MX2014014442A - Metodos para predecir un hundimiento dinamico utilizando datos viscosimetricos/reometricos. - Google Patents

Abstract

Un método para determinar cuantitativamente el hundimiento dinámico de barita en fluidos de perforación incluye medir las propiedades reológicas con viscosímetros y/o reómetros, e introducir los parámetros en una ecuación para obtener la tasa de hundimiento.

Description

MÉTODOS PARA PREDECIR UN HÜNDIMIENTO DINÁMICO UTILIZANDO DATOS VISCOSIMÉTRICOS/REOMÉTRICOS CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención en general se relaciona con métodos para caracterizar el hundimiento dinámico en fluidos que contienen material particulado en especial fluidos para dar mantenimiento a sondeos que contienen un material de ponderación particulado.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El fluido de perforación, también conocido como "lodo", se utiliza en la perforación de pozos subterráneos, y ayuda en la operación de perforación de varias formas, incluyendo la eliminación de cortes de roca provenientes del sondeo hacia la superficie, al enfriar y lubricar la broca, y al proporcionar una cabeza hidrostática para mantener la integridad de las paredes del sondeo y evitar erupciones en pozos .

Los fluidos de perforación se pueden formular en varias formas conocidas en la téenica. Un fluido de perforación comprende típicamente agua y/o aceite o aceite sintético u otro material sintético o fluido sintético como un fluido base, con sólidos en suspensión. Un fluido de perforación de base no acuosa contiene típicamente aceite o fluido sintético como una fase continua y también puede contener agua dispersada en la fase continua mediante emulsificación de tal forma que no haya una capa acuosa distinta en el fluido. Esta dispersión en general se denomina como una emulsión inversa, una emulsión agua en aceite, o lodo a base de aceite (OBM).

La densidad del lodo para perforación se mantiene compacta para controlar la presión hidrostática que ejerce el lodo en el fondo del pozo. Es común que un fluido de perforación incluya un material de ponderación, o un agente lastrante, para aumentar la densidad del fluido de perforación. La barita es el material de ponderación más común, aunque se utilizan otros, entre los que se incluyen la hematita .

Los particulados en una suspensión, tales como un material de ponderación en un fluido de perforación, están propensos a un tipo de sedimentación denominada como "hundimiento" o "hundimiento de barita", en el cual las partículas de barita se acumulan y provocan variación de la densidad en el fluido de perforación. El hundimiento de la barita se puede presentar a condiciones dinámicas a bajos niveles de tasas de deslizamiento, por ejemplo, durante el giro de la varilla de sondeo, o cuando se está atendiendo el entubado o las sondas de digrafía.

Las variaciones de gran densidad creadas por el hundimiento pueden crear problemas de manejo del sondeo, e incluso pueden dar por resultado en falla del sondeo. Adicionalmente, el hundimiento del fluido puede conducir al atascamiento de la broca, dificultad para volver a iniciar y/o mantener una circulación adecuada del fluido, posible pérdida de circulación y eliminación desproporcionada de los componentes más ligeros del fluido desde el pozo. El hundimiento de la barita es de particular interés en los fluidos de perforación a base de aceite que se utilizan típicamente en un entorno de moderada y alta presión/temperatura. El hundimiento de la barita también es de interés en pozos bastante desviados, direccionales y ERD, (perforación de alcance extendido) y los experimentos han mostrado que las mayores influencias del hundimiento de la barita se presentan a inclinaciones del sondeo de 40° hasta 60°.

Predecir y controlar el hundimiento de la barita ha sido difícil, ya que la influencia de la reología de fluidos sobre el hundimiento dinámica no está establecido cuantitativamente. El DHAST o probador de hundimiento dinámico de alto ángulo de FANNH Intrument Company, que se describe en la patente US 6,584,833 de Jamison and Murphy, que se incorpora como referencia en la presente, es un instrumento que puede medir la tasa de sedimentación de partículas para indicar la tasa de hundimiento; sin embargo, este dispositivo tiene la desventaja de que se debe utilizar en un entorno de laboratorio y no se puede utilizar en el campo. Además, el método DHAST requiere trabajo de aproximadamente 2 horas-hombre por prueba y las ejecuciones de pruebas durante un período de 15-18 horas.

Los métodos para predecir el hundimiento en el campo han incluido variaciones de una prueba de hundimiento con viscosímetro, en la cual el fluido de perforación se somete a esfuerzo cortante dentro de una taza o cavidad caliente, y posteriormente se analiza para los cambios de densidad. En estas pruebas, la tendencia del hundimiento se considera que será proporcional al cambio de densidad, aunque estas pruebas no proporcionan una medición cuantitativa de la tasa de hundimiento dinámico.

De esta forma, existe una necesidad por un método cuantitativo para predecir el hundimiento con base en las propiedades reológicas disponibles del fluido.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN La presente invención, en sus muchas modalidades, es un método para predecir cuantitativamente el hundimiento dinámico de la barita, con base en las propiedades Teológicas del fluido medias mediante un viscosimetro y/o un reómetro. Las propiedades Teológicas se introducen en una eciiación para determinar la tasa de hundimiento dinámico.

En una modalidad, la invención es un método para predecir la tasa de hundimiento para un particulado suspendido en un fluido. En una modalidad, el fluido es un fluido de perforación, y el material particulado es un material de ponderación. En una modalidad, el material de ponderación es barita.

