Aula 6 Reologia dos Fluidos de perfuração 14 06 18

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Prof. Dr Lúcio Leonel Barbosa
CAPÍTULO 6
REOLOGIA DOS FLUIDOS DE PERFURAÇÃO
Universidade Federal do São Paulo
Departamento de Ciências do Mar
Unidade Curricular: Fluidos de Perfuração e Completação
21. Introdução
(I)
Reologia – ciência que estuda como a matéria se deforma ou escoa 
quando está submetida a esforços produzidos por forças externas.
Por que reologia é importante para a indústria de petróleo?
31. Introdução
(I)
(a) Deformação, Elasticidade e Fluxo
(i) Elasticidade – deformação espontânea e reversível.
(ii) Fluxo ou escoamento – deformação irreversível.
41. Introdução
(I)
(b) Corpo Elástico Ideal
Modelo de Mola mostrando a deformação por esforços cisalhantes.
*=max sen (t)
51. Introdução
(I)
Fluxo Viscoso Ideal
Valores típicos de viscosidade (mPa.s ou cP) para diferentes substâncias a 20 oC e 1 atm.
62. Regimes de Fluxo
(I)
(a) Escoamento Laminar – as camadas de fluido se deslocam por meio de linhas 
de corrente , retas ou curvas, paralelas à direção do escoamento.
Parece do tubo
72. Regimes de Fluxo
(I)
(b) Fluxo Tampão - é definido como um caso particular do escoamento laminar em 
que não existe deslizamento relativo entre as camadas de fluido numa certa região.
Ocorre apenas em fluidos não-Newtonianos que são muito resistentes ao escoamento.
82. Regimes de Fluxo
(I)
(c) Turbulento – Partículas ou massas de fluidos se movem ao acaso e através de trajetórias 
acentuadamente curvas.
92. Regimes de Fluxo
(I)
(c) Turbulento Número de Reynolds
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Pal, R.; Yan, Y.; Masliyah, J. Rheology of Emulsions. In Emulsions. Fundamentals and Applications in the Petroleum Industry; Schramm, 
L. L., Ed.; American Chemical Society: Washington, 1992; p 428. 
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3. CLASSIFICAÇÃO DOS FLUIDOS VISCOSOS
Newtoniano - fluido que obedece a lei de Newton  = (𝒗
𝒚
)= 
Não-Newtoniano 
Modelos são aplicados para prever o comportamento reológico!
12 3.1. Introdução
O comportamento reológico dos líquidos considerados viscosos se define pela relação entre tensão e taxa de cisalhamento
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3.2. Fluido Newtoniano 
Fluidos Newtonianos possuem regime de escoamento laminar. Exemplos: soluções salinas, óleos, glicerina, etc.
14 3.3. Fluido não-Newtoniano 
Modelo de Bingham ou Plástico Ideal
Onde L é o limite de escoamento – tensão mínima para que haja deformação cisalhante ou inicar o fluxo laminar de uma suspensão
15 3.3. Fluido não-Newtoniano 
Modelo de Bingham ou Plástico Ideal
 = 𝒑 + 𝑳
𝒂 = 𝒑 +
𝑳

𝒂 =


𝒂 𝒆 𝒑 são viscosidade aparente e plástica.
Exemplo:Fluidos de perfuração de dispersões de argila 
de bentonita se enquadra no modelo de Bingham.
163.3. Fluido não-Newtoniano 
Modelo de Bingham ou Plástico Ideal
𝒂 = 𝒆 = 𝒑 +
𝑳

𝒆 é a viscosidade efetiva
𝒂 e a viscosidade aparente que varia em função de 
, ou seja, a viscosidade que o fluido teria se fosse Newtoniano
em dada condição de fluxo
𝒂 =


173.3. Fluido não-Newtoniano 
Modelo de Ostwald de Waale
Lei de Potência:
 = 𝑲()n
K é o índice de consistência
n é o índice de comportamento
Ex: polímeros e pasta de cimento
Ex: emulsões
183.3. Fluido não-Newtoniano 
Modelo de Ostwald de Waale Lei de Potência:  = 𝑲()n
193.3. Fluido não-Newtoniano 
Modelo de Bingham ou Plástico Ideal
𝒂 = 𝒆 = 𝒑 +
𝑳

𝒆 é a viscosidade efetiva
𝒂 e a viscosidade aparente que varia em função de 
, ou seja, a viscosidade que o fluido teria se fosse Newtoniano
em dada condição de fluxo
𝒂 =


