Mecnica de fluidosEs importante que el ingeniero petrolero tenga un estudio de hidrulica. El punto ms importante por el cual la mecnica de fluidos es esencial en la ingeniera petrolera, es porque el petrleo, el gas, agua, aceite y esos elementos relacionados con la produccin, son fluidos. En la industria petrolera, se manejan los fluidos a travs de tuberas y la dinmica de fluidos estudia el comportamiento de fluidos en caudales, tuberas, etc. En este trabajo inclu algunos artculos y conceptos que considero importantes acerca de la mecnica de fluidos en la industria petrolera como: flujo lineal, flujo turbulento, ecuacin de Darcy, propiedades de fluidos petroleros, lodos de perforacin, Reologa, fluidos Newtonianos, fluidos no newtonianos, inyeccin de gas, bombeo, reventones, presin hidrosttica, etc. En diversos artculos que le para realizar este trabajo, hablaban mucho acerca de la inyeccin de gas, esto es un punto importantsimo, pues la inyeccin de gas en yacimientos petrolferos ha sido una tcnica empleada desde finales del siglo XIX con propsitos de recuperacin secundaria El objetivo principal de la inyeccin de gas es mantener la presin a cierto valor o suplementar la energa natural del yacimiento. El primer caso se conoce como mantenimiento total de presin y el segundo, como mantenimiento parcial. Ambos dan lugar a un incremento del recobro de petrleo, a una mejora en los mtodos de produccin y a la conservacin del gas. A diferencia de la inyeccin de agua donde solamente ocurre un desplazamiento inmiscible, en el proceso de inyeccin de gas puede darse, tanto un desplazamiento miscible como un desplazamiento inmiscible. Este captulo slo tratar lo relativo al desplazamiento inmiscible de petrleo. La inyeccin de gas en un yacimiento de petrleo se realiza bien sea dentro de la capa de gas si sta existe o, directamente, dentro de la zona de petrleo. Cuando existe una capa de gas originalmente en el yacimiento, o cuando se ha ido formando una por segregacin durante la etapa primaria, el gas inyectado ayuda a mantener la presin del yacimiento y hace que el gas de la capa entre en la zona de petrleo y lo empuje hacia los pozos productores. Si la inyeccin se realiza en un yacimiento sin capa de gas, el gas inyectado fluye radialmente desde los pozos inyectores y empuja el petrleo hacia los pozos productores3. El gas que se inyecta es, generalmente, un hidrocarburo. Los principales requerimientos hidrulicos para un fluido de perforacin son: la limpieza del fondo y acarreo de recortes, las funciones del fluido, etc. Es importante conocer de los fluidos de perforacin ya que es esencial para la determinacin de propiedades fsicas ptimas para obtener mejores condiciones. Un depsito de petrleo no es simplemente un lago de petrleo. Mas bien el petrleo esta dentro de material poroso, pero por su viscosidad fluye muy despacio. El estudio de este flujo es de lo ms importante, porque determina cuanto del petrleo, que existe en un depsito se puede extraer. Desde hace mucho se sabe que una extraccin muy lentaImportancia de la mecnica de fluidos en la industria petrolera