Los datos reológicos provenientes de un viscosímetro/reómetro se pueden obtener en los términos de esfuerzo cortante y/o viscosidad a las condiciones deseadas de la tasa de deslizamiento {/) , la temperatura (T) y la presión (P). Considerando la característica de afinamiento de deslizamiento de los fluidos de perforación, se pueden aplicar modelos pseudo-plásticos que incluyen el modelo power-law, el modelo Eyring, el modelo Cross, el modelo Carrau, el modelo Ellis o lo semejante a los datos reológicos para extraer los parámetros característicos. Además, los datos reológicos también se pueden modelar considerando la existencia del límite elástico (o límite elástico evidente) es decir, utilizando modelos visco-plásticos. Los diferentes modelos visco-plásticos pueden incluir el modelo de plástico Bingham, el modelo Casson, el modelo Herschel-Bulklcy o lo semejante. Las propiedades reológicas del fluido que comprenden los datos reológicos y/o los parámetros característicos obtenidos al aplicar uno o más de los modelos pseudo-plásticos/visco-plásticos anteriores se utilizan en una ecuación para predecir el comportamiento de la tasa de hundimiento.

En una modalidad, las propiedades reológicas incluyen características de viscosidad y visco-plásticas a partir del modelo Herschel-Bulkley en los términos de límite elástico, e índice de afinamiento del deslizamiento. La viscosidad, el límite elástico, y el índice de afinamiento del deslizamiento se pueden obtener a partir de un viscosímetro/reómetro convencional (viscosímetro/reómetro de cilindro concéntrico con taza constante de deslizamiento con una geometría "API"). En las modalidades, el viscosímetro/reómetro convencional puede ser un viscosímetro/reómetro Fann®-35, Fann-50, Fann-75, o Fann-77.

En una modalidad de la presente invención ilustra que Fuerza Gravitacional = retardo viscoso + retardo visco-plástico para describir el comportamiento de sedimentación de la barita en los fluidos de perforación. Un ejemplo de esto que se muestra en la ecuación que se puede utilizar con esta información reológica es: donde a¡ es el radio de la partícula del material de ponderación, * es la densidad de la partícula del material de ponderación, PJ es la densidad del fluido que rodea a la partícula, g es la aceleración debida a la gravedad, Ui es la tasa de hundimiento dinámico o la velocidad vertical de la partícula de hundimiento de tamaño a¿, m es la viscosidad del fluido de perforación, k es una constante empírica que puede variar de 0.01 hasta 10 cuando TIIB los términos en la ecuación están en unidades SI, to es el límite elástico, y n es el índice afinamiento del deslizamiento. Las propiedades reológicas se obtienen a las condiciones deseadas de la tasa de deslizamiento (g) , la temperatura (T) y la presión (P).

Además de los datos de esfuerzo cortante o viscosidad provenientes de un viscosimetro/reómetro, los datos visco-elásticos se pueden obtener a partir de un reómetro a las condiciones deseadas de temperatura (T) y presión (P). Los datos visco-elásticos pueden estar en los términos de la primera diferencia de tensión normal, la segunda diferencia de tensión normal, el primer coeficiente de tensión normal, el segundo coeficiente de tensión normal, la viscosidad de alargamiento, los parámetros visco-elásticos adimensionales incluyendo el tiempo de relajación Maxweliana, el número Deborah, el número Weissenberg, el número de elasticidad y lo semejante.

Las propiedades reológicas del fluido que comprenden los datos reológicos y/o los parámetros característicos obtenidos al aplicar uno o más de los modelos pseudo-plástico/visco-plásticos anteriores y/o las propiedades visco-elásticas obtenidas se utilizan en una ecuación para predecir el comportamiento de la tasa de hundimiento .

Una modalidad incluye un método para predecir la tasa de hundimiento dinámico de un material de ponderación en un fluido de perforación al obtener los datos reológicos a partir de un dispositivo de medición reológica e introducir las propiedades reológicas en una ecuación para determinar la tasa de hundimiento dinámico donde las propiedades reológicas comprenden la viscosidad del fluido que rodea el material de ponderación y la primera diferencia de tensión normal, opcionalmente el reómetro es un reómetro Antón Paar.

En una modalidad, las propiedades reológicas incluyen la viscosidad del fluido que rodea el material de ponderación y las propiedades visco-elásticas que pueden comprender la primera diferencia de tensión normal que se define como sigue. Para un fluido visco-elástico bajo flujo, las tensiones normales en la velocidad y las direcciones de gradiente de velocidad, respectivamente, pueden volverse desiguales y la diferencia se define como la primera diferencia de tensión normal Ni. La viscosidad del fluido que rodea el material de ponderación se puede obtener utilizando un viscosímetro/reómetro convencional, tal como un viscosímetro/reómetro Fann-35. La primera diferencia de tensión normal se puede obtener utilizando un reómetro, tal como un reómetro Antón Paar. El comportamiento de sedimentación de la barita en los fluidos de perforación se podría describir como Fuerza gravitacional = retardo viscoso + retardo visco-elástico. Un ejemplo de esto que se muestra en la ecuación que se puede utilizar con estas propiedades reológicas es: donde o es el radio promedio de la partícula del material de ponderación, Ps es la densidad de la partícula del material de ponderación, Pf es la densidad del fluido que rodea la partícula, h es la viscosidad del fluido que rodea el material de ponderación, <¾ es una constante empírica que varía de 0.0001 hasta 0.1, l-^'l es el valor absoluto de la primera diferencia de tensión normal, y b es una constante empírica que varía de 0.5 hasta 1.5. Las propiedades reológicas se obtienen en una condición determinada de taza de deslizamiento {/) , temperatura (T) y presión (P).

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1, es una gráfica de la tasa de hundimiento mediante la Ecuación 2 contra el hundimiento experimental según se determina mediante DHAST, para diversos fluidos de perforación.

