High pressure rheology of drilling fluids
- Autores: Juan Hermoso Limón
- Directores de la Tesis: Francisco José Martínez Boza (dir. tes.), Críspulo Gallegos Montes (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Huelva ( España ) en 2014
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 228
- Tribunal Calificador de la Tesis: Paul Luckham (presid.), Pedro Partal López (secret.), María José Pérez Comuñas (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Arias Montano
- Resumen
- español
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.
- English
Generally, drilling fluids may be multicomponent suspensions, emulsions and/or foams, basically consisting of a base fluid (oil or water), viscosifiers/thinners (clays, biopolymers, etc) and weighting agents (salts) designed to lubricate during drilling operation and removal the cuttings, among others functions. In this sense, clays, mainly smectites, and particularly for oil-based drilling fluid, organobentonites are the most typical additives to achieve fluid properties. Accordingly, the knowledge of organobentonite effect on the fluid properties as function of pressure and temperature is essential for designing a fit-for-purpose drilling fluid for any particular wellbore challenge. Consequently, this Thesis focuses on the influence that both pressure and temperature exerts on the rheological and volumetric behaviour of model suspensions, formulated with organobentonites and mineral oils, commonly used as oil-based drilling fluids. Chapter 4.1 deals with the characterization of the non-Newtonian flow behaviour of these rheologically complex materials as function of pressure applying the approach of the mixing rheometry. The results demonstrate that the special geometries used enable to measure the effect of pressure on rheological parameters of drilling fluids, extending the experimental shear-rate window covered by conventional coaxial cylinders to lower values. Chapter 4.2 studies the effect that organobentonite nature and concentration exert on the rheological properties of oil-based suspensions submitted to high pressure, performing viscous flow measurement of model oil-based drilling fluids under high pressures. As expected, the viscous flow behaviour of oil-based fluids is strongly influenced by organobentonite nature and concentration. In addition, the pressure-viscosity behaviour of these oily model suspensions is mainly affected by the piezo-viscous properties of the oil and the properties of the continuous phase. A factorial Sisko-Barus, which combines the shear and pressure influences in the same equation, fits the experimental pressure-viscosity data, fairly well. Chapter 4.3 deals with the rheological characterization as function of temperature and pressure, of two model all¬oil drilling fluids (5% by weight of organobentonite), using both Bingham and Herschel-Bulkley models. These results have been explained on the basis of the compression of the continuous media and thermally-induced changes in effective disperse volume fraction, being the latter attributed to changes in solvency between polymer-covered particles and the oil media with temperature. chapter 4.4 is devoted to study the influence of aqueous phase volume fraction, organobentonite concentration and pressure on rheological properties of model invert oil emulsions (also known as invert-muds). From experimental results, it can be deduced that, at atmospheric pressure, both apparent yield stresses and linear viscoelastic modulus are highly influenced by the aqueous disperse phase volume fraction, as well as organoclay concentration, and high pressure rheological behaviour of these invert emulsions may be related to the elasticity of the interfacial layer surrounding the emulsified droplets. The last chapters 4.4 and 4.5 have been focused on the influence of organoclay nature and concentration on the density of the model all-oil drilling fluids, in a wide range of pressure and temperature. From pressure-density-temperature data obtained, it can be concluded that, organobentonite addition to the oil base yielded a significant increase in density values in the whole range of temperature and pressure tested. Besides, pressure-viscosity-temperature data of oil-based drilling fluids were satisfactorily used to predict the evolution of viscosity of these systems as function of pressure and temperature using both free-volume based models such as Yasutomi�s and FMT�s models and empirical model such as WLF-Barus� model.
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