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Investigación reológica en la exploración minera y petrolera

Si bien la minería es una de las industrias más antiguas, con la extracción de metales y piedras en tiempos prehistóricos, sigue creciendo y expandiéndose en la actualidad. Los objetivos de la minería van desde materiales energéticos básicos, como el carbón y el gas, hasta materiales de construcción como el hierro, y metales preciosos como el níquel, el titanio, el litio, el oro y otros. 

Los principales procesos involucrados en la minería incluyen la perforación, el procesamiento y el transporte de los materiales excavados, y la remoción y el almacenamiento de productos de desecho. Dado que la mayoría de las minas se ocupan de áreas y cantidades extremadamente grandes, pequeñas diferencias en la eficiencia de estos procesos pueden tener un gran impacto en la productividad y la viabilidad económica de la mina.

Comportamiento reológico de los materiales utilizados en la exploración minera y petrolera

Las mediciones reológicas proporcionan información importante sobre la eficiencia de los procesos descritos anteriormente, que giran en gran medida en torno al flujo de lodos y líquidos:

Perforación

Los fluidos de perforación juegan una cantidad importante de papeles en el proceso de perforación, tales como la lubricación de la broca y de las barras de perforación, la eliminación de recortes de la superficie de la broca y el mantenimiento de los fluidos de formación bajo control. Se necesitan mediciones reológicas para monitorear y predecir el desempeño de los fluidos de perforación en diversos ambientes, desde minas de aguas profundas tan frías como 5 ˚C, hasta pozos geotérmicos de hasta 180 ˚C. 

Procesamiento y transporte

En ciertos casos, los materiales excavados deben ser transportados a largas distancias antes de que puedan ser procesados y refinados. Se necesitan datos reológicos para definir las condiciones óptimas de bombeo, entre ellas el tamaño de la tubería, la composición del fluido y la presión de la bomba.

Tratamiento de residuos

La industria minera es el mayor productor de residuos del mundo. La eliminación de gran parte del agua antes de que los residuos sean transportados puede resultar en ahorros de agua, energía de transporte y costos de almacenamiento; sin embargo, la concentración de los residuos también puede cambiar drásticamente su comportamiento de flujo, por lo que se necesitan mediciones reológicas para diseñar la mejor estrategia de eliminación de residuos.

Materiales comúnmente medidos de la industria minera

Fluidos de perforación

La función más crítica que realiza un fluido de perforación es minimizar la concentración de cortes alrededor de la broca y en todo el pozo. El fluido de perforación también debe estabilizar el pozo y lubricar la broca y la barra de perforación para asegurar altas velocidades de perforación. El fluido, por lo tanto, debe ser lo suficientemente viscoso para hacer subir los cortes a la superficie, pero al mismo tiempo la viscosidad debe ser lo suficientemente alta como para reducir al mínimo las pérdidas de presión por fricción. La mejor manera de controlar el balance de viscosidad es manejar la reología del fluido de perforación.

Pruebas reológicas de fluidos de perforación

Los fluidos de perforación han experimentado una importante evolución tecnológica: antes eran una simple mezcla de agua y arcillas; hoy en día son mezclas sintéticas complejas de diversos productos orgánicos e inorgánicos conocidos como "lodos de perforación". Al controlar los componentes, es posible mejorar y adaptar las propiedades reológicas. Por ejemplo, si se agrega agua a la mezcla, la viscosidad disminuye en un amplio rango de velocidades de corte. Si se agrega betonita, la viscosidad aumenta. Los polímetros contribuyen a aumentar la viscosidad a altas velocidades de cizalla, mientras que la cal blanca se utiliza para aumentar la viscosidad a velocidades de cizalla más bajas. 

La figura que sigue muestra de qué forma el aumento de la cantidad de espesador en un fluido de perforación aumenta su viscosidad en un amplio rango de velocidades de cizalla .

Esta prueba requiere un reómetro equipado con un sistema de medición de cilindro.

Suspensiones acuosas

Las características que determinan el procesamiento y transporte de las suspensiones acuosas dependen principalmente de sus propiedades reológicas. El punto de cedencia, por ejemplo, nos indica la fuerza mínima necesaria para iniciar el flujo de la lechada, mientras que la viscosidad es una medida de la resistencia de la suspensión al flujo. Se necesita una cantidad desproporcionada de energía para superar el punto de cedencia y hasta que se llegue al punto de cedencia la resistencia y la presión en la tubería aumentan proporcionalmente mientras el lodo está en reposo. Por ende, si el punto de cedencia es demasiado alto, es imposible iniciar el proceso de bombeo. Es vital monitorear y controlar estas propiedades reológicas porque un pequeño cambio en la eficiencia del bombeo puede tener efectos significativos en la energía y los costos.

Pruebas reológicas de lodos

El punto de cedencia y la viscosidad pueden ser influenciados por la variación en la composición del lodo, por ejemplo, la cantidad de agua, aditivos (sólidos, polímeros, líquidos), granulometría y temperatura de bombeo. Con frecuencia se necesita una suspensión de reducción de cizalla , lo que aumenta el esfuerzo de corte , reduce la viscosidad de la suspensión y la hace más fácil de bombear.

La relación entre la velocidad de cizalla y la viscosidad en una muestra de reducción de cizalla se observa en la figura que sigue. A bajas velocidades de cizalla y bajo flujo volumétrico, el esfuerzo de cizalla y la diferencia de presión en el ducto ya resultan relativamente altos. Sin embargo, para aumentar el flujo volumétrico de la solución acuosa en la tubería se necesita solamente un leve aumento suplementario de la presión. Esto se debe al comportamiento seudoplástico de la suspensión, es decir, la viscosidad baja al aumentar la velocidad de cizalla.

Esta prueba requiere un reómetro equipado con un sistema de medición de cilindro pulido con chorro de arena.