UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL CARMEN

DES: DEPENDENCIA ACADÉMICA CIENCIAS QUÍMICAS Y PETROLERA

LICENCIATURA EN INGENIERÍA PETROLERA

Asignatura:

Perforacion de Pozos en Aguas Profundas

Profesor:

Dr. ULISES OLEA GONZALEZ

Presenta:

AILEEN VANESSA MEJENES GARCÍA

Contenido: Investigación

Cd. Del Carmen, Campeche, 29 de Julio del 2015.

Geomecánica y Mecánica de Rocas

Geomecánica

La Geomecánica es la disciplina que integra la Mecánica de Rocas, la Geofísica y la Geología, Petrofísica, Perforacion y la Producción, para cuantificar la respuesta de la tierra a cambios en:

Los esfuerzos, La presión del yacimiento, La temperatura de la formación.

La Geomecánica permite elaborar modelos predictivos de esfuerzos in situ y de propiedades de roca, predecir la deformación de un pozo y del yacimiento, optimizar los planes de desarrollo del campo y encontrar soluciones de ingeniería para diagnosticar problemas.

Donde se aplica en:

Perforacion: Estabilidad del agujero, predicción de presión de poro, sal, evita sorpresas durante la perforación.

Terminación: Manejo de arenas, análisis de colapso de tubería, perforación direccional.

Yacimientos: Esfuerzos por permeabilidad, sísmica 4D, daños por producción, colapso de tubería de revestimiento.

Perforacion

Es importante una buena estimulación:

Seguridad: Influjos, escurrimiento, gasificaciones y brotes. Costos: Pega de tubería/tiempo de exposición por inestabilidad. Tiempo: Tiempo de penetración bajo por densidad de lodo alto.

También para planeación, el impacto sobre el yacimiento y migración en el sistema petrolero.

Ventana Operacional

Detalles mostrados en la ventana de estabilidad incluyen:

Zona de presión de poro: Durante la Perforacion bajo balance el tipo de derrumbes que se pueden generar son astillados.

Zona de colapso: El tipo de derrumbes en esta zona pueden ser angulares.

Zona estable: Se mantiene la estabilidad de pozo. No se producen derrumbes relacionados a falla mecánica de roca.

Zona de pérdida: En caso de perforar una zona fracturada/planos de debilidad, el tipo de derrumbe que se puede producir en esta zona son tabulares.

Factores que influyen

Factores Químicos:

Composición mineral de la roca (Lutitas) Problemas en la formación.

Factores Mecánicos:

Controlables- Trayectoria (Azimut & Inclinacion).- Peso del lodo.

No controlables- Esfuerzos del campo.- Presión de poro.- Propiedades mecánicas de la roca.

Consideraciones

1.- En una sección del agujero se debe considerar como reaccionar la roca a:

Fluidos de perforación Presiones Acciones mecánicas Esfuerzos y debilidades.

2.- Agujeros y formaciones inestables son la causa de problemas de perforacion relacionados a:

Perdida de lodo. Empacamientos. Pegado de tubería.

Yacimientos

Se calcula los cambios de los esfuerzos y las deformaciones en magnitud y orientación.

Inicial: Antes que la producción se inicie.

Actual: Estado de los esfuerzos en el presente.

Futuro: Modela los efectos de la producción a través de la vida operativa del campo.

Terminación

Fracturamiento

1.- Distribución de esfuerzos 3D a lo largo de la pared del pozo.

2.- Geometría de la fractura.

Ubicación Espesor Longitud

3.- Resultados especiales de estudios de sensibilidad de los parámetros deseados.

Arenamiento

1.- Optimización de la producción y escenarios de inyección.

2.- Reducción de la producción de arena.

3.-Mejoramiento entendimiento de la estabilidad del pozo y diseño de terminación a través de la producción.

