Los materiales geológicos presentan características muy particulares y que impactan en la geomecánica de yacimiento, y por lo tanto se podrán observar diversidad de problemas cuando son atravesadas con las operaciones de perforación. Algunas de las características particulares de los problemas que involucran materiales geológicos son las siguientes:
- Los materiales geológicos son esencialmente diferentes en cada localización y por lo tanto cada caso tiene una geomecánica de yacimiento particular. No existe un material geológico con propiedades constantes para una zona.
- El comportamiento de los materiales geológicos depende de la presión, y condiciones de sedimentación, erosión, meteorización, edad de los mismos, etc., por lo tanto estos factores deben ser determinados para evaluar su comportamiento.
- Los materiales geológicos son sensibles a la perturbación por las operaciones de muestreo (núcleos) y por lo tanto las propiedades geomecánicas medidas en el laboratorio pueden no ser representativas del comportamiento in situ.
- Los materiales geológicos no poseen una relación esfuerzo deformación única y lineal. Un mismo material presentará diferencias a diferentes presiones confinantes.
Esfuerzos Regionales en la Geomecánica de Yacimiento
Fallas Normales (Régimen Extensional)
Se presenta cuando la magnitud del esfuerzo vertical es mayor que los dos esfuerzos horizontales, los esfuerzos se consideran extensivos.
Si el esfuerzo vertical excede la resistencia del material a la tensión y los esfuerzos horizontales se mueven, se producirá una falla normal. En la Figura 1, se puede observar una representación de la falla normal.
Fallas Transcurrentes (Régimen Transcurrente)
Se presenta cuando la magnitud del esfuerzo vertical adquiere valores intermedios entre los esfuerzos horizontales. Bajo esta condición pueden ocurrir fallas por deslizamiento o transcurrentes. En la Figura 2, se puede observar una representación de la falla transcurrente.
Fallas Inversas (Régimen Compresional)
Se presenta cuando la magnitud del esfuerzo vertical es la menor de las tres que intervienen, produciendo que un bloque se deslice sobre otro bajo un régimen de esfuerzos compresivos. En la Figura 3, se puede observar una representación de la falla inversa.
Estado de Esfuerzo in Situ en la Geomecánica de Yacimiento
Los esfuerzos in situ de un yacimiento pueden representarse en tres direcciones principales, verticales por la sobrecarga de los sedimentos (σv), y horizontalmente en dos direcciones ortogonales entre sí.
Estos dos esfuerzos horizontales generalmente no son iguales, y por convención el máximo y el mínimo esfuerzo horizontal se denotan como σH y σh, respectivamente, como se observa en la Figura 4.
A medida que se perfora un pozo, se altera el equilibrio en la geomecánica de yacimiento (principalmente los esfuerzos in situ).
Para compensar este equilibrio se utiliza la presión hidrostática, con la cual se trata de equilibrar los esfuerzos ejercidos del yacimiento hacia el pozo.
Dado que la presión del lodo es uniforme en todas las direcciones, no es posible balancear completamente los esfuerzos y en consecuencia, la roca alrededor del pozo se distorsiona y puede fallar si la redistribución de los esfuerzos excede su resistencia. Un esquemático del desequilibrio de fuerzas en el hoyo se puede observar en la Figura 5.
La formación puede fallar por los esfuerzos de tensión y compresión, los esfuerzos de tensión dan lugar a un mecanismo de falla, que ocurre cuando la presión hidrostática ejercida por la columna de lodo puede exceder la resistencia de la roca, estos provocan fracturas en la misma a lo largo de un plano perpendicular a la dirección de los esfuerzos mínimos in situ, que generalmente es uno de los esfuerzos horizontales, lo cual puede venir acompañado de una perdida de circulación.
Causas de Inestabilidad de Hoyo
La mayoría de los problemas de estabilidad de hoyo ocurren en formaciones lutíticas y en arenas arcillosas.
En éstas se generan efectos químicos y mecánicos capaces de crear inestabilidad en el hoyo. A continuación se describen algunos de estos efectos:
Efectos Químicos
El cambio iónioco en las arcillas, tal como ilita, mica, esmectita, clorita, capas mixtas de arcilla y zeolitas, pueden causar muchos problemas de estabilidad.
El geomecánico puede erróneamente tratar un problema de generación de fracturas por efectos químicos como un problema mecánico.
Los siguientes mecanismos de fractura durante la construcción del hoyo pueden ser relacionados con causas químicas:
– Dilatación de arcillas y migración: muchas formaciones lutíticas contienen materiales de arcilla capaces de absorber agua induciendo una elevación de la presión localizada. Esta presión reduce el esfuerzo efectivo alrededor del hoyo causando el ensanchamiento o dilatación, desintegración y colapso de la matriz de la lutita.
– Cambio iónico: las salmueras pueden controlar el ensanchamiento de las arcillas, pero la ilita, esmectita, clorita y capas mixtas de arcilla pueden cambiar la salmuera a través de mecanismos de cambios iónicos y la dilatación posterior.
– Deterioro de la cementación: cuando examinamos formaciones de areniscas se pueden estudiar el grado y tipo de cementación. Análisis mineralógico, petrografía de secciones finas y compatibilidad de fluidos son métodos viables para hacer pruebas y de esta manera realizar mejores estudios de estabilidad y arenamiento.
Daño Alrededor del Hoyo
Esto puede ocurrir debido a los depósitos de parafina, migración fina causada por la kaolinita e ilita, precipitación de asfaltenos, producción de arenas, emulsiones producidas por hierro, formación de emulsiones de aceite por ácidos en combinación con hierro soluble y emulsiones formadas por fluidos cuando se fractura la roca durante la estimulación.
Efectos Mecánicos
Los mecanismos de falla de tensión y de cizalla deben ser considerados para la evaluación de la estabilidad del hoyo durante la perforación.
Falla de Tensión
Los esfuerzos efectivos exceden la fuerza tensil de las paredes del hoyo y producen fallas de tensión. Entonces una fractura inducida puede resultar debido a la pérdida de fluidos de perforación.
Falla de Cizalla
Una vez que el hoyo es perforado un nuevo campo de esfuerzos es establecido, la roca podrá resistir el campo de esfuerzo, resultando una zona de rompimiento cerca del pozo que causa alargamiento del hoyo. Un apropiado criterio de fractura puede ser utilizado para la evaluación de este tipo de zona.
Peso del Fluido de Perforación
El peso del fluido de perforación puede ser calculado como un resultado del punto de iniciación de esfuerzo de tensión y de cizalla.
Límites de la Ventana de Peso del Lodo de Perforación
El límite superior es estimado con los esfuerzos in situ, y el esfuerzo de tensión es medido en el laboratorio.
Mientras que el límite inferior es estimado para el campo de esfuerzos in situ y las propiedades intrínsecas de la geomecánica de yacimiento, las cuales son estimadas para uno de los criterios de fracturas existentes. El límite superior es la presión que causa la falla de tensión y la perdida de fluido de perforación.
El límite inferior es la presión necesaria para proveer esfuerzo de confinamiento, el cual es removido durante la perforación. La presión de confinamiento previene las fallas de cizalla, la creación de una zona plástica y el flujo plástico.
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