GEOMECANICA

Capítulo 1 Introducción 1

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Capítulo 1

Introducción Definición de la geomecánica La geomecánica es la disciplina que estudia las características mecánicas de los materiales geológicos que conforman las rocas de formación. Esta disciplina está basada en los conceptos y teorías de mecánica de rocas y mecánica de suelos, que relacionan el comportamiento de la formación bajo los cambios de esfuerzo producto de las operaciones petroleras de perforación, completación y producción de pozos. Aunque las bases de la geomecánica fueron realizadas a principios de siglo, las aplicaciones petroleras empiezan a tener mayor divulgación al comienzo de la década de los 70, y por lo tanto esta es una disciplina novedosa para la ingeniería de petróleo. La geomecánica utiliza resultados experimentales de campo y laboratorio conjuntamente con soluciones analíticas para resolver problemas particulares.

Suelos y rocas Los materiales geológicos pueden ser divididos en rocas y suelos; sin embargo, la diferencia entre ellos a veces no es muy clara, a pesar que el método de análisis de cada uno, es generalmente bastante distinto. Los suelos son aglomerados relativamente sueltos compuestos de minerales, materiales orgánicos y sedimentos que se encuentran sobre la roca madre. Las rocas son materiales geológicos con fuerzas moleculares entre sí, que le confieren a los granos minerales una resistencia interna considerable. La diferencia entre ellos está relacionada con la resistencia intrínseca del material, por lo que resulta difícil diferenciar entre una roca blanda y un suelo duro. En el sector petrolero es usual trabajar con rocas, por lo que a los suelos se les conoce como rocas no consolidadas. Sistemas de partículas

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Los materiales geológicos están compuestos por un sistema multifásico de partículas minerales que crean una estructura porosa donde residen fluidos tales como agua, hidrocarburos y aire. Este sistema de partículas es lo que distingue a los materiales geológicos de los materiales continuos como los metales y fluidos. Las partículas representan una fase sólida conocida como esqueleto mineral; debido a esto, la deformación del material geológico está controlado por la interacción entre partículas individuales, deformación de partículas y más importante aún, el movimiento relativo entre partículas. El fluido intersticial puede fluir a través de los poros interactuando con el esqueleto mineral, alterando la magnitud de las fuerzas en el contacto entre partículas e influenciando la resistencia y compresibilidad del material geológico.

Partículas, fluidos y esfuerzos efectivos Los materiales geológicos son agregados de partículas; sin embargo se toman conceptos del área de mecánica de medios continuos para comprender y modelar su comportamiento mecánico. Tal como se puede ver en la figura 1.1, los suelos son compuestos multifásicos donde existen tres fases: 1. Sólidos (Partículas de minerales) 2. Gas (aire, gas, etc…) 3. Líquidos (agua, petróleo, etc…)

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Gas Liquido Solido

Fluidos de poros

Granos solidos

Figura 1.1- Diagrama de fases para materiales geológicos.

Debido a esto es necesario representar la cantidad de poros y granos de una manera numérica. La geomecánica generalmente utiliza la porosidad definida como:

n=

Vv V

pero a veces utiliza la relación de vacíos definida como:

e=

Vv Vs

donde: V: Vv: Vs:

Volumen total Volumen de poros Volumen de sólidos

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Esfuerzo intergranular

u u

Granos

u

Figura 1.2.- Esfuerzos intergranulares y presión de poros para granos en contacto.