Modelo Geomecánico

El Modelo Geomecánico (MEM, por sus siglas en inglés) es una descripción explícita de los datos geomecánicos que son relevantes para la construcción de pozos; entre estos datos se encuentran la presión de poros, el estado de los esfuerzos y de las propiedades mecánicas de la secuencia estratigráfica atravesada por los pozos. Adicionalmente, el modelo captura información relacionada con la composición de la roca y con la estructura geológica, importantes para establecer el comportamiento del hueco.

Un Modelo Geomecánico tiene como base el Modelo Geológico y deben estar incluidos las propiedades Físicas y Mecánicas de la Roca Intacta, las Discontinuidades y del Macizo Rocoso.

Además se deben considerar los parámetros de deformabilidad y de Resistencia, para evaluar el comportamiento del macizo rocoso frente a los procesos de desestabilización debido a los procesos naturales y de construcción de obras.

Los problemas geomecánicos están asociados con la interacción entre las propiedades de la roca (desarrolladas durante su formación y evolución) y con el campo de esfuerzos a los que está sometida (derivados de la atracción gravitacional y de los empujes tectónicos).

Estos problemas se pueden resumir como sigue:

Deslizamientos: laderas de las montañas sobrepresionados por embalses, colapso de taludes por remoción del soporte lateral (extensión), laderas montañosas sometidas a esfuerzos debido a la pérdida lateral de soporte (extensión), entre otros.

Volcanes de lodo: licuefacción por liberación de presión debido a la perforación.

Volcanes: liberación súbita de presión. Reventón de pozo: liberación súbita de presión debido a la perforación. Terremotos: liberación súbita de esfuerzos (rompimiento de roca/placa

cuando se supera la resistencia). Subsidencia de superficie: compactación bajo tierra con subsidencia de

superficie. Almacenamiento subterráneo de gas: presurización de las formaciones

subsuperficiales. Inyección de CO2: presurización de formaciones subsuperficiales con

interacción química. Daño del sello: fracturamiento de los sellos de yacimientos petrolíferos. Estimulación por fracturamiento hidráulico. Estabilidad de pozo: controlada por la densidad del lodo, las propiedades de la

roca y el campo de esfuerzos.

Mecánica de Rocas

La Mecánica de Rocas, es esencialmente el estudio de la acción de las fuerzas

actuando sobre los macizos rocosos.

Algunas condiciones importantes, son asociadas con las rocas sometidas a esfuerzos, las cuales propician la formación del fenómeno de fracturamiento causada por los esfuerzos, deformación y la formación de la energía resultante.

El estudio de la mecánica de rocas principalmente trata del análisis de las cargas o las fuerzas aplicadas a los macizos rocosos y los efectos internos de estos; los cuales pueden ocasionar: deformaciones, Fracturas y roturas o el deslizamiento.

Como disciplina formal en ingeniería se realizó el año 1960

Es una ciencia interdisciplinaria con aplicaciones en Geología, Ingeniería de Minas, Petróleos, Civiles, Geotecnia.

Sus aplicaciones en ingeniería son en, proyectos energéticos, transporte, hidráulica, cimentaciones de estructuras.

En cuanto a la mecánica de las rocas una de las ciencias más importantes es el modelo geológico y modelo matemático y se componen:

Modelo Geomecánico

Propiedades Mecánicas - Macizo rocoso Propiedades Mecánicas - Discontinuidades Calidad del macizo rocoso Propiedades Mecánicas – Materiales

Modelo Geológico

Caracteres Geotérmicos – Discontinuidades. Estructura Meteorización Hidrológica – Sismología Litología

Modelo matemático

Modelo discontinuos Soluciones abiertas Equilibrio limite Soluciones cerradas Modelos continuos

Modelo geológico

Ciencia que estudia fundamentalmente las deformaciones de las rocas, su morfología, las estructuras geológicas, y debe tener como base el análisis de las deformaciones continuas y discontinuas, generadoras de los plegamientos, fallas y discontinuidades.

Conocer la roca permite tomar decisiones correctas sobre diferentes aspectos relacionados con las labores mineras, entre otras, se podrá establecer la dirección en la cual se deben avanzar las excavaciones, el tamaño de las mismas, el tiempo de exposición abierta de la excavación, el tipo de sostenimiento a utilizar.