La figura 2, es una gráfica de la tasa de hundimiento predicha por la Ecuación 5 contra el hundimiento experimental según se determina mediante DHAST, para diversos fluidos de perforación.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN En la presente se describe un método para determinar la tasa de hundimiento dinámico de un fluido de perforación utilizando los datos recopilados a partir de un viscosímetro y/o un reómetro que se pueden utilizar en un sitio de perforación o en un laboratorio.

Los datos reológicos provenientes de un viscosímetro/ reómetro se pueden obtener en los términos de esfuerzo cortante y/o viscosidad a las condiciones deseadas de tasa de deslizamiento (y), temperatura (T) y presión (P).

Considerando la característica de afinamiento de deslizamiento de los fluidos de perforación, los modelos pseudo-plásticos que incluyen el modelo power-law, el modelo Eyring, el modelo Cross, el modelo Carrau, el modelo Ellis o lo semejante se pueden aplicar a los datos reológicos para extraer los parámetros característicos. Además, los datos reológicos también se pueden modelar considerando la existencia de límite elástico (o límite elástico evidente) es decir, utilizando modelos visco-plásticos. Los diferentes modelos visco-plásticos pueden incluir el modelo de plástico Bingham, el modelo Casson, el modelo Herschel-Bulklcy o lo semejante. Las propiedades reológicas del fluido que comprenden los datos reológicos y/o los parámetros característicos obtenidos al aplicar uno o más de los modelos pseudo-plásticos/visco-plásticos anteriores se utilizan en una ecuación para predecir el comportamiento de tasa de hundimiento.

En una modalidad, el método incluye los pasos de medir la viscosidad, y las propiedades visco-plásticas que pueden comprender el límite elástico y el índice de afinamiento de deslizamiento de un fluido de perforación utilizando un viscosímetro/reómetro, y determinar la tasa de hundimiento dinámico vía una ecuación que establece cuantitativamente la relación entre esos parámetros reológicos y la tasa de hundimiento. El viscosimetro/reómetro puede ser bastante conocido en la téenica, en especial aquellos que se pueden utilizar en los sitios de perforación. Los ejemplos de posibles viscosimetros/reómetros convencionales incluyen el Fann Modelo 35, el Fann Modelo 75, y el Fann Modelo 77 de Fann Instrument Company. La ecuación puede ser la Ecuación 2, que se describe más adelante.

Una característica de la presente invención es que los viscosimetros/reómetros convencionales, tales como los viscosimetros/reómetros Fann®, se pueden utilizar en el campo, y no están confinados al laboratorio. La determinación del hundimiento de la barita en el campo puede ser más conveniente y de costo redituable con respecto a los métodos que requieren el uso de instrumentos de laboratorio. Adicionalmente, la rentabilidad en el laboratorio se puede mejorar mediante una reducción en el número de pruebas y errores necesarios los cuales pueden reducir tiempo y costos.

Las ecuaciones se derivaron para modelar el comportamiento de hundimiento de la barita con base en las características reológicas. El hundimiento de la barita se puede describir mediante el régimen de flujo Stokes, un caso extremo de flujo laminar donde los efectos viscosos son mucho mayores que las fuerzas inerciales. Para el régimen de flujo Stokes, la fuerza de retardo sobre una partícula esférica en un fluido Newtoniano se equilibra mediante la fuerza gravitacional neta que actúa sobre la esfera. Por lo tanto, en la Ecuación 1, la fuerza gravitacional es igual a la fuerza de retardo.

En la Ecuación 1, a es el radio de la partícula esférica, h es la viscosidad del fluido, y s y Pf son las densidades de la partícula y el fluido circundante, respectivamente, y g es la aceleración debida a la gravedad. U es la tasa de sedimentación (velocidad de sedimentación terminal) , que es la velocidad vertical de la partícula que se alcanza cuando la fuerza de retardo y la fuerza de gravedad son iguales, de tal forma que la velocidad ya no cambia. U es la tasa de sedimentación de la partícula.

Para fluidos no newtonianos, la ecuación 1 se puede modificar para tomar en cuenta los efectos pseudo-plásticos y/o visco-plásticos; el afinamiento o espesamiento de deslizamiento, el límite elástico, la viscosidad dependiente del tiempo. Por ejemplo, Atapattu et al., "Creeping sphere motion in Herschel-Bulkley fluids" (1995) sugieren un término adicional en la Ecuación 1 para la sedimentación de partículas en el tipo de fluidos Herschel-Bulklcy (HB). Sin embargo, su modelo fue aplicable para la sedimentación de partículas en fluidos en reposo, es decir, sin deslizamiento externo. Los fluidos de perforación a base de aceite están bien categorizados como Herschel-Bulkley; sin embargo, el término proporcionado por Atapattu requirió modificación para capturar el efecto de deslizamiento externo sobre la sedimentación en los fluidos de perforación. El término se modifica (con base en un análisis de escalamiento) y se incluye en la Ecuación 2.

Ec. 3 Uprom = å Yi?± HB En la Ecuación 2, T¾ y n son el límite elástico y el índice de afinamiento del deslizamiento, respectivamente, obtenidos a partir de la modelación Herschel-Bulkley de los datos viscosimétricos/reométricos. El parámetro m denota la viscosidad del fluido de perforación bajo la tasa de deslizamiento externa g. Las propiedades reológicas , n y m dependen en gran medida de la temperatura (T) y la presión (P) y los datos obtenidos a las condiciones deseadas de temperatura y presión. El parámetro k es una constante empírica que varía entre 0.1 hasta 10. t. La tasa de sedimentación promedio de la amplia gama de distribución de tamaño de partícula de la barita se toma en cuenta al sumar el producto de la velocidad de sedimentación de las partículas (Ui) y la fracción en peso (Yi) del tamaño de partícula üj en la distribución de tamaño de partícula como (å Yi??).

El valor de densidad para la partícula, Ps r se considera que será 4.2 g/cc para la barita. La densidad de fluido circundante, Pf, se determina mediante el tipo de aceite base. La tasa de deslizamiento, y, puede ser una tasa de deslizamiento baja seleccionada para modelar las condiciones en el sondeo que provoquen el hundimiento y que coincidan con las rpm de deslizamiento del viscosímetro/reómetro; por ejemplo, la tasa de deslizamiento puede ser 5 s1. Los valores desconocidos, la viscosidad, el límite elástico y el índice de afinamiento del deslizamiento, son las propiedades reológicas utilizadas para predecir la tasa de hundimiento. La viscosidad se puede determinar mediante un viscosímetro/reómetro a una rpm que coincida con la tasa de deslizamiento. El límite elástico y el indice de afinamiento del deslizamiento se determinan mediante un viscosímetro/reómetro a múltiples ajustes de rpm, lo cual resulta entonces cuando se ejecuta el software Halliburton DFG para proporcionar los números para el limite elástico y el indice de afinamiento del deslizamiento. Todas las propiedades de los fluidos se miden o se ajustan a la misma temperatura y presión.

El ejemplo 1 más adelante explica la forma en que se determinó la constante empírica 1 y la forma en que se puede utilizar la Ecuación 2 para proporcionar las predicciones de tasa de hundimiento que coincidan con la tasa de hundimiento proporcionada por DHAST.

Además de los datos de esfuerzo cortante y/o viscosidad provenientes de un viscosímetro/reómetro, los datos visco-elástico se pueden obtener a partir de un reómetro a las condiciones deseadas de temperatura (T) y presión (P). Los datos visco-elásticas pueden estar en los términos de la primera diferencia de tensión normal, la segunda diferencia de tensión normal, el coeficiente primario de tensión normal, el segundo coeficiente de tensión normal, la viscosidad de alargamiento, los parámetros visco-elásticos adimensionales que incluyen el tiempo de relajación Maxweliana, el número Deborah, el número Weissenberg, el número de elasticidad y lo semejante.

Las propiedades reológicas del fluido que comprenden los datos reológicos y/o los parámetros característicos obtenidos al aplicar uno o más de los modelos pseudo-plásticos/visco-plásticos anteriores y/o las propiedades visco-elásticas obtenidas anteriormente se utilizan en una ecuación para predecir el comportamiento de la tapa de hundimiento.

En otra modalidad, el método incluye los pasos para medir la viscosidad del fluido que rodea el material de ponderación y las propiedades visco-elásticas que pueden comprender la primera diferencia de tensión normal de un fluido de perforación utilizando un viscosímetro/reómetro y un reómetro, respectivamente, y determinar tasa de hundimiento dinámica via una ecuación que establece cuantitativamente la relación entre esos parámetros reológicos y la tasa de hundimiento. El viscosimetro/reómetro puede ser cualquiera de los conocidos en la téenica, en especial aquellos que se pueden utilizar en los sitios de perforación. Los ejemplos no limitantes de posibles viscosimetros/reómetros incluyen el Fann 35, el Fann 75, y el Fann 77. Otros posibles instrumentos pueden incluir el reómetro Antón Paar. La ecuación puede ser la Ecuación 3, que se describen más adelante.

La Ecuación 1 se puede modificar al tomar en cuenta el efecto visco-elástico del fluido de perforación. El retardo sobre una esfera en los fluidos visco-elásticos se determina mediante una interacción compleja entre las características reológicas de deslizamiento y de extensión del sistema. En los fluidos bastante visco-elásticos, se ha observado una mejora en el retardo experimentalmente por muchos investigadores. Como un ejemplo, la publicación de patente de Estados Unidos (US 2011/0219856) sugiere la siguiente ecuación para capturar cualitativamente la sedimentación en los fluidos visco-elásticos.

Ec. 4 (4/3)*p*a3*(r,- pj g=6*p*h*a*u + a*4*p *a2*Ni En la Ecuación 4, Ni es la primera diferencia de tensión normal del fluido bajo un deslizamiento constante. El término h en el término de retardo viscoso representa la viscosidad del fluido que rodea la partícula de sedimentación. Las propiedades reológicas h y Ni dependen en gran medida de la tasa de deslizamiento (r), temperatura (T) y presión (P) y los datos obtenidos a las condiciones deseadas de deslizamiento, temperatura y presión.

La viscosidad del fluido que circunda la partícula de barita, es decir la viscosidad del fluido de perforación sin la barita, se puede obtener al formular el fluido de perforación determinado sin la barita y al recolectar los datos de viscosidad y las tasas de deslizamiento deseadas. Como una alternativa, para obtener la viscosidad del fluido de perforación sin la barita, es decir la tasa de deslizamiento de 3 RPM sobre Fann-35, siguiendo el método que podría utilizar; el término esfuerzo cortante, [Q 3 rpm] (la lectura del indicador del Fann-35 3 RPM), se puede dividir entre el término de efecto Thomas (Qin and Fan, Materials Science and Technology, 2011) para obtener [Q 3 rpm]fluld wb es decir, el esfuerzo cortante del fluido de perforación en ausencia de la partícula de barita como se muestra más adelante en la Ecuación 5 (p es la fracción volumétrica de la barita). El valor resultante para h luego se puede utilizar en la Ecuación 4.