203.3. Fluido não-Newtoniano 
Curva de Consistência para Plástico de Bingham
𝒍𝒊𝒎𝒊𝒕𝒆 𝒅𝒆 𝒆𝒔𝒄𝒐𝒂𝒎𝒆𝒏𝒕𝒐 𝒓𝒆𝒂𝒍
Portanto, se a pressão aumentar
gradualmente a partir de 0, o
comportamento tampão
prevalece.
0 = 𝑅𝑇0/2𝐿
Fluxo laminar
213.3. Fluido não-Newtoniano 
Curva de Consistência para Plástico de Bingham
O efeito do fluxo tampão sobre a taxa de fluxo total normalmente é insignificante nas aplicações de perfuração
223.3. Fluido não-Newtoniano 
Estrutura Gel leva a formação de um gel quando a agitação cessa.
Força gel alta é necessária para manter barita e cascalhos em suspensão quando a circulação é interrompida.
Força gel muito alta retardam a separam de cascalhos e pode reduzir a pressão da coluna sobre a broca. 
233.3. Fluido não-Newtoniano 
Viscosímetro Rotacional de Cilindros Concêntricos
Determina = 𝒑 + 𝑳
𝒑 e 𝑳
243.3. Fluido não-Newtoniano 
Viscosímetro Rotacional de Cilindros Concêntricos
Vantagem?
Eliminação do fluxo tampão
O valor do torque no fio pode ser obtido a partir 
da deflexão do dial () e da constante do fio, C:
T=C.
Torque crítico
253.3. Fluido não-Newtoniano 
Viscosímetro Rotacional de Cilindros Concêntricos
𝑃𝑉 = 𝑝=1- 2 (indica requisitos de diluição)
𝑌𝑃 = 𝑳= 2-𝒑 (indica necessidade de tratamento químico)
𝑽𝑨 = 𝒂=𝒆𝒇.= 600/2
Interpretação gráfica de parâmetros de fluxo em um viscosímetro de duas velocidades.
26Comportamento dos Fluidos de Perfuração a Baixos 
Suspensões de Bentonita
Conclusão:
Fluidos de perfuração não 
são plásticos de Bingham
Por quê
?
Valor crítico
𝑳 =20,62 
L
𝒑
Maior desvio de linearidade
273.3. Fluido não-Newtoniano 
Resumo
283.3. Fluido não-Newtoniano 
Artigo científico
293.4. Fluido dependentes do tempo
Reopéticos- fluidos em que  ou viscosidade aumenta com o tempo, mantendo-se a mesma taxa de deformação.
Tixotrópicos- fluidos em que a tensão cisalhante ou viscosidade diminui com o tempo de aplicação de uma certa taxa de cisalhamento.
303.4. Fluido dependentes do tempo
Artigo científico
313.4. Fluido dependentes do tempo
(b) Tixotrópicos
Força Gel de fluidos tixotrópicos
Importante:
Elevada força gel interfere na pressão 
para retomar a circulação.
323.4. Fluido dependentes do tempo
(c) Pseudoplásticos  Não tem limite de escoamento
 As curvas de consistência não são lineares
Lei de Potência:
= 
𝑑𝑣
𝑑𝑦
𝑛
333.4. Fluido dependentes do tempo
(c) Pseudoplásticos
(I) Comportamento Newtoniano
344. Propriedades Reológicas de Lamas LBO
Artigo Científico
354. Propriedades Reológicas de Lamas LBO
Artigo Científico – Propriedades Reológicas
365. Tixotropia de Lamas de Perfuração
Fluido Tixotrópico (ex, argila-água)
SOl
GEL
Como se determina a força gel?
Tixotropia – fenômeno causado pela organização lenta da lamelas de 
argila nas posições de mínima energia livre a fim de satisfazer as cargas 
eletrostáticas de superfície.
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Fluido Tixotrópico (ex, argila-água)
GEL
5. Tixotropia de Lamas de Perfuração
Força gel (Fg) é a força resistiva pelo formação do estado gel durante o repouso
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GEL
5. Tixotropia de Lamas de Perfuração
Observe as curvas 1 e 2, e também 4 e 5.
Conclusão – as lamas tixotrópicas tem um valor de 
equilíbrio que depende de  e independe do histórico
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GEL
5. Tixotropia de Lamas de Perfuração
Problemas do aumento da força gel:
- Aumento de pressão de circulação após manobra
- - Variação de pressão de surge
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GEL
6. Viscosímetro Rotativo
É um equipamento em que um corpo imerso, em contato com o fluido-teste, pode ser 
submetido a uma velocidade (ou rotação) ou a uma tensão (torque) pré-definida
Classificação quanto a geometria do sensor:
 Cilindros coaxiais
 Cone-placa
 Placa-placa
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GEL
6. Viscosímetro Rotativo
 Viscosímetros rotativos de cilindros coaxiais
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GEL
6. Viscosímetro Rotativo
 Viscosímetros rotativos de cilindros coaxiais
Viscosímetrorotativo de Fan modelo 35A
Sistema Couette é aplicado aos cilindros
V=350 cm3
Mede p, a e L
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GEL
7. Regime de Fluxo
 Fluxo Turbulento de Líquidos Newtonianos
Fator de atrito de Fanning
Indica a resistência do fluxo na parede do tubo
A e C são parâmetros experimentais
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GEL
8. Efeito da Temperatura e Pressão sobre a Reologia de Lamas
Pressão e Temperatura possui efeito:
(a) Físico (T e P )
(b) Químico (p.p de hidróxidos em lamas alcalinas)
(c) Eletroquímico (T atividade iônica)
458. Efeito da Temperatura e Pressão sobre a Reologia de Lamas
Efeito da Temperatura
468. Efeito da Temperatura e Pressão sobre a Reologia de Lamas
Efeito da Temperatura
O aumento de T provoca elevação das forças de atração interpartículas
478. Efeito da Temperatura e Pressão sobre a Reologia de Lamas
Efeito do rolamento a quente (envelhecimento)
O aumento do slope p/ altos  é 
atribuído ao aumento do grau 
de dispersão e floculação
488. Efeito da Temperatura e Pressão sobre a Reologia de Lamas
Efeito da Temperatura para LBO
498. Efeito da Temperatura e Pressão sobre a Reologia de Lamas
Efeito da Temperatura para Emulsão Inversa
508. Efeito da Temperatura e Pressão sobre a Reologia de Lamas
Efeito da Temperatura sobre a viscosidade
518. Efeito da Temperatura e Pressão sobre a Reologia de Lamas
Efeito das Propriedades da Lama sobre a Taxa de Penetração da Broca
528. Efeito da Temperatura e Pressão sobre a Reologia de Lamas
Efeito das Propriedades da Lama sobre a Taxa de Penetração da Broca
Velocidade Anular Ótima
538. Efeito da Temperatura e Pressão sobre a Reologia de Lamas
Efeito das Propriedades da Lama para Limpeza do Poço
Remoção de 
cascalhos
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Artigos científicos citados nos slides.
Livros