Características de la roca

La roca es un conjunto de sustancias minerales que formando masas, constituye gran parte de la corteza terrestre.

Según su origen, las rocas pueden ser ígneas, sedimentarias y metamórficas.

Rocas ígneas, son aquellas que han sido formadas por la consolidación del magna.

Rocas sedimentarias, formadas por la deposición de sedimentos. Rocas metamórficas, formadas por procesos de altas presiones y temperaturas.

La roca difiere de la mayoría de otros materiales utilizados en la ingeniería. Ésta tiene discontinuidades (fracturas) de diferentes tipos, que hacen que su estructura sea discontinua.

Primero es necesario distinguir lo que es el “material rocoso” o denominado también “roca intacta” y lo que es la “masa rocosa” o también denominada “macizo rocoso”.

Roca intacta, es el bloque ubicado entre las discontinuidades y podría ser representada por una muestra de mano o trozo de testigo que se utiliza para ensayos de laboratorio.

Masa rocosa, es el medio in-situ que contiene diferentes tipos de discontinuidades como diaclasas, estratos, fallas y otros rasgos estructurales.

Dependiendo de cómo se presenten estas discontinuidades o rasgos estructurales dentro de la masa rocosa, ésta tendrá un determinado comportamiento frente a las operaciones de minado.

Discontinuidades de la masa rocosa

Los principales tipos de discontinuidades presentes en la masa rocosa son:

Planos de estratificación, se dividen en capas o estratos en las rocas sedimentarias.

Fallas, son fracturas que han tenido desplazamiento. Éstas son estructuras menores que se presentan en áreas locales de la mina o estructuras muy importantes que pueden atravesar toda la mina.

Zonas de corte, son bandas de material que pueden ser de varios metros de espesor, en donde ha ocurrido fallamiento de la roca.

Diaclasas, también denominadas juntas, son fracturas que no han tenido desplazamiento y las que más comúnmente se presentan en la masa rocosa.

Planos de foliación o esquistosidad, se forman entre las capas de las rocas metamórficas dando la apariencia de hojas o láminas.

Contactos litológicos, que comúnmente forman, por ejemplo, la caja techo y caja piso de una veta.

Venillas, son rellenos de las fracturas con otros materiales.

Otros rasgos geológicos importantes

Pliegues, son estructuras en las cuales los estratos se presentan curvados.

Diques, son intrusiones de roca ígnea de forma tabular, que se presentan generalmente empinadas o verticales

Chimeneas o cuellos volcánicos, son intrusiones que han dado origen a los conos volcánicos.

Propiedades de las discontinuidades

Todas las discontinuidades presentan propiedades geomecánicas importantes que las caracterizan y que influyen en el comportamiento de la masa rocosa.

Estas propiedades son principalmente:

Orientación, es la posición de la discontinuidad en el espacio y comúnmente es descrito por su rumbo y buzamiento. Cuando un grupo de discontinuidades se presentan con similar orientación o en otras palabras son aproximadamente paralelas, se dice que éstas forman un “sistema” o una “familia” de discontinuidades.

Espaciado, es la distancia perpendicular entre discontinuidades adyacentes. Éste determina el tamaño de los bloques de roca intacta. Cuanto menos espaciado tengan, los bloques serán más pequeños y cuanto más espaciado tengan, los bloques serán más grandes.

Persistencia, es la extensión en área o tamaño de una discontinuidad. Cuanto menor sea la persistencia, la masa rocosa será más estable y cuanto mayor sea ésta, será menos estable.

Rugosidad, es la aspereza o irregularidad de la superficie de la discontinuidad. Cuanto menor rugosidad tenga una discontinuidad, la masa rocosa será menos competente y cuanto mayor sea ésta, la masa rocosa será más competente.

Apertura, es la separación entre las paredes rocosas de una discontinuidad o el grado de abierto que ésta presenta. A menor apertura, las condiciones de la masa rocosa serán mejores y a mayor apertura, las condiciones serán más desfavorables.