Ec . 5. [Q 3 rpm]<luid vb - (Q 3 rpm) / (1 +2.5 * f + A* f2 + S*exp(C* f)) h = [q 3 rpmfUK, wb/Y^ en donde 7 ~ 5 s 1 La ecuación 4 se puede modificar adicionalmente para que incluya una dependencia no lineal sobre Ni que puede caracterizar mejor cuantitativamente la naturaleza de la relación entre la sedimentación y la elasticidad del fluido. La dependencia no lineal se captura mediante el parámetro b en la Ecuación 6.

\ Los términos a y b son constantes empíricas. El término b es 0.75, donde a varía de 0.0001 hasta 0.1. Al igual que para la Ecuación 6, a es el radio promedio de la partícula de barita, y la densidad de la partícula de barita, Ps, se considera que será 4.2 g/cc. La densidad del fluido circundante, Pf, se determina mediante el tipo de aceite base. La tasa de deslizamiento, g, puede ser una tasa de deslizamiento baja seleccionada para modelar las condiciones en el sondeo que provocan el hundimiento y que coincidan con las rpm de esfuerzo cortante del viscosímetro/reómetro. Obsérvese que los parámetros reológicos, la viscosidad de fluidos ( h ) y Ni dependen de la tasas de deslizamiento g aplicada al fluido, y por lo tanto la tasa de sedimentación también depende de la velocidad a la cual se está deslizando el fluido. La viscosidad de fluidos se puede determinar utilizando un viscosímetro/reómetro a una rpm para que coincida con la tasa de deslizamiento. La primera diferencia de tensión normal Nc se puede obtener utilizando un reómetro. Todas las propiedades de los fluidos se deben medir, o ajustar a la misma temperatura y presión. El Ejemplo 2 más adelante explica la forma en que las constantes empíricas a y b se determinaron y demuestra el uso de la Ecuación 6 para predecir la tasa de hundimiento con base en las características reológicas.

Los siguientes ejemplos ilustran las posibles modalidades de la presente invención aunque pretenden estar de acuerdo con el alcance de la invención y sin ninguna limitación.

Ejemplo 1. La Ecuación 2 se puede utilizar como una base para modelar el comportamiento de hundimiento en diversos fluidos de perforación a base de aceite. La relación puede predecir cuantitativamente el hundimiento dinámico utilizando los datos reológicos como entrada.

Para obtener la constante empírica k en el modelo, se recopilaron datos experimentales sobre diversos fluidos de perforación a base de aceite a las condiciones deseadas de temperatura, presión y tasa de deslizamiento. Los datos experimentales incluyen los datos de viscosidad (h) provenientes de Fann-35 (o Fann-75/77) y las tasas de hundimiento (U) provenientes de DHAST.

Los fluidos de perforación a base de aceite se seleccionaron de tal forma que tuvieran una variación en el tipo de aceite base, la proporción de aceite/agua (o/w), el contenido de sólidos a gravedad baja, la concentración viscosif icadora y el peso del lodo. Después de la preparación, los fluidos de perforación se enrollaron en caliente a la temperatura seleccionada durante 16 horas antes de realizar la prueba.

Los datos de viscosidad se midieron a 3 rpm (5 s1), 93.33°C (150°F) y presión atmosférica. Se utilizó un Fann-35 para evaluar los datos a 93.33°C (150°F) mientras que se utilizó un Fann-75/77 a temperaturas mayores de 93.33°C (150°F). Las muestras de fluido también se probaron en el viscosimetro/reómetro Fann-35 para las mediciones de tensión (o lecturas del indicador) a velocidades de giro 600, 300, 200, 100, 6 y 3 rpm, a partir de lo cual los parámetros HB Herschel-Bulklcy (to y n, para el limite elástico y el indice de afinamiento del deslizamiento, respectivamente) se calcularon utilizando el software Halliburton DFG. Los experimentos DHAST se realizaron a una temperatura de 93.33°C (150°F) y presión de 13.79 MPa (2000 psi) y bajo una tasa de deslizamiento de aproximadamente 5 s1, la tasa de deslizamiento es similar a la obtenida a 3 rpm en el Fann 35. La tasa de hundimiento promediada durante las tres primeras horas se utilizó para fines de modelación.

La Tabla 1 muestra la lectura del viscosimetro/reómetro Fann 35 (Q 3 rpm), el limite elástico HB (t° ), y el indice de afinamiento del deslizamiento (n) para algunas muestras de fluidos de perforación. La viscosidad m se obtiene como ([Q 3 rpm]/).

Tabla 1. Propiedades reológicas (viscosas y visco-plásticas) de diferentes muestras de fluidos para peso del lodo (93.33°C (150°F), muestra típica de barita) El valor promediado de k obtenido al incorporar los datos reológicos y de tasa de hundimiento experimental (a partir de DHAST) de 14 fluidos de perforación seleccionados en las Ecuaciones 2 y 3 es de aproximadamente k = 0.18.

Utilizando esta constante empírica, se utilizó el modelo (Ecuaciones 2 y 3) para predecir las tasas de hundimiento con base en los datos reológicos.

La figura 1, muestra una gráfica de la tasa de hundimiento predicha mediante el modelo (Ecuaciones 2 y 3) contra el hundimiento experimental según se determina mediante DHAST para 14 fluidos de perforación seleccionados anteriores. El RMSE (Error medio Cuadrático) entre los valores predichos y medidos de las tasas de hundimiento (U) es sólo de aproximadamente 0.55 mm/hr; este error es similar al error instrumental esperado para el instrumento DHAST.

Para verificar la validez del modelo, las Ecuaciones 2 y 3, se utilizaron para predecir la tasa de hundimiento de los fluidos de perforación no utilizados para constituir los parámetros modelo, y luego se compararon con los resultados DHAST de los fluidos de perforación respectivos. Se probaron los fluidos de perforación con variación en la distribución de tamaño de partícula (PSD), los lodos base de campo, y los fluidos de perforación con variación en la condición de temperatura. La Tabla 2 muestra los datos reológicos, y la tasa de hundimiento predicha y experimental para dos fluidos de perforación que varían en la distribución de tamaño de partícula de la barita (PSD). La Tabla 3 muestra los datos reológicos, y la tasa de hundimiento predicha y experimental para dos diferentes fluidos de perforación sobre el terreno. La Tabla 4 muestra los datos reológicos, y la tasa de hundimiento predicha y experimental para los fluidos de perforación que varían de la temperatura.

Tabla 2. Tasa de hundimiento predicha contra experimental para los fluidos de perforación con variación en la PSD Tabla 3. Tasa de hundimiento predicha contra experimental para fluidos de perforación sobre el terreno Tabla 4. Tasa de hundimiento predicha contra experimental para los fluidos de perforación de diversas temperaturas Las tasas de hundimiento predichas a partir de los fluidos de las Tablas 2, 3 y 4 corresponden a las tasas de hundimiento experimentales con un RMSE menor de 0.6 m /h. de esta forma, las predicciones de hundimiento realizadas de acuerdo con este método pueden actuar como alternativa a las pruebas DHAST basadas en laboratorio, que ahorran una cantidad significativa de tiempo y costo. El método de predicción también se puede utilizar en el campo para evaluar el potencial de hundimiento del fluido de perforación bajo las condiciones deseadas de temperatura, presión y tasa de deslizamiento .

Ejemplo 2. La Ecuación 6 se utilizó como una base para modelar el comportamiento de hundimiento en diversos fluidos de perforación a base de aceite. La relación puede predecir cuantitativamente el hundimiento dinámico utilizando los datos reológicos como entrada. Los datos experimentales para obtener las constantes empíricas en la Ecuación 6 incluyen los datos de viscosidad ( h) provenientes de Fann-35, la elasticidad de los fluidos o los datos de la primera diferencia de tensión normal (Ni) provenientes de un Reómetro Antón Paar, y las tasas de hundimiento (U) a partir de DHAST.

Los fluidos de perforación a base de aceite se formularon de tal forma que tuvieran una variación en el tipo de aceite base, la proporción de o/w, la concentración de aditivos y el peso del lodo. El contenido de sólidos de baja gravedad y la concentración viscosificadora también se variaron para obtener la diferenciación en los términos de reología de gama baja. Después de la preparación, los fluidos de perforación se enrollaron en calienLe a 93.33°C (150°F) durante 16 horas antes de la prueba.

Los datos de viscosidad se midieron a 93.33°C (150°F) y a presión atmosférica.

La magnitud de Ni es una medición del grado de visco-elasticidad del fluido bajo esfuerzo cortante. Utilizando el Reómetro Antón Paar (MCR-301), se utilizó una geometría de placa paralela PP-50 para estudiar la reología de giro del fluido de perforación. El espacio entre las placas paralelas se seleccionó para que fuera de 1 mm de tal forma que el tamaño del espacio permanezca significativamente superior al del tamaño de la partícula de barita. Todas las pruebas se condujeron a 93.33°C (150°F) y a presión atmosférica. El fluido de perforación (después del enrollado en caliente) se mezcló en la multi-mezcladora Fann durante aproximadamente 10 minutos y luego se agregó entre las placas paralelas de la geometría PP-50 (~2 mi). El fluido de perforación se pre-deslizó entre las placas durante 1 min a una tasa de deslizamiento de 10 s_1. Luego, el fluido de perforación se sometió a una rampa de deslizamiento iniciando de 0.1 s1 hasta una tasa máxima de deslizamiento de 50 s1 con 50 puntos de datos recolectados en cada una de las tasas de deslizamiento intermedias seleccionadas. Para cada punto de datos se registró la respuesta al deslizamiento y tensión normal.

Para un fluido visco-inelástico, N ~ 0. Para un fluido visco-elástico bajo flujo, las tensiones normales en la velocidad y las direcciones del gradiente de velocidad, tcc y xyy, respectivamente, se pueden tornar desiguales y, por lo tanto, Ni = tcc - tyy se torna no cero. Cuando Ni se mide con la geometría de placas paralelas de un reómetro, el valor negativo de Nx implica que las placas del reómetro se empujan conjuntamente, como se observa en el presente estudio. Con el fin de modelar el hundimiento, la magnitud de i que se expresa como |Nil para representar el grado de elasticidad de fluidos .

Los experimentos DHAST se realizaron a una tasa de deslizamiento de aproximadamente 5 s1. La tasa de hundimiento obtenida en las primeras tres horas después del calentamiento se consideró con el fin de la modelación.

La tabla 5 muestra la lectura del viscosímetro/reómetro, la primera diferencia de tensión normal, y la tasa de hundimiento experimental para ocho diferentes fluidos de perforación.

Tabla 5. Reología (viscosidad y visco-elasticidad) y tasas de hundimiento para diversos fluidos de perforación a 93.33°C (150°F) La lectura del indicador del Fann-35 3 RPM, Q 3 rpm, representa el esfuerzo cortante de un fluido de perforación, que se tabulan en la Tabla 5 para los fluidos seleccionados. La Ecuación 5 se utilizó para determinar el término h, la viscosidad del fluido que rodea la partícula de sedimentación .

