High pressure rheology of drilling fluids

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. En este sentido las arcillas, principalmente esmectitas, y en particular para los fluidos en base aceite, las organoarcillas, son las que se han utilizado preferentemente para el desarrollo de propiedades. De ahí que, el conocimiento del efecto de las organoarcillas sobre las propiedades del fluido de perforación, en función de la temperatura y de la presión es esencial para el diseño de fluido exprofeso en cualquier perforación. 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. El capítulo 4.1 trata sobre la caracterización del comportamiento no newtoniano de estos materiales en función de la presión, aplicando los principios de la reometría de mezclado. Los resultados obtenidos demuestran que las geometrías especiales usadas permiten medir el efecto de la presión sobre los parámetros Teológicos de los fluidos de perforación, ampliando el rango de medida de velocidades de cizalla que se alcanza con el uso de la geometría convencional de cilindros coaxiales a valores más bajos. En el capítulo 4.2 se 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 sometidos a alta presión. Se comprobó que la relación entre la viscosidad y la presión de estas suspensiones 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. En el capítulo 4.3 se trata la caracterización reológica de dos fluidos de perforación modelo (5% en peso de organobentonita) en función de la presión y de la temperatura, usando los modelos reológicos de Bingham y Herschel-Bulkley. Los 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. 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. 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 de organoarcilla, y que por otro lado, el comportamiento reológico a alta presión de estas emulsiones inversas está relacionado con la elasticidad de la interfase que rodea a las gotas emulsionadas. 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. A partir de los datos de presión-densidad-temperatura obtenidos, puede concluirse que la adición de la organoarcilla al aceite base supone un significativo incremento de la densidad en el rango de presión y temperatura estudiado. Asimismo, los datos de presión-viscosidad-temperatura de los fluidos de perforación estudiados se han usado para modelizar satisfactoriamente la evolución de la viscosidad de estos sistemas en función de la presión y la temperatura usando para ello modelos basados en la teoría del volumen libre como los modelos de Yasutomi o FMT y modelos empíricos como WLF-Barus.