Relleno, son los materiales que se encuentran dentro de la discontinuidad. Cuando los materiales son suaves, la masa rocosa es menos competente y cuando éstos son más duros, ésta es más competente.

Resumen de las discontinuidades

Meteorización

Denominada también intemperización, está relacionada con la modificación que sufre la superficie de la roca o en sus proximidades, debido a la acción de agentes atmosféricos. El grado de la meteorización dependerá de las condiciones climatológicas, morfológicas y la composición de la masa rocosa.

La meteorización se divide en meteorización física, química y biológica.

Meteorización física, como consecuencia de ésta, la apertura de las discontinuidades aumenta o pueden formarse nuevas fracturas por el relajamiento de la roca.

Meteorización química, origina la decoloración de la roca hasta la descomposición de la misma.

Meteorización biológica, está regida por la presencia y actividad de los seres vivos.

Modelo Geomecánico

Consiste en evaluar las características geomecánicas de las discontinuidades, para llevar esta información a una interpretación más clara y sencilla y que nos dé una idea del control de la estabilidad del macizo rocoso.

El mapeo es el trabajo más delicado en geomecánica y tiene que ser realizado por personal debidamente capacitado.

Se conocen diferente tipos de mapeos geomecánicos, entre los cuales tenemos:

Lineal o líneas al detalle. Estaciones o parches. Ventanas.

Cada una de ellas tiene un fin específico, dependiendo del uso que se le quiere dar.

Lineal o líneas al detalle

Este método consiste en trazar una línea en un dominio estructural, la idea es que esta línea intercepte la mayor cantidad de fracturas a lo largo de la misma.

El éxito de este trabajo dependerá de la mayor toma de fracturas y/o discontinuidades a lo largo de esta línea.

Se debe tomar todas las fracturas, sin tener en cuenta su orientación, puesto que al final se hará una composición de las mismas y se definirá las familias o sets de fracturamiento.

Para ello se deben de tomar las siguientes características de las discontinuidades:

-Orientación (rumbo y buzamiento). -Espaciamiento. -Apertura. -Rugosidad. -Relleno. -Persistencia. -Meteorización.

Estación o parche.

Este método consiste en una evaluación de la estabilidad de una manera más rápida, pero debe ser realizada por personal con mucha experiencia.

Primero se define un dominio estructural, luego cuantos sistemas de fracturamiento están presentes, notar cuidadosamente cuál de los sistemas es más persistente de ello depende el éxito del trabajo, una vez hecho esto, este sistema será conocido como el sistema o familia de fracturamiento más dominante.

Luego se tomara las características más predominantes de este sistema dominante porque serán éstos quienes lo representaran.

Se debe tomar entre dos o tres fracturas de los sistemas más dominantes, para poder obtener el valor de la caracterización del macizo rocoso.

Los valores tomados de las características geomecánicas, corresponderán a la media estadística de cada sistema.

Estructura del macizo rocoso

Cuando hablamos de roca, nos referimos a un material diferente a otros usados en ingeniería, principalmente por la presencia de fracturas de un tipo u otro que originan discontinuidad dentro de la masa de roca.

Los siguientes términos nos darán una mejor idea:

Roca intacta, material que se encuentra sin discontinuidades.

Masa rocosa

Material donde se encuentran fallas, fracturas, junturas, diaclasas, plegamientos y cualquier otro tipo de elementos estructurales.

Esta masa rocosa es discontinua, a menudo heterogéneo y anisotrópica.

Caracterización de la masa rocosa

Para conocer la masa rocosa, hay necesidad de observar en el techo y las paredes de las labores mineras, las diferentes propiedades de las discontinuidades, para lo cual se debe primero lavar el techo y las paredes. A partir de estas observaciones se podrán sacar conclusiones sobre las condiciones geomecánicas de la masa rocosa.

Condiciones de la masa rocosa

De acuerdo a cómo se presenten las características de la masa rocosa, ésta tendrá un determinado comportamiento al ser excavada.

