero de tesis:
• http://hdl.handle.net/10272/8806
• Resumen:
  Generalmente, los fluidos de perforación son mezclas multicomponentes complejas (emulsiones, suspensiones, espumas, etc), constituidas por un fluido base (agua o aceite), un espesante/diluyente (arcillas) y diversos aditivos (sales inorgánicas y otros), diseñados para lubricar durante la perforación y eliminar los recortes entre otras tareas. Las propiedades de los fluidos de perforación se optimizan para conseguir el mejor rendimiento de la operación de perforación, teniendo en cuenta las condiciones particulares de temperatura y presión en el pozo. Desde el punto de vista del ingeniero de campo, la optimización de propiedades de fluido mediante la selección los componentes principales de la suspensión base es una tarea clave. En este sentido las arcillas, principalmente esmectitas, son componentes claves en el desarrollo de propiedades. En el caso de los fluidos en base aceite, las organoarcillas se han utilizado preferentemente dada su facilidad de dispersión y buenas propiedades de transporte de sólidos. Por tanto, el conocimiento del efecto de las organoarcillas son las propiedades de fluido de perforación, en función de la temperatura y de la presión es esencial para el diseño de fluido exprofeso en cualquier perforación. El aumento de las perforaciones de pozos en condiciones extremas de temperatura y presión requiere de un conocimiento exhaustivo del comportamiento volumétrico y reológico de los fluidos de perforación. La previsión de aumento mundial de la demanda de combustibles para los venideros fuerza a la industria del petróleo a perforar en condiciones cada vez más extremas reduciendo los costes. Teniendo en cuenta el coste de los fluidos de perforación sobre el total del proyecto de exploración y producción de pozos de petróleo (entre el 15 y el 18% de la inversión), el éxito del proyecto y su coste depende en gran medida de las propiedades de estos fluidos. Así, tanto la predicción como el control de las propiedades más importantes de los fluidos de perforación, densidad y viscosidad, con temperatura y presión son esenciales para asegurar el éxito del proyecto. En consecuencia, este trabajo original de investigación se centra en el estudio de la influencia que ejerce la temperatura y la presión sobre el comportamiento reológico y volumétrico de una serie de suspensiones modelo, formuladas con organobentonitas y aceites minerales, usados comúnmente en la formulación de fluidos de perforación de pozos de petróleo. Después de una revisión del estado del arte en la materia y la descripción de los sistemas experimentales utilizados, el capítulo 4.1 trata sobre la caracterización del comportamiento no newtoniano de estos materiales reológicamente complejos en función de la presión, aplicando los principios de la reometría de mezclado. Para realizar este estudio se han diseñado y calibrado dos geometrías no convencionales, una cinta helicoidal y una turbina, usando un fluido newtoniano y varias soluciones acuosas de polímeros con distintos índices de flujo a 20ºC. En este sentido, las medidas de viscosidad a presión atmosférica fueron validadas usando un cilindo coaxial convencional, mientras un conjunto de cilindro coaxial-célula de presión fue empleado para verificar las medidas realizadas a alta presión. Estas geometrías especiales fueron validadas en ensayos bajo presión, usando un fluido de perforación modelo en base aceite, formulado con un 5% en peso de la organobentonita B128 y un aceite nafténico denominado SR-10, el cual fue preparado para ser medido bajo condiciones de alta presión. Los resultados obtenidos demuestras que estas geometrías especiales permiten medir el efecto de la presión sobre los parámetros reológicos de los fluidos de perforación, ampliando el rango de medida de velocidades de cizalla que se alcanza con el uso de la geometría de cilindros coaxiales a valores más bajos. Las propiedades de la arcilla y la composición son los factores principales que determinan las propiedades de fluencia viscosa de los fluidos de perforación. Así, el capítulo 4.2 estudia el efecto del tipo de arcilla y su composición sobre las propiedades reológicas de las suspensiones de arcilla sometidas a alta presión, realizando ensayos de flujo viscoso sobre fluidos de perforación modelo en base aceite, del tipo "all-oil", sometidos a alta presión. La preparación de estos fluidos modelo se realizó mezclando en aceite SR-10, al 1, 3 y 5% en peso, dos organobentonitas, conocidas por la siglas B34 y B128. Como se esperaba, el comportamiento viscoso de estos fluidos está muy influido tanto por la organoarcilla como por su concentración. También se comprobó que la relación entre viscosidad y la presión de estas supensiones modelo está fuertemente determinada por las propiedades piezoviscosas del aceite base. Un modelo factorial tipo Sisko-Barus, el cual combina la influencia de la cizalla y la presión en la misma ecuación, describe satisfactoriamente los datos experimentales de presión y viscosidad. Con objeto de profundizar en la reología de los fluidos de perforación "all-oil" bajo condiciones de alta presión y alta temperatura, dada la creciente demanda de la industria petrolera de fluidos de altas prestaciones, el capítulo 4.3 trata de la caracterización reológica de dos fluidos de perforación modelo (5% en peso de organobentonita) en función de la presión y la temperatura. Los modelos reológicos de Bingham y de Herschel-Bulkley describen satisfactoriamente el efecto combinado de la temperatura y la presión sobre el flujo viscoso de estos fluidos. El modelo factorial WLF-Barus predice satisfactoriamente la evolución de la viscosidad plástica con la presión y la temperatura. Estos resultados se justifican estructuralmente en base a la compresión del medio continuo y a los cambios en la fracción en volumen de la fase dispersa, atribuidos a la modificación de las interacciones entre el polímero de cubrición de las partículas y el aceite con la temperatura. El efecto de la presencia de agua sobre la reología de los fluidos de perforación es también fundamental en el caso de perforaciones de pozos dónde se produce influjo de agua desde la formación. En este sentido, en el capítulo 4.4 se estudia el efecto que ejerce la fracción acuosa, el contenido de organoarcilla y la presión sobre las propiedades reológicas de emulsiones inversas modelo (conocidas también por barros inversos) preparadas a partir de los fluidos diseñados. Se han formulado varias emulsiones con distintas fracciones en volumen de fase acuosa, usando las suspensiones modelo, con un 1% y 3% en peso, de la organobentonita B128. A partir de los resultados obtenidos, se deduce que, a presión atmosférica, tanto el esfuerzo umbral como el módulo viscoélastico dependen de la fracción en volumen de la fase acuosa y de la concentración en organoarcilla. El modelo de Herschel-Bulkley ajusta el comportamiento de flujo viscoso de estas emulsiones, formuladas abarcando un amplio rango de fracciones en volumen de fase dispersa, bastante bien. Por otro lado, el modelo de Barus describe la dependencia de la viscosidad de la emulsión con la presión, para distintas fracciones en volumen concentraciones de organoarcilla, bastante bien. Estos resultados sugieren que el comportamiento reológico a alta presión de estas emulsiones inversas está relacionado con la elasticidad de la interfase que rodea a las gotas emulsionadas. Similarmente el comportamiento reológico, el conocimiento del efecto que ejerce la presión y temperatura sobre las propiedades volumétricas de los fluidos de perforación es de gran importancia. Sin embargo, la influencia de la naturaleza de la arcilla y su concentración en la densidad no está aún muy bien estudiada. En este sentido, los capítulos finales 4.4 y 4.5 se han dedicado a estudiar la influencia de la naturaleza de la arcilla y de la concentración en la densidad de fluidos de perforación modelo en base aceite, en un amplio rango de presiones y temperaturas. Con este objetivo, se calibró un densímetro vibrante de alta presión, en un rango de temperaturas comprendido entre los 40ºC y los 140ºC, y presiones de hasta 1200 bar. Para ello, se usaron dos fluidos de calibrado (agua y n-dodecano) por estar las densidades del aceite y las suspensiones dentro de los valores de densidad de estos fluidos de calibrado. Por último, la dependencia de las propiedades volumétricas respecto a la presión y temperatura ha sido modelizada en base a diversas ecuaciones de estado como Tait modificada y Murnaghan. A partir de los datos de presión-densidad-temperatura obtenidos, puede concluirse que, por un lado, la adición de la organoarcilla al aceite base supone un significativo incremento de la densidad en el rango de presión y temperatura estudiado. El comportamiento expansivo no ideal de estas suspensiones parece estar asociado con el hinchamiento macroscópico de cada tipo de organoarcilla en el medio no acuoso. Finalmente, los datos de presión-viscosidad-temperatura de los fluidos de perforación estudiados se han usado para modelizar la evolución de la viscosidad de estos sistemas en función de la presión y la temperatura mediante modelos basados en la teoría del volumen libre como los modelos de Yasutomi o FMT y modelos empíricos como WLF-Barus. Desde el punto de vista ingenieril, ambos tipo de ecuaciones modelizan satisfactoriamente la evolución presión-temperatura-viscosidad de estos fluidos.