Patrones de flujo II

En el flujo turbulento, las partículas de fluido ya no se transmiten en línea recta dentro de la tubería. No hay un patrón de flujo preciso. Sin embargo, en general todas las partes de las corrientes de flujo están desplazándose a la misma velocidad, aproximadamente. En este caso la viscosidad afecta únicamente el punto donde se inicia la turbulencia y tiene poco efecto en las pérdidas de presión cuando el fluido está en turbulencia. No hay una definición exacta de turbulencia. Se puede describir como una evolución de capas precipitadas, flujo desordenado, o patrón de flujo irregular. La figura 4.2 muestra un perfil de la velocidad del fluido turbulento y las fluctuaciones del mismo que causan la pérdida de presión en la turbulencia. Debido a que los patrones para el flujo turbulento no son constantes, es imposible construir un perfil exacto de la velocidad del fluido o de las fluctuaciones de éste.

Patrones de flujo I

En general se estudian dos tipos de comportamiento de fluidos: Newtonianos y nonewtonianos. Sabemos que el newtoniano es típico del agua, donde las propiedades del líquido no cambian. 

El término No-newtoniano, simplemente describe todos los líquidos que no se comportan como el agua. No todos los fluidos se comportan como fluidos Bingham, pero el viscosímetro giratorio se calibra para dar información del comportamiento Bingham, en el caso de nuestro fluido de perforación. Los patrones de flujo en un sistema de circulación puede ser tapón, laminar o turbulento. 

El flujo de tapón se encuentra en los trabajos de cementación, pero muy raras veces en las operaciones de perforación. Es por eso que el presente estudio se limitará a los flujos laminares y turbulentos. Los patrones de flujo, como anteriormente se dijo, se clasifican en: laminares o turbulentos. El flujo plástico se incluye como un tipo especial del flujo laminar, las partículas individuales en el fluido se mueven hacia adelante en línea recta y la velocidad en la pared es cero con cualquiera de los dos patrones. 

La velocidad máxima se logra en un punto equidistante de las paredes. La región de baja velocidad es una función directa de cuanto se desvía un fluido dado del fluido verdadero, o la magnitud de la viscosidad. Por lo tanto la velocidad en cualquier punto alejado de la pared es proporcional a la relación promedio de volumen de flujo e inversamente proporcional a la viscosidad.

Clasificación de los fluidos

Los fluidos pueden clasificarse en Newtonianos y No-Newtonianos. Los gases y los líquidos ligeros se aproximan a los fluidos Newtonianos, mientras que los líquidos pesados son No-Newtonianos. 

Analizando la gráfica 4.1 se puede decir, que son fluidos Newtonianos, aquellos líquidos cuya “viscosidad es constante” a cualquier temperatura y presión dadas, como el agua, glicerina, aceites para motor, kerosina y líquidos similares. Vemos que el comportamiento de la gráfica es una recta en donde el esfuerzo de corte es directamente proporcional a la velocidad de corte (m=viscosidad), en condiciones de flujo laminar. Considerando la misma figura, tenemos, que los fluidos No-Newtonianos, son aquellos cuya viscosidad no es constante a la temperatura y presión de que se trata, si no que depende del flujo mismo como factor adicional. Entre estos fluidos, tenemos los líquidos plásticos de Bingham. La mayor parte de los fluidos de perforación son suspensiones coloidales y/o emulsiones que se comportan como fluidos plásticos o No-Newtonianos, y se asemejan al modelo propuesto por Bingham.

PARÁMETROS PARA LA OPTIMIZACIÓN HIDRÁULICA III

• Esfuerzo de corte y velocidad de corte.- Cuando un fluido está fluyendo, existe una fuerza en el fluido que se opone al flujo, a esta fuerza se le conoce como “esfuerzo de corte” y puede considerarse como una fuerza friccional que proviene del deslizamiento de una capa del fluido sobre la otra. La velocidad a la cual se mueve a través de sus capas vecinas se conoce como “velocidad de corte”. 
• Reología.- Es la ciencia de la deformación y el flujo de la materia. Sus parámetros más usados son la viscosidad plástica y el punto de cedencia. 
• Punto de Cedencia.- Es parte de la resistencia al flujo al igual que la viscosidad y es una medida de las fuerzas electroquímicas de las cargas eléctricas localizadas en la superficie de los sólidos en el fluido y puede ser controlado mediante un tratamiento químico y mecánico apropiado.

PARÁMETROS PARA LA OPTIMIZACIÓN HIDRÁULICA II

En consecuencia podemos representar en forma matemática, al esfuerzo cortante de la siguiente manera.

T = m x c

Donde:

T = Esfuerzo cortante, en dinas/cm2 = Fuerza/Área

c = Velocidad de corte, en seg -1 ó 1/seg = V/x

m = Constante de proporcionalidad, en pois = Viscosidad

La unidad de viscosidad es el poise, nombrado así en honor de Poiseuille,y es igual:

1 poise = 2 1

cm

dina x seg

centipoise

PARÁMETROS PARA LA OPTIMIZACIÓN HIDRÁULICA I

Conceptos de reología 

· Fluidos: Se define como cuerpo de fluido aquel que cambia fácilmente su forma bajo la acción de fuerzas muy pequeñas. En otras palabras, se puede definir un fluido como una sustancia que se deforma continuamente, cuando se le aplica una fuerza tangencial, por muy pequeña que esta sea. 

· Viscosidad: Se define como aquella propiedad por la cual un fluido ofrece una resistencia al cambio de forma bajo la acción de fuerzas exteriores. 

Analizando la figura 4.1 tenemos que la placa del fondo está fija y la placa superior se mueve lentamente hacia la derecha bajo la acción de la fuerza aplicada “F”. Se considera que el líquido es enteramente homogéneo y se adhiere a ambas placas. Al final del intervalo de tiempo “t”, la placa superior ha avanzado una distancia cc1 y el líquido se ha deformado como lo indica a1bc1d. La deformación total ha sido cc1 en una distancia total “x” en un tiempo “t”, siendo “v” la velocidad con que la capa superior del líquido se movió sobre la capa interior.

HIDRÁULICA

PARÁMETROS PARA LA OPTIMIZACIÓN HIDRÁULICA 

En el manual para perforador se proporcionaron los conceptos básicos de la optimización hidráulica y algunos parámetros, tales como: determinación del gasto normal para perforar, velocidad anular óptima, velocidad del lodo en las toberas y el índice de limpieza en el fondo del agujero. En ésta parte complementaremos el estudio con los dos métodos principales de la optimización hidráulica: Impacto hidráulico y caballos de fuerza hidráulicos (H.P. hidráulicos). Los dos métodos de optimización mencionados, están relacionados directamente con el diámetro de las toberas en la barrena, dichos métodos proporcionan una eficiente limpieza en el fondo del agujero, logrando con esto un mejor avance de perforación. Lo básico en estos cálculos son las caídas de presión por fricción en: el equipo superficial, interior de las tuberías y espacio anular. Para lograr una mayor comprensión en los modelos matemáticos que se utilizan para las caídas de presión, es necesario tener los conocimientos básicos de: conceptos de reología, clasificación de los fluidos, patrones de flujo y fricción en las tuberías, que a continuación se exponen.