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Comportamiento mecánico de materiales geológicos Los materiales geológicos están compuestos de partículas sólidas y poros llenos de fluidos que pueden desplazarse. Debido a esto, cuando un elemento de material geológico está sometido a un esfuerzo externo, el mismo, se reparte en un esfuerzo intergranular y una presión de poros de manera que:

σ = σ + αu donde σ es el esfuerzo total, u es la presión de poros y α es una constante conocida como Coeficiente de Biot, que mide la cantidad de esfuerzo que toma el fluido. El esfuerzo intergranular σ es conocido como el esfuerzo efectivo y es el esfuerzo que controla el comportamiento mecánico de los materiales geológicos. Todos los efectos medibles de un cambio de esfuerzo (compresión, distorsión, resistencia) son debidos solamente a esfuerzos efectivos. En materiales muy porosos (arenas no consolidadas) el valor de α tiene un máximo igual a 1.0, lo que significa que toda la presión de poros está contribuyendo a soportar el esfuerzo total. En rocas de baja porosidad es posible que este número sea cercano a 0.8. En materiales sin poros como los metales, no existe presión de poros y por lo tanto el esfuerzo efectivo es igual al esfuerzo total; que es el esfuerzo comúnmente referido en resistencia de materiales. Características especiales de los materiales geológicos Los materiales geológicos presentan características muy particulares y por lo tanto los problemas son bastante diferentes. Algunas de las características particulares de los problemas que involucran materiales geológicos son las siguientes: •

Los materiales geológicos son esencialmente diferentes en cada localidad y por lo tanto cada caso tiene que ser tratado de una manera particular. No existe un material geológico de propiedades constantes para una zona.

•

El comportamiento de los materiales geológicos depende de presión, tiempo y condiciones ambientales, y por lo tanto estos factores deben ser determinados para evaluar su comportamiento.

•

Los materiales geológicos tienen memoria, en el sentido que su historia pasada afecta su comportamiento futuro.

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•

En la mayoría de los casos la masa de material geológico por investigar representa una gran extensión areal a diferentes profundidades. Por lo tanto, sólo puede ser evaluada sobre la base de pequeñas muestras obtenidas en localidades puntuales.

•

Debido a las grandes profundidades, resulta difícil y costoso obtener información de las características de la roca.

•

Los materiales geológicos son sensibles a la perturbación por las operaciones de muestreo y por lo tanto las propiedades mecánicas medidas en el laboratorio pueden no ser representativas de el comportamiento en el sitio.

•

Los materiales geológicos no poseen una relación esfuerzo-deformación única y lineal. Un mismo material presentará diferencias a diferentes presiones confinantes.

Fundamentos de un análisis geomecánico Los estudios geomecánicos casi siempre necesitan muestras de la roca y por lo tanto resulta necesario la obtención de núcleos geológicos. Estos núcleos serán utilizados para tomar muestras para ensayos especializados de laboratorio. Si resulta necesario obtener información sobre direcciones de los ensayos de laboratorio, los núcleos deben ser orientados por métodos tradicionales durante la toma de los mismos. Para núcleos ya tomados, solamente existe el método de orientación basado en paleomagnetismo que se hace en superficie. En núcleos frescos se puede utilizar el paleomagnetismo o el método tradicional, aunque este último resulta más costoso. Existe una gran variedad de ensayos de laboratorio para medir diferentes propiedades mecánicas de la roca. Las propiedades mecánicas de interés se dividen en aquellas que miden resistencia, las que miden direcciones de esfuerzos o deformaciones y las que miden comportamiento esfuerzo-deformación. Generalmente existe un tipo de ensayo para medir una propiedad en particular. El tipo de ensayo más común en la geomecánica es el de compresión triaxial, que sirve para medir la resistencia al corte y el comportamiento esfuerzo-deformación de una muestra de suelo, a una presión confinante. Otro tipo de ensayo muy utilizado en la geomecánica, es el de compresión uniaxial que sirve para medir el comportamiento esfuerzo-deformación de una muestra sin deformación lateral. Se pueden realizar ensayos donde se midan las propiedades dinámicas de la roca en el laboratorio, los cuales pueden ser usados para correlacionar con registros petrofísicos de campo. También existen pruebas especiales tales como ASR, DSA, AAA y SWAA que realizadas en núcleos orientados permiten determinar la dirección de los esfuerzos principales en campo. Introducción a la Geomecánica Petrolera H

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Existen varios tipos de trabajos de campo que también son necesarios para un análisis geomecánico. El uso de herramientas petrofísicas acústicas que midan la velocidad de ondas P y S resulta fundamental, ya que se pueden determinar las propiedades dinámicas de la formación. Estas propiedades dinámicas de campo pueden ser comparadas con las propiedades dinámicas y propiedades estáticas (resistencia) de laboratorio para elaborar correlaciones predictivas. También resulta muy importante conocer la magnitud del esfuerzo principal menor para determinar el estado de esfuerzos, por lo que se debe efectuar una prueba minifrac o microfrac que mida la presión de apertura y cierre a distintas profundidades. Otra herramienta petrofísica de importancia la constituye el probador múltiple de formación (RFT, MDT) que mide la presión de poros a diferentes profundidades. Las pruebas de presión sea por DST o "buildup" pueden ser usadas para conocer la presión del yacimiento en un tiempo dado. El conocimiento de las presiones de poros es fundamental para poder calcular el esfuerzo efectivo que controla el comportamiento mecánico de la roca. El comportamiento mecánico de las rocas de formación resulta bastante complicado ya que es totalmente inelástico y no lineal. Para poder modelar la resistencia y el comportamiento esfuerzo-deformación de las rocas, resulta necesario realizar ensayos de laboratorio a las condiciones de esfuerzos y temperaturas existentes en el campo, lo cual servirá para calibrar luego parámetros de modelos basados en las teorías de elasticidad y plasticidad. Existen varios modelos matemáticos basados en métodos numéricos y soluciones teóricas para resolver diferentes tipos de problemas, tales como esfuerzos en hoyos inclinados, fracturamiento hidráulico, estabilidad de cavidades cañoneadas, esfuerzos en yacimientos sometidos a compactación y subsidencia, etc.. Absolutamente, todos los análisis teóricos necesitan datos de ensayos de laboratorio y pruebas de campo para poder arrojar una respuesta confiable. Aplicaciones geomecánicas La geomecánica siempre trata problemas donde se relacionan esfuerzos con resistencia de la formación. Es entonces de esperar, que aquellas operaciones de pozos que afecten y causen daño a la formación, también van a tener una gran influencia en el análisis de cualquier problema (estabilidad de hoyos, arenamiento, fracturamiento, etc.). Por lo tanto, se deben analizar todas las operaciones de pozo que puedan ser negativas desde el punto de vista de la formación, para luego optimizarlas en función de las características de la roca.

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La magnitud y dirección de los esfuerzos en sitio, va a definir la trayectoria de mayor estabilidad para pozos horizontales y de gran desviación. Estos pozos tendrán una mayor estabilidad si son perforados en la dirección perpendicular al esfuerzo principal menor, ya que este problema de estabilidad se complica porque el eje del pozo no coincide con la dirección del esfuerzo principal mayor. Si se puede determinar experimentalmente la envolvente de falla de la roca de formación, entonces se puede calcular el rango de pesos de lodo que mantenga la integridad del hoyo. Los problemas de estabilidad pueden existir aún después de la perforación, debido a que la mayoría de los pozos horizontales son completados a hueco abierto y la reducción de presiones de poros del yacimiento causa un aumento en los esfuerzos efectivos. El problema de producción excesiva de arenas es causado cuando los esfuerzos desestabilizadores actuando sobre la formación (tasa de flujo y gradiente de presión) son mayores que la resistencia mecánica de la formación. Cuando esta resistencia es excedida, entonces ocurre desprendimiento de granos de material de la formación causando arenamiento. Resulta necesario conocer el estado de esfuerzos y la envolvente de falla de la formación para poder determinar el gradiente de producción (drawdown) crítico que no cause producción de arena. Adicionalmente, se debe evaluar el efecto nocivo que tienen las operaciones de pozo (perforación, completación y producción) sobre el arenamiento de pozos, ya que pueden afectar los esfuerzos desestabilizadores y las resistