GUÍA DE FLUIDOS DE PERFORACIÓN Y LABORATORIO

Universidad Surcolombiana
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA PETROLEOS

ENSAYO 2. VISCOSIDAD MARSH Y ROTATORIA

CON Y SIN EXTENDEDOR DE BENTONITA
1. OBJETIVO:

a) Medir la viscosidad de los fluidos usando embudo de Marsh y viscosímetro rotatorio

Fann 35A.
b) Analizar la modificación de las propiedades reológicas de un fluido al utilizar un
extendedor de bentonita.
c) Relacionar el índice de capacidad de acarreo con los parámetros reológicos.

2. RESUMEN TEÓRICO

2.1 REOLOGIA

2.1.1 Viscosidad

La viscosidad del lodo se refiere a la medición de la resistencia del lodo a fluir. La función
principal de la viscosidad de un fluido de perforación es la de transportar los recortes a
superficie y suspender los materiales densificantes.

La viscosidad del lodo debe ser lo bastante alta para que el material densificante
permanezca en suspensión; y debe ser lo suficientemente baja para permitir que la arena
y los recortes sean separados en la unidad de control de sólidos, además de permitir el
escape a superficie del gas entrampado.

Una viscosidad excesiva puede causar altas presiones de bombeo, lo que incrementaría
los efectos de pistoneo o surgencia durante las operaciones de maniobra.

2.2.2 Propiedades reológicas relevantes

Las propiedades de flujo (o reológicas) de un lodo son aquellas propiedades las cuales
describen las características de flujo de un lodo bajo varias condiciones de flujo. En un
sistema de circulación de lodo, el flujo ocurre en una variedad de velocidades en
conductos de diferentes tamaños y formas. Para conocer o predecir los efectos de este
flujo, necesitamos conocer el comportamiento de flujo del lodo en varios puntos de interés
del sistema de circulación. Y para simplificar el procedimiento de medición se realiza solo
un determinado número de mediciones.

La reología en la industria petrolera (específicamente en lo que respecta al control de las

propiedades de los fluidos de perforación), se generaliza en el control de las siguientes
propiedades reológicas:

1. Viscosidad Aparente (VA) 4. Punto Cedente (PC o YP)

2. Viscosidad Efectiva (µe) 5. Esfuerzo Gel
3. Viscosidad Plástica (VP)

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Tales propiedades pueden ser medidas con el Viscosímetro Fann 35A.

TIXOTROPÍA Y FUERZA GEL.

La Tixotropía de un fluido de perforación es su capacidad para desarrollar un esfuerzo de

gel con el tiempo, o la propiedad de un fluido que hace que éste desarrolle una estructura
rígida o semirrígida de gel cuando está en reposo, pero que puede volver a un estado
fluido bajo agitación mecánica. Este cambio es reversible.

Esfuerzo de Gel es la capacidad o medida de la capacidad de un coloide para formar

geles. El esfuerzo de gel es una unidad de presión reportada generalmente en lb/100
pies2. Constituye una medida de las mismas fuerzas entre partículas de un fluido que las
que son determinadas por el punto cedente, excepto que el esfuerzo de gel se mide bajo
condiciones estáticas, mientras que el punto cedente se mide en condiciones dinámicas.
Las medidas comunes de esfuerzo de gel son los geles iniciales y los geles a 10 minutos.

Esfuerzo de Gel, 10-Seg. El esfuerzo de gel inicial medido de un fluido es la indicación

máxima (deflexión) registrada por in viscosímetro de indicación directa, después de que
el fluido haya permanecido estático por 10 segundos. Se reporta en lb/100 pies 2. Efecto
de la temperatura y presión sobre la viscosidad.

Esfuerzo de Gel, 10-Min. El esfuerzo de gel medido a 10 minutos de un fluido es la

indicación máxima (deflexión) registrada por un viscosímetro de indicación directa,
después de que el fluido haya permanecido estático por 10 minutos. Se reporta en lb/100
pies2.

Esfuerzo de Gel, 30-Min. El esfuerzo de gel medido a 30 minutos de un fluido es la

indicación máxima (deflexión) registrada por un viscosímetro de indicación directa,
después de que el fluido haya permanecido estático por 30 minutos. Se reporta en lb/100
pies2.

2.2 EXTENDEDOR DE BENTONITA

Los extendedores de bentonita son polímeros adicionados a un mineral de arcilla para

perforación durante la trituración o adicionado directamente a un sistema de lodo
bentonítico para mejorar el rendimiento reológico de la arcilla.

Conceptualmente, los polímeros extendedores de la arcilla logran el tipo de reología

necesaria para una rápida perforación con menos sólidos coloidales y viscosidad más baja
a una elevada velocidad de corte (en la broca). Esto es lo que se conoce como un sistema
de lodo no disperso con bajo contenido de sólidos.

Los extendedores normalmente son polímeros aniónicos de cadena larga que enlazan entre
sí plaquetas de arcilla formando grandes redes, son muy eficaces, pero pueden ser
precipitados por los iones de dureza.

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Los polímeros no iónicos son menos eficaces, pero también mucho menos sensibles a los
iones de dureza.

Los polímeros lineales excesivamente largos pueden romperse en condiciones de

cizallamiento mecánico; ya sea por precipitación o ruptura; los polímeros extendedores
pueden perder su eficiencia rápidamente si se eligen mal y se usan inadecuadamente.

Una arcilla de grado de perforación que no tiene extendedor es la que cumple con la norma
para bentonita API no tratada. La bentonita API y la bentonita API grado OCMA usualmente
contienen polímeros extendedores.

2.3 EQUIPOS PARA MEDICION DE LA VISCOSIDAD

2.3.1 Embudo De Marsh

2.3.1.1 Características

Figura Nº 2a: Viscosímetro Marsh

El viscosímetro Marsh (Figura Nº 2a) se utiliza en campo para la medición de rutina de la

viscosidad del fluido de perforación, lo que permite al personal reportar periódicamente la
consistencia del lodo, parámetro que le sirve al ingeniero de lodos para notar cambios
significativos en las propiedades del lodo. Esta viscosidad es denominada viscosidad
embudo o viscosidad Marsh.

El viscosímetro de Marsh tiene un diámetro de 6 pulgadas en la parte superior y una

longitud de 12 pulgadas. En la parte inferior esta un tubo de orificio liso de 2 pulgadas de
largo, con un diámetro interior de 3/16 pulgada y una capacidad de 1500 ml.

Tiene una malla de tela metálica con orificios de 1/16 de pulgada cubre la mitad del
embudo que está fijada a 3/4 de pulgada debajo de la parte superior del embudo.

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Figura Nº 2b: Dimensionamiento viscosímetro Marsh

2.3.1.2 Calibración del embudo de Marsh

Antes de medir la viscosidad embudo, se debe calibrar

el embudo Marsh de la siguiente manera:

1. Llenar el embudo hasta la parte inferior de la

malla con agua dulce a 70 ± 5 °F.
2. Mida el tiempo requerido para descargar 1 qt
(946 ml) de agua dulce.
3. Reportar los segundos requeridos para la
descarga total del quart de agua dulce.

El tiempo requerido para la descarga del quart de agua

debería ser 26 ± 0,5 segundos.

Figura Nº 2c: Embudo Marsh

2.3.1.3 Procedimiento para la medición de la viscosidad Marsh

1. Manteniendo el embudo en posición vertical, tapar el orificio con un dedo y verter

una muestra de lodo recién obtenida a través de la malla dentro de un embudo
limpio, hasta que el nivel del fluido llegue a la parte inferior de la malla (1.500 ml).
2. Retirar inmediatamente el dedo del orificio y medir el tiempo requerido para que el
lodo llene el vaso receptor hasta el nivel de 1 qt indicado en el vaso.
3. Ajustar el resultado al segundo entero más próximo como indicación de viscosidad
Marsh.
4. Registrar la temperatura del fluido en grados Fahrenheit o Celsius.

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2.3.1.4 Errores más frecuentes

Los errores más frecuentes responsables de la imprecisión en la medición de la viscosidad

con embudo de Marsh son:

1. Al ser una prueba que requiere la sincronización ojo mano, esta puede fallar.
2. Inclinación del embudo.
3. Mala lectura del momento de llenado del cuarto de galón.
4. Taponamiento de la boquilla de salida del embudo.

2.3.2 Viscosímetro rotatorio

2.3.2.1 Características
El viscosímetro Fann (Figura Nº 2d) es un viscosímetro de indicación directa de tipo
rotativo accionado por un motor eléctrico o una manivela.

Posee dos cilindros concéntricos en cuyo espacio anular está contenido el fluido de
perforación. El cilindro exterior o manguito de rotor es accionado a una velocidad
rotacional (RPM – Revoluciones Por Minuto) constante. La rotación del manguito de rotor
en el fluido impone un torque sobre el balancín (BOB) o cilindro interior. Un resorte de
torsión limita el movimiento del balancín y su desplazamiento es indicado por un cuadrante
acoplado al balancín (Figura Nº 2e).

De este instrumento se puede obtener la viscosidad plástica y el punto cedente usando

las indicaciones derivadas de las velocidades del manguito de rotor de 600 y 300 RPM.
Que son controladas por la palanca de selección de velocidad (Figura Nº 2f). La velocidad
está dada en alta y baja como se muestra en la Figura 2f.

Figura Nº 2d. Viscosímetro Fann

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Figura Nº 2e Figura Nº 2f

2.3.2.2 Determinación de las propiedades reológicas. Viscosímetro fann (modelo 35a)

1) PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD APARENTE,

LA VISCOSIDAD PLÁSTICA Y EL PUNTO CEDENTE

1. Colocar la muestra recién agitada dentro de un vaso térmico y ajustar la superficie

del lodo al nivel de la línea trazada en el manguito de rotor.
2. Calentar o enfriar la muestra hasta 65ºC. Agitar lentamente mientras se ajusta la
temperatura.
3. Arrancar el motor colocando el conmutador en la posición de alta velocidad, con
la palanca de cambio de velocidad en la posición más baja. Esperar que el
cuadrante indique un valor constante y registrar la indicación obtenida a 600 RPM.
Cambiar las velocidades solamente cuando el motor está en marcha.
4. Ajustar el conmutador a la velocidad de 300 RPM. Esperar que el cuadrante
indique un valor constante y registrar el valor indicado para 300 RPM.
5. Viscosidad plástica en centipoise = indicación a 600 RPM menos indicación a 300
RPM.
6. Punto Cedente en lb/100 pies2 = indicación a 300 RPM menos viscosidad plástica
en centipoise.
7. Viscosidad aparente en centipoise = indicación a 600 RPM dividida por 2.

2) PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACIÓN DEL ESFUERZO DE GEL

1. Agitar la muestra a 600 RPM durante aproximadamente 15 segundos y levantar

lentamente el mecanismo de cambio de velocidad hasta la posición neutra.
2. Apagar el motor y esperar 10 segundos.

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3. Poner el conmutador en la posición de baja velocidad y registrar las unidades de

deflexión máxima en lb/100 pies 2 como esfuerzo de gel inicial. Si el indicador del
cuadrante no vuelve a ponerse a cero con el motor apagado, no se debe
reposicionar el conmutador.
4. Repetir las etapas 1 y 2, pero dejar un tiempo de 10 minutos y luego poner el
conmutador en la posición de baja velocidad y registrar las unidades de deflexión
máxima como esfuerzo de gel a 10 minutos. Indicar la temperatura medida.

2.3.2.3 Errores más frecuentes

1. Lecturas erróneas por falta de correcta visual del dial. El observador debe ver por
encima.
2. Lodo que no permite que la aguja se estabilice.
3. Falta de pericia al leer máxima deflexión de la aguja.

3. PROCEDIMIENTOS DEL ENSAYO

observar los videos https://youtu.be/ngO5q-ELko0

https://youtu.be/CHkA18L3IZg

3.1 EMBUDO DE MARSH

0. Calibre el embudo de Marsh. Llenar el embudo hasta la parte inferior de la malla (1.500
ml) con agua dulce a 70±5°F. El tiempo requerido para descargar 1 qt (946 ml) debería
ser 26 seg. ±0,5 sec.
1. Manteniendo el embudo en posición vertical, tapar el orificio con un dedo y verter la
muestra de lodo recién obtenida a través de la malla dentro de un embudo limpio, hasta
que el nivel del fluido llegue a la parte inferior de la malla (1.500 ml).
2. Retirar inmediatamente el dedo del orificio y medir el tiempo requerido para que el lodo
llene el vaso receptor hasta el nivel de 1-qt indicado en el vaso.
3. Ajustar el resultado al segundo entero más próximo como indicación de viscosidad
Marsh. Registrar la temperatura del fluido en grados Fahrenheit o Celsius.

3.2 VISCOSIMETRO ROTATORIO - PROCEDIMIENTO VISCOSIMETRO FANN

1) PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD APARENTE, LA

VISCOSIDAD PLÁSTICA Y EL PUNTO CEDENTE

1. Colocar la muestra recién agitada dentro de un vaso térmico y ajustar la superficie del
lodo al nivel de la línea trazada en el manguito de rotor.
2. Arrancar el motor colocando el conmutador en la posición de alta velocidad, con la
palanca de cambio de velocidad en la posición más baja. Esperar que el cuadrante
indique un valor constante y registrar la indicación obtenida a 600 RPM. Cambiar las
velocidades solamente cuando el motor está en marcha.
3. Ajustar el conmutador a la velocidad de 300 RPM. Esperar que el cuadrante indique un
valor constante y registrar el valor indicado para 300 RPM.
4. Viscosidad plástica en centipoise = indicación a 600 RPM menos indicación a 300 RPM.

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5. Punto Cedente en lb/100 pies2 = indicación a 300 RPM menos viscosidad plástica en
centipoise.
6. Viscosidad aparente en centipoise = indicación a 600 RPM dividida por 2.

2) PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACIÓN DEL ESFUERZO DE GEL

1. Agitar la muestra a 600 RPM durante aproximadamente 15 segundos y levantar

lentamente el mecanismo de cambio de velocidad hasta la posición neutra.
2. Apagar el motor y esperar 10 segundos.
3. Poner el conmutador en la posición de baja velocidad y registrar las unidades de
deflexión máxima en lb/100 pies2 como esfuerzo de gel inicial. Si el indicador del
cuadrante no vuelve a ponerse a cero con el motor apagado, no se debe reposicionar el
conmutador.
4. Repetir las etapas 1 y 2, pero dejar un tiempo de 10 minutos y luego poner el conmutador
en la posición de baja velocidad y registrar las unidades de deflexión máxima como
esfuerzo de gel a 10 minutos. Indicar la temperatura medida.

LUEGO DE REALIZAR LAS MEDICIONES CON EL LODO ORIGINAL ADICIONAR

EXTENDEDOR DE BENTONITA A TODO EL LODO ORIGINAL Y REALIZAR DE NUEVO
LAS MEDICIONCES DE VISCOSIDAD MARSH Y FANN.

Se le aplican aproximadamente 0.002 lb/bbl de extendedor de bentonita

4. REPORTE

El informe o reporte debe contener lo manifestado en los numerales 4.1, 4.2, 4.3 y 4.4, se
presentará en medio magnético y será enviado al correo institucional en el plazo estipulado.

4.1 REPORTE DEL ENSAYO 2

Considerando la imposibilidad de realizar el laboratorio de manera presencial, se

recomienda observar los videos https://youtu.be/ngO5q-ELko0
https://youtu.be/CHkA18L3IZgy con la información suministrada a continuación en la tabla,
realizar los cálculos pertinentes y completar la tabla.

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Tabla. Reporte de las características reológicas de los lodos en estudio

GRUPO GRUP GRUPO GRUPO GRUPO GRUPO GRUPO GRUPO
ENSAYO
1 O 2 3 4 5 6 7 8
Temperatura 28°C 30°C 26°C 29°C 29°C 31°C 30°C 31°C
Agua (seg) 26.03 26.3 25.63 25.95 25.85 26.4 25.68 26.15
Lodo sin Extendedor de 31.45
29.31 38.37 32.43 32.5 37.70 37.31 26.91
EMBUDO DE bentonita (seg)
MARSH Lodo Base Aceite (seg) 58.03 58.7 80.65 74.86 52.41 47.86 50.63 41.83
Lodo con Extendedor de 45.55
32.93 173 36.24 37.42 39.82 41.98 28.49
bentonita (seg)
Tipo de Agua Agua Agua Agua Agua Agua Agua Agua
agua dulce dulce dulce dulce dulce dulce dulce dulce
Densidad 8.33 8.33 8.33 8.33 8.33 8.33 8.33 8.33
pH 7.2 7.3 7.4 7.2 7.3 7.1 7.2 7.3
Θ3 2 2 1 2 2 1 2 2
Θ6 2 2 2 2 2 1 2 2
Θ100 1 2 2 1 2 2 1 2
Agua
Θ200 2 3 2 2 3 2 2 3
Θ300 3 3 3 3 3 3 3 3
Θ600 4 4 4 4 4 3 4 4
Θ3 a 10 1 1 2 1
1 1 1 1
seg
Θ3 a 10 2 2 2 2
1 1 1 1
min
Densidad 8.7 8.9 8.9 8.7 8.9 8.9 8.9 8.9
pH 8.9 8.8 9.3 9.2 9.4 9.0 8.9 9.1
Θ3 1 3 1 2 1 1 1 4
Θ6 2 4 2 3 2 1 2 6
Lodo sin
Θ100 9 12 3 4 4 2 4 15
Extendedor
Θ200 14 15 5 4 4 3 7 16
de bentonita
con 3 lb/bb Θ300 20 16 6 5 6 3 9 18
eq adicional Θ600 31 22 10 11 9 4 15 25
Θ3 a 10 3
4 5 2 3 3 4 2
seg
Θ3 a 10 9
7 9 4 4 4 7 5
VISCOSIDAD min
ROTATORIA Tipo de
FANN lodo base MBO 1 MBO 2 MBO 3 MBO 4 MBO 5 MBO 6 MBO 7 MBO 8
aceite
Densidad 10.7 7.4+ 11.6 9.7 9.7 10.4 10.8 9.6
pH 9.4 6.5 9.4 10.2 10.2 10.6 10.6 9.3
Θ3 1.8 49 3 1 1 2 3 1
Θ6 2 75 4 1 1 3 4 4
Lodo Base
Θ100 13 >300 18 6 6 14 25 10
Aceite
Θ200 24 >300 32 10 10 24 45 19
Θ300 34 >300 46 15 15 32 65 29
Θ600 66 >300 84 30 36 61 120 42
Θ3 a 10 50 2 6
2 5 4 2 4
seg
Θ3 a 10 113 5 12
5 2 5 5 9
min
Densidad 8.7 8.9 8.9 8.7 8.9 8.9 8.9 8.9
pH 8.9 8.9 9.3 9.2 9.4 9.1 8.9 9.1
Θ3 1 4 1 3 1 1 3 4
Θ6 2 6 3 6 3 2 5 7
Θ100 11 12 5 11 4 4 6 17
Lodo con
Θ200 15 16 8 15 5 6 10 18
Extendedor
de bentonita Θ300 22 19 12 20 8 10 13 21
Θ600 35 24 15 26 11 13 18 31
Θ3 a 10 6
5 5 2 7 4 7 4
seg
Θ3 a 10 10
10 10 5 12 6 9 6
min

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4.2 CÁLCULOS

4.2.1 Embudo de Marsh

Determine el error porcentual de calibración del embudo Marsh.

4.2.2 Viscosímetro rotatorio

1. Calcular las viscosidades plásticas, aparentes y puntos cedentes.

2. Determinar el esfuerzo gel tanto con el Viscosímetro Fann.
3. Dibuje las curvas: Fuerza Gel versus Tiempo, determinados por el viscosímetro
fann 35A.
4. Indique las diferencias de las curvas graficadas para cada lodo.
5. Calcule el índice de capacidad de acarreo con los parámetros.

4.3 CUESTIONARIO

Responda a los siguientes interrogantes basado en información bibliográfica y en las

observaciones de la experimentación:

1. ¿Qué consecuencias acarrearía una viscosidad alta del fluido de perforación en el

sistema de control de sólidos?

2. ¿Cómo se solucionaría el problema anterior?

3. El petróleo liviano es un claro ejemplo de fluido Newtoniano ¿Por qué?

4. ¿Existe alguna diferencia entre viscosidad embudo y viscosidad efectiva?

5. ¿Cuándo se usa la viscosidad efectiva?

4.4 OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES

Plantee sus observaciones a la experiencia y defina sus conclusiones frente a la fabricación

del fluido, a la medición y ajuste de la densidad.

ELABORADO POR:
DOCENTE Ing Msc Constanza Vargas Castellanos
MONITORA Est. Angélica María Sánchez Vargas
MONITOR Est. Milton Ernesto Gómez Urbano

FECHA: mayo de 2020 el año de renovar esperanzas

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