- Si la roca intacta es dura o resistente y las discontinuidades tienen propiedades favorables, la masa rocosa será competente y presentará condiciones favorables cuando sea excavada.

- Si la roca intacta es débil o de baja resistencia y las discontinuidades presentan propiedades desfavorables, la masa rocosa será incompetente y presentará condiciones desfavorables cuando sea excavada.

- Habrá situaciones intermedias entre los extremos antes mencionados donde la roca tendrá condiciones regulares cuando sea excavada.

Existen criterios para poder clasificar la masa rocosa, éstos están basados en la experiencia ganada en la ejecución de excavaciones en roca.

Criterios según la resistencia de la roca

Considerando la resistencia de la roca a romperse o indentarse con golpes de picota, la guía práctica de clasificación de la roca es la siguiente:

Resistencia muy alta:

Solo se astilla con varios golpes de picota.

Resistencia alta:

Se rompe con más de 3 golpes de picota.

Resistencia media:

Se rompe con 1 a 3 golpes de picota.

Resistencia baja:

Se indenta superficialmente con la punta de la picota.

Resistencia muy baja:

Se indenta profundamente con la punta de la picota.

Criterios según las características del fracturamiento

Para clasificar la masa rocosa tomando en cuenta las características del fracturamiento (o grado de presencia de las discontinuidades), se mide a lo largo de un metro lineal cuantas fracturas se presentan, según esto, la guía práctica es la siguiente:

Masiva o levemente fracturada: 2 a 6 fracturas /metro.

Moderadamente fracturada: 6 a 12 fracturas/metro.

Muy fracturada: 12 a 20 fracturas/metro.

Intensamente fracturada: Más de 20 fracturas/metro.

Triturada o brechada: Fragmentada, disgregada, zona de falla.

Criterios según las condiciones de las paredes de las continuidades

Tomamos en cuenta algunas propiedades de las paredes de las discontinuidades como la apertura, rugosidad, relleno y meteorización o alteración, la guía de clasificación de la masa rocosa es la siguiente:

Condición Muy Buena:

Si las discontinuidades están cerradas, muy rugosas y están frescas.

Condición Buena:

Si están ligeramente abiertas, moderadamente rugosas y tienen manchas de oxidación.

Condición Regular:

Si están moderadamente abiertas, ligeramente rugosas a lisas y presentan oxidación.

Condición Mala:

Si están abiertas, lisas y presentan relleno blando (por ejemplo limo o panizo).

Condición Muy Mala:

Si están muy abiertas, estriadas y tienen relleno de panizo.

Condiciones geomecánicas

Cuando se quiere conocer cómo se comportará la masa rocosa, ésta debe ser clasificada en forma conjunta tomando en cuenta todas sus características. Así, si juntamos las guías de clasificación antes indicadas, considerando la resistencia de la roca, las características del fracturamiento y las condiciones de las paredes de las discontinuidades, la masa rocosa puede clasificarse en cinco categorías: .

Masa rocosa Muy Buena:

Condiciones geomecánicas muy favorables para el minado.

Masa rocosa Buena:

Condiciones geomecánicas favorables para el minado.

Masa rocosa Regular:

Condiciones geomecánicas regulares para el minado.

Masa rocosa Mala:

Condiciones geomecánicas desfavorables para el minado.

Masa rocosa Muy Mala:

Condiciones geomecánicas muy desfavorables para el minado.

Bibliográfica Geología colombiana, 2012 – Vol 37, No.1 Geología estructural y regional.

Mecánica de Rocas Aplicada a la Industria del Petróleo. Mecánica de rocas aplicado a la ingeniería. Ing. Reynaldo Canahua Loza. Modelo Geomecánico. Reinaldo Rodríguez C. Mayo 2012.Facultad de

Ingeniería. Universidad Nacional de Cajamarca. Facultad de Ingeniera Geológica,

Mecánica de Rocas, Reinaldo R, Abril 2012. Schlumberger Geomechanics (SGM), Elena Bentosa,