Mecnica de fluidosaumenta el resultado, pero luego vienen los mtodos secundarios. Normalmente estos consisten en bombear agua en un lado del campo petrolero para presionar el petrleo de salir del otro lado. Pero si el agua encuentra un camino del pozo de inyeccin al pozo de extraccin ya no sale petrleo. Por la menor viscosidad del agua esta fluye directamente. La mecnica de fluidos en sistemas capilares desordenados es lo ms importante para la industria petrolera. La hidrulica del flujo del fluido comprende: comportamiento de fluido, patrones de flujo del fluido y prdidas de presin por la circulacin del fluido. Un fluido fluir a travs de un conducto de manera laminar o turbulenta. Es laminar cuando el fluido se mueve en lneas paralelas a los ejes del conducto y es turbulento cuando las partculas del fluido se mueven en desorden. Esta clasificacin es necesaria para anlisis de hidrulica en cuestin de circulacin del fluido. Entre las propiedades de los fluidos, tenemos: *Gravedad Especfica de Gas (g). * Gravedad Especfica del Petrleo (o). * Densidad de Gas (g). * Factor de Compresibilidad (Z). * Factor Volumtrico de Formacin del Gas (g). * Factor Volumtrico de Formacin del Petrleo (o). * Factor Volumtrico de Formacin Total o Bifsico (t). * Compresibilidad del Gas (Cg). * Compresibilidad del Petrleo (Co). * API * Relacin Gas-Petrleo (Rs). * Relacin Gas-Petrleo de Produccin (Rp). Partes que componen un fluido (lodo) de perforacin: Fase lquida Agua Aceite Fase slida slidos inertes, componentes que no reaccionan Arena slice, caliza, cuarzo, dolomita, etc. barita Diversos Dispersantes, obturantes, slidos disueltos, agentes reductores de filtrado, surfactantes y otros reactivos.

Importancia de la mecnica de fluidos en la industria petrolera

Mecnica de fluidosEn las operaciones de perforacin la hidrulica es fundamental. Temas importantes son: Reologa de los lodos de perforacin Modelos reolgicos Capacidad de acarro velocidad crtica Prdidas de presin en flujo laminar y turbulento Densidad equivalente de circulacin Presin de surgencia y suaveo Optimizacin de la hidrulica de las barrenas

Una de las funciones del fluido de perforacin es la de suministrar la presin hidrosttica suficiente como para confinar el gas, aceite y agua salada en sus formaciones. Para lograr esta funcin la columna de fluido de perforacin debe ejercer por lo menos una presin igual a la de la formacin, la presin ejercida por la columna del fluido de perforacin se llama presin hidrosttica y la diferencia entre la presin hidrosttica y la presin de la formacin se llama presin diferencial. Si la hidrosttica es mayor que la segunda, la diferencial es positiva y si es al revs la diferencial es negativa. Otra de las funciones importantes de un fluido es transportar los cortes del pozo a la superficie, si esto falla podra provocar exceso de slidos en el pozo y bajo promedio de penetracin. Fluidos Newtonianos:

Para algunos fluidos el esfuerzo cortante es directamente proporcional al valor de la velocidad de corte, estos tipos de fluidos son llamados Newtonianos y como ejemplo tenemos el agua, el diesel y la glicerina. Ley de Newton de la viscosidad; los fluidos que se comportan acorde a esta ley, o fluidos Newtonianos, exhiben una relacin linear entre yx y & , lo cual significa que la viscosidad es constante con respecto a estas variables. La Ley de Newton describe bastante bien el comportamiento de lquidos homogneos de bajo peso molecular, tales como agua, aceites orgnicos e inorgnicos y todo tipo de soluciones (electrolticas, de cidos y de bases), as como el comportamiento de soluciones polimricas, emulsiones y suspensiones muy diluidas. La viscosidad de los fluidos Newtonianos es funcin nica de la temperatura a presiones moderadas cercanas a la atmosfrica.

Fluidos no Newtonianos:

Los fluidos no newtonianos han sido estudiados extensamente en su simple naturaleza reolgica, la cual nos fundamentan conclusiones simples y ecuaciones descritas acercaImportancia de la mecnica de fluidos en la industria petrolera