Los datos para h, |Nil y la tasa de hundimiento U para los diferentes fluidos de perforación listados en la Tabla 5 se incorporan en la Ecuación 6. El radio de partícula promedio se considera como a = 12.5 mm, que es el tamaño promedio API estándar (dso) de la partícula de barita. La densidad de la barita Ps, se considera que será 4.2 g/cc y la densidad los fluidos Pf como el aceite base (por ejemplo, Baroid ALKANEMR, ESCAID, y ENCORE® BASE) que se utilizará. Utilizando estos datos de entrada, la Ecuación 6 se resolvió para obtener empíricamente los valores de las constantes a y b. El ajuste más consistente obtenido para b fue 0.75 donde a fue 0.00126 ± 0.0002.

Después de determinar las constantes empíricas, en la Ecuación 6 se utilizó la reología de fluidos ( h y Ni) para predecir la tasa de hundimiento (U). La figura 2 muestra una gráfica de la tasa de hundimiento predicha por la Ecuación 6 contra el hundimiento experimental según se determinó mediante DHAST para los ocho fluidos seleccionados en la Tabla 5. Las predicciones de la tasa de hundimiento estuvieron de acuerdo con las tasas de hundimiento experimentales correspondientes. El RMSE (Error Medio Cuadrático) entre los valores predichos y medidos de las tasas de hundimiento (T) fue de aproximadamente 0.49 mm/h; este error es similar al error instrumental esperado para el equipo DHAST.

Para verificar la validez del modelo, se utilizó la ecuación 2 para predecir la tasa de hundimiento de los fluidos de perforación no utilizados para construir los parámetros modelo y, luego se compararon con los resultados DHAST de los fluidos de perforación respectivos. La Tabla 6 muestra los datos reológicos y la tasa de hundimiento predicha y experimental para cuatro fluidos de perforación que varían en la formulación .

Tabla 6. Tasa de hundimiento experimental contra predicha para diversos fluidos de perforación a 93.33°C (150°F) Las tasas de hundimiento (U) predichas corresponden con las tasas de hundimiento de experimentales, según se determina mediante DHAST con un RMSE de 0.59 mm/h. De esta forma, el comportamiento de la tasa de hundimiento de los fluidos de perforación se puede predecir mediante el modelo de hundimiento utilizando los parámetros reológicos como entrada.

Aunque la invención se dirige principalmente a la medición del hundimiento de la barita en los fluidos de perforación, los métodos descritos en la presente se pueden utilizar para determinar la tasa de hundimiento de cualquier particulado suspendido en cualquier tipo de fluido. Los ejemplos incluyen cualquier particulado de múltiples fluidos que exhiban tendencias de hundimiento o sedimentación de partículas tales como los fluidos de cementación, los fluidos separadores, los fluidos de fracturación y los fluidos para filtro de grava.

Las diversas modalidades de la presente invención se pueden unir en combinación con otras modalidades de la invención y las modalidades listadas en la presente no significa que limiten la invención. Se permiten todas las combinaciones de las diversas modalidades de la invención, incluso si no se proporcionan en un ejemplo particular en la presente .

Mientras que se han representado y descrito las modalidades ilustrativas, las modificaciones de las mismas se pueden realizar por un experto en la téenica sin apartarse del espíritu y alcance de la descripción. Cuando se establezcan expresamente variaciones y limitaciones numéricas, estas variaciones o limitaciones expresas se deberá entender que incluyen las variaciones o limitaciones iterativas o de magnitud semejante que queden dentro de las variaciones o limitaciones establecidas expresamente (por ejemplo, entre aproximadamente 1 hasta aproximadamente 10 incluye, 2, 3, 4, etc.; más de 0.10 incluye 0.11, 0.12, 0.13, etc .).

Dependiendo del contexto, todas las referencias en la presente a la "invención", en algunos casos pueden hacer referencia a ciertas modalidades específicas únicamente. En otros casos, se puede hacer referencia a la materia mencionada en una o más, aunque no necesariamente todas las reivindicaciones. Mientras que lo anterior se dirige a las modalidades, las versiones y ejemplos de la presente invención, que se incluyen para permitir que alguien con experiencia normal en la téenica realice y utilice las invenciones, cuando la información en esta patente se combina con la información y tecnología disponibles, las invenciones no se limitan únicamente a estas modalidades, versiones y ejemplos particulares. Se pueden concebir modalidades, versiones y ejemplos distintos y adicionales de la invención sin apartarse del alcance básico de la misma y el alcance de la misma se determina mediante las siguientes reivindicaciones .

Claims (27)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito el presente invento, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes REIVINDICACIONES :

1. Un método para predecir la tasa de hundimiento dinámico de un material de ponderación en un fluido de perforación caracterizado porque comprende: Obtener de datos reológicos provenientes de un dispositivo de medición reológica, obtener parámetros característicos utilizando los datos reológicos e introducir las propiedades reológicas del fluido que comprenden los datos reológicos y/o los parámetros característicos en una ecuación para determinar la tasa de hundimiento dinámico.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el material de ponderación es barita. 3. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el dispositivo de medición reológica es un viscosímetro y/o un reómetro.

3. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los datos reológicos comprenden datos de esfuerzo cortante y/o viscosidad a las condiciones deseadas de tasa de deslizamiento (c) , temperatura (T) y presión (P).

4. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los parámetros característicos se obtienen al aplicar un modelo pseudo-plástico a los datos reológicos que consideran la característica de afinamiento de deslizamiento de los fluidos de perforación.

5. El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el modelo pseudo-plástico se selecciona del grupo que consiste del modelo power-law, el modelo Eyring, el modelo Cross, el modelo Carrau, el modelo Ellis y combinaciones de los mismos.

6. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los parámetros característicos se obtienen donde los datos reológicos se modelan considerando la existencia de límite elástico utilizando modelos visco-plásticos.

7. El método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el modelo visco-plástico se selecciona del grupo que consiste del modelo de plástico Bingham, el modelo Casson, el modelo Herschel-Bulklcy y combinaciones de los mismos.

8. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las propiedades reológicas en los términos de viscosidad, limite elástico e índice de afinamiento del deslizamiento se utilizan en la ecuación para determinar la tasa de hundimiento dinámico.

9. El método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque la viscosidad, el límite elástico, y el índice de afinamiento del deslizamiento se obtienen a partir de un viscosímetro/reómetro del cilindro concéntrico con un viscosímetro de geometría "API" (convencional).

10. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la ecuación es fuerza gravitacional = retardo viscoso + retardo visco-plástico .

11. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la ecuación - donde a es el radio de la partícula del material de ponderación, Ps es la densidad de la partícula del material de ponderación, Pf es la densidad del fluido que rodea a la partícula, g es la aceleración debida a la gravedad, ü es la tasa de hundimiento dinámico de la partícula de hundimiento de tamaño a ¡, m es la viscosidad del fluido de perforación, y es la tasa de deslizamiento, k es una constante empírica que puede variar de 0.01 hasta 10, es el límite elástico, y n es el índice afinamiento del deslizamiento. Las tasas de sedimentación promedio para una distribución de tamaño de partícula determinada del material de ponderación se puede estimar al sumar el producto de la velocidad de sedimentación de las partículas (Ui) y la fracción en peso (Yi) del tamaño de partícula a como (å Y??i).

12. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las propiedades reológicas comprenden además las propiedades visco-elásticas a las condiciones deseadas de temperatura (T) y presión (P).

13. El método de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque las propiedades visco-elásticas comprenden de primera diferencia de tensión normal, la segunda diferencia de tensión normal, el coeficiente primario de tensión normal, el segundo coeficiente de tensión normal, la viscosidad de alargamiento, los parámetros adimensionales que incluyen el tiempo de relajación Maxweliana, el número Deborah, el número Weissenberg, el número de elasticidad y combinaciones de los mismos.

14. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las propiedades reológicas que comprenden la viscosidad del fluido que rodea el material de ponderación y la primera diferencia de tensión normal se utilizan en la ecuación para determinar la tasa de hundimiento dinámico.

15. El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque la viscosidad del fluido que rodea el material de ponderación se obtiene utilizando un viscosimetro/reómetro .

16. El método de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el viscosimetro/reómetro es un cilindro concéntrico con una geometría como se especifica mediante API (convencional).

17. El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque la primera diferencia de tensión normal se obtiene utilizando un reómetro.

18. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la ecuación es fuerza gravitacional = retardo viscoso + retardo visco-elástico .

19. El método de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque la ecuación es (4/3)*p*b?%¾ - p/)*g = 6*p*h*b*? + G/.*4*p¾2*[Ni|m donde a es el radio promedio de la partícula del material de ponderación, A es la densidad de la partícula del material de ponderación, Pf es la densidad del fluido que rodea la partícula, g es la aceleración debida a la gravedad, U es la tasa de hundimiento dinámico, h es la viscosidad del fluido que rodea el material de ponderación, g es la tasa de deslizamiento, & es una constante empírica que varía de 0.0001 hasta 0.1, 1^*1 es el valor absoluto de la primera diferencia de tensión normal, y b es una constante empírica que varía de 0.5 hasta 1.5.

20. Un método para formular o ajustar la composición del fluido de perforación con base en las predicciones de la tasa de hundimiento utilizando datos reológicos caracterizado porque comprende: Obtener datos reológicos provenientes de un dispositivo de medición reológica, obtener parámetros característicos utilizando los datos reológicos e introducir las propiedades reológicas del fluido que comprenden los datos reológicos y/o los parámetros característicos en una ecuación para determinar la tasa de hundimiento dinámico.

21. El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque los datos reológico comprenden los datos de esfuerzo cortante y/o viscosidad a las condiciones deseadas de tasa de deslizamiento { ) , temperatura (T) y presión (P).

22. El método de conformidad con la reivindicación 20 ó 21, caracterizado porque los parámetros característicos se obtienen utilizando un modelo de pseudo-plástico considerando la característica de afinamiento del deslizamiento de los fluidos de perforación seleccionados del grupo que consiste del modelo power-law, el modelo Eyring, el modelo Cross, el modelo Carrau, el modelo Ellis, y combinaciones de los mismos.

23. El método de conformidad con la reivindicación 20, 21, ó 22, caracterizado porque los parámetros característicos se modelan considerando la existencia de límite elástico utilizando modelos visco-plásticos seleccionados del grupo que consiste del modelo plástico Bingham, el modelo Casson, el modelo Herschel-Bulklcy y combinaciones de los mismos.

24. El método de conformidad con la reivindicación 20, 21, 22, ó 23, caracterizado porque la ecuación es la fuerza gravitacional = retardo viscoso + retardo visco-plástico .

25. El método de conformidad con la reivindicación 20, 21, 22, 23, ó 24, caracterizado porque las propiedades reológicas comprenden además las propiedades visco-elásticas a las condiciones deseadas de temperatura (T) y presión (P).

26. El método de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado porque las propiedades visco-elásticas comprenden la primera diferencia de tensión normal, la segunda diferencia de tensión normal, el coeficiente primario de tensión normal, el segundo coeficiente de tensión normal, la viscosidad de alargamiento, los parámetros adimensionales que incluyen el tiempo de relajación Maxweliana, el número Deborah, el número Weissenberg, el número de elasticidad y combinaciones de los mismos.

27. El método de conformidad con la reivindicación 20, 21, 22, 23, 24, 25, ó 26, caracterizado porque la ecuación es fuerza gravitacional = retardo viscoso + retardo visco-elástico .