Mecnica de fluidosde las propiedades del flujo. Todas las veces que se presentan estos fluidos que presentan una gran variedad de relaciones de esfuerzo cortante-velocidad de corte, la curva dada por la relacin se le conoce como reograma y es tpico de un lodo de perforacin. Hay distintos mtodos para perforar pozos de aceite, gas y agua, el ms comn de estos es el mtodo rotatorio que indica la rotacin de la barrena por medio de un tubo hueco; para esto es necesario un fluido que deber circular a travs del tubo hueco; el lodo de perforacin debe desempear distintas funciones de perforacin: Remocin de recortes de la formacin: cuando se perfora una formacin, en algunos casos se desprenden pedazos de formacin, y la funcin del fluido en este caso es remover los cortes de formacin, la velocidad del fluido a travs del tubo se determina n relacin 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 stas a su vez ejercen presiones ms altas sobre las paredes y puede ocasionar prdidas de circulacin. Suspensin de los cortes durante los viajes: cuando la circulacin del lodo se detiene, los cortes que an no fueron removidos deben suspenderse o caerse al fondo y causarn problemas al meter nuevamente. En este caso la viscosidad (gelatinosidad) del lodo previene el asentamiento o reduce el grado de cada de la partcula. Asentamiento de cortes en el equipo de superficie: hay equipos (la mayora) que utilizan vibradores para eliminar las partculas grandes del sistema de lodos pero las partculas ms pequeas permanecen en el sistema circulatorio del lodo; artificios mecnicos como una centrfuga o un desarenador, se pueden usar para remover estas partculas, adems si se permite el paso del lodo a travs de un rea suficientemente ancha la mayora de dichas partculas pequeas tender a asentarse si la viscosidad y la gelatinosidad son suficientemente bajas. Formacin de enjarre impermeable: cuando se perfora una formacin permeable cuyas aberturas delos poros son demasiado pequeas para permitir el paso de los slidos del lodo, la porcin lquida del lodo se filtra dentro de la formacin y los slidos del lodo se depositan sobre la cara o pared de la formacin, el enjarre depositado entonces, gobierna el grado de filtracin a la formacin. si el enjarre es grueso provocar fricciones al sacar la tubera del pozo, as mismo, al meter barrena u otras herramientas, se encontrarn resistencias y provocar adems cambios bruscos de presin; el efecto suaveo provocara un reventn yImportancia de la mecnica de fluidos en la industria petrolera

Mecnica de fluidoslos cambios bruscos de presin originaran prdidas de circulacin.

Prevencin del agrandamiento del agujero: EL lodo puede ayudar a prevenir o aliviar el agrandamiento de una formacin por los siguientes medios: -proveyendo suficiente presin hidrosttica para mantener en su lugar la formacin -previniendo la mojadura de planos de estratificacin enjarrando la formacin Control de la presin de formacin: el gradiente de presin normal se considera como de .456lb/pg2 por ft de profundidad, sin embargo, se han perforado fluidos que tienen la presin ms alta que la normal, si esta formacin se llegara a perforar usando un lodo cuya presin hidrosttica sea menor que la presin del fluido de la formacin, el fluido va a entrar al pozo y puede causar desde una contaminacin de lodo hasta un reventn. Limitacin de la corrosin del equipo de perforacin: si se sospecha que hay corrosin (sta muchas veces ocurre cuando el lodo tiene sales disueltas en su fase lquida), se deben determinar las causas y tomar medidas para prevenir el dao del equipo, esto se soluciona usando anticorrosivos que se usan junto con los materiales de mantenimiento del lodo. En el flujo laminar las partculas individuales de fluido se mueven en lneas paralelas a la direccin en que se mueve el fluido; Mientras que en el flujo turbulento su movimiento es enrgico de botes y de saltos en la direccin general en que se mueve el fluido. EL flujo turbulento en el espacio anular es normalmente indeseable, es ms erosivo que el flujo laminar y puede ocasionar severos deslaves del agujero. Por estas razones es mejor evitar la turbulencia en el espacio anular; La diferencia entre un flujo laminar y turbulento es bsicamente una funcin de velocidad, si la velocidad en una seccin es lo suficientemente baja, el flujo ser laminar y si la velocidad es mayor a la velocidad critica, el flujo no es laminar (se dice no laminar porque pasan lodos a travs de una fase de transicin entre el flujo laminar y el turbulento). El flujo turbulento es comnmente desarrollado debido a que la naturaleza tiene tendencia hacia el desorden y esto en trminos de flujos significa tendencia hacia la turbulencia. Este tipo de flujo se caracteriza por trayectorias circulares errticas, semejantes a remolinos. Este ocurre cuando las velocidades de flujo son generalmente muy altas o en fluidos en los que las fuerzas viscosas son muy pequeas. 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. Adems, un flujo turbulento puede desarrollarse bien sea en un conducto liso o en un conducto rugoso.Importancia de la mecnica de fluidos en la industria petrolera

Mecnica de fluidosTambin se presenta como tema de aplicacin la turbulencia atmosfrica y la dispersin de contaminantes. Ecuacin reologa generalizada:

Donde F= lectura del Fann Fo= parmetro determinado por la seleccin del modelo K= factor de consistencia laminar. R= velocidad de rotacin, Fann, rpm n= ndice de comportamiento de flujo laminar, adimensional. Las bombas que se usan en la industria petrolera se dividen en 8 grupos: perforacin, produccin, transporte, refinera, fracturacin, pozos submarinos, porttiles y de dosificacin. En perforacin, se usan las llamadas bombas de lodo. Estas bombas son casi siempre del tipo reciprocante. Deben desarrollar presiones altas a veces, superiores a los 200 kg/cm . El lodo de perforacin que manejan estas bombas pesa entre 2 y 20 kg/litro. En produccin se usan cuatro tipos de sistemas de bombeo para extraer el crudo de los pozos de produccin y descargarlo a nivel del suelo: sistema de cilindro de succin, sistema hidrulico, sistema sumergible y sistema de elevacin por gas. Hay algunos pozos que no necesitan bombeo ya que es suficiente la presin del crudo. El transporte de lquidos en la industria petrolera se hace a travs de miles de kilmetros en el mundo entero, tanto en oleoductos, petrleoductos propiamente dichos y gasoductos. En ciertos casos el ducto puede servir para transportar diferentes fluidos. Las estaciones de bombeo estn instaladas a intervalos adecuados, a lo largo del ducto, pues aun en terreno plano, las cargas de friccin son grandes y se requieren bombas de alta presin. Durante todo el ao las bombas de estos oleoductos estn expuestas a grandes cambios de temperatura. Este problema y el de las grandes presiones requiere que se usen bombas de diseos especiales como los que se muestran en la figura 224. La bomba vertical enlatada es un tipo que ha venido teniendo mucha aplicacin. Con este tipo de bombas, el fluido que circula en la tubera entra en una lata donde se puede incrementar grandemente su presin mediante una bomba de varios pasos. Tiene tambin la ventaja de que sus caractersticas de succin son mucho mejores para lquidos que como los de la industria petrolera o petroqumica tienen presiones en aeropuertos para bombear combustible a los aviones, con lo cual se reduce el peligro de descargas elctricas estticas.2

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Mecnica de fluidosReventones.- Un reventn es un flujo incontrolado de los fluidos del pozo y delos fluidos de la formacin que salen del pozo a la atmsfera El reventn solo tiene una causa y esta es: la presin de la formacin Para evitar un revent solo hay un medio que es posible y necesario, y ste es, la aplicacin de una contrapresin mayor que la presin de formacin. Como la nica causa del reventn es principalmente la presin de la formacin hay que tener en cuenta lo siguiente: la aplicacin de una presin mayor para contrarrestar la presin de la formacin. La presin hidrosttica es la presin que existe en el pozo, debido al peso de la columna del lodo de perforacin y se mide en Kg/cm2. 6lb/pg2. Se deben hacer ciertas observaciones acerca de la presin hidrosttica del lodo de perforacin en un pozo: L a presin en un pozo depende de dos factores: La densidad del lodo de perforacin La altura de la columna del lodo encima del punto dado. La fuerza de la presin hidrosttica se ejerce contra la pared y el fondo del pozo del mismo modo. La presin hidrosttica no cambia con los cambios de dimetro del pozo. El trmino gradiente de presin, se refiere a que la presin original en el yacimiento, tiende a ser proporcional a la profundidad de este. Esta presin original se llama de distintos modos: presin de roca, presin d la formacin, presin de los fluidos del depsito, etc. Por medio de esta regla, se sabe que un yacimiento profundo puede tener una presin mayor que uno menos profundo. Hay una regla comnmente usada en perforacin que dice: la presin normal en cualquier yacimiento a una profundidad dada, es aproximadamente igual a la presin hidrosttica, de una columna de agua salada al 10% a esa profundidad La regla anterior se aplica a la llamada presin de formacin normal. Muy pocos yacimientos tienen esta presin de formacin exacta, pues la mayora tiene valores cercanos a estos. En la perforacin de un pozo de exploracin, el perforador tiene que estar preparado para todo lo que respecta a la presin de la formacin. Las fugas en las tuberas de revestimiento y cementaciones defectuosas, han permitido que el gas a alta presin suba a arenas menos profundas. Estas presiones elevadas pueden clasificarse como imprevistas.Importancia de la mecnica de fluidos en la industria petrolera

Mecnica de fluidosHay dos causas principales de la presin hidrosttica baja: La densidad del lodo es baja El nivel del lodo en el pozo es bajo. Se llaman preventores de reventones a la unidad que est montada a la tubera de revestimiento. Peso del fluido o densidad La presin de un fluido de perforacin debe controlarse para dar suficiente presin hidrosttica y prevenir la entrada al, pozo, de fluidos de la formacin, as mismo el control de la misma (), sirve para no sobre pasar dicha presin y causar prdidas de circulacin o afectar en forma adversa el avance de perforacin. Viscosidad del fluido: la viscosidad es la resistencia de un fluido a fluir, para que esta sea la adecuada se debe tomar en cuenta la densidad, el dimetro del agujero, el caudal de la bomba, presin y problemas con el agujero de la tubera. La viscosidad en la fase lquida (aceita, agua o ambas) est en funcin de la temperatura. La temperatura afecta ms la viscosidad del aceite que la del agua. Un fluido que tanga un peso de partculas grandes tiene una viscosidad ms baja que el de partculas pequeas; la forma de las partculas es importante porque una partcula plana tiene un parea de contacto mayor que la que la de una partcula esfrica. La viscosidad es una de las propiedades mas importantes ya que una alta viscosidad significa la reduccin de la eficiencia hidrulica. Existen distintos mtodos para calcular la viscosidad de un fluido: embudo de Marsh (artefacto comn en equipos de perforacin, tipo cono) , Rehometros y viscmetros (son aparatos de varias velocidades que pueden determinar viscosidad aparente y viscosidad plstica). Otro punto importante de la mecnica de fluidos en la industria es el ph o ion de hidrgeno que es una medida de acidez o alcalinidad y en la mecnica d efluidos se han desarrollado mtodos para determinar el ph como el potencimetro, el papel ph en tiras adicin de soluciones colorantes directamente al filtrado. Flujo de agua en medios porosos La Ley de Darcy expresa que el flujo de agua en un medio poroso, homogneo e isotrpico es proporcional a la conductividad del medio poroso o conductividad hidrulica (K) y a una fuerza conductora o gradiente hidrulica. Darcy midi el volumen de agua por unidad de tiempo a travs de una columna de arena saturada de longitud (L) y area (A) cuando exista una diferencia de presin hidrosttica (h) entre dos puntos (L). Q= K * A * h/LImportancia de la mecnica de fluidos en la industria petrolera

Mecnica de fluidosDonde Q = caudal (L3 T -1) K = conductividad hidrulica (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, arenas gruesas bien graduadas, arcillas y limos. Entre sus limitaciones, es posible afirmar que la constante de proporcionalidad K no es propia del medio poroso, sino que depende de las caractersticas del fluido (peso especifico y viscosidad cinemtica). En algunas circunstancias, la relacin entre el caudal y el gradiente hidrulico no es lineal

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Mecnica de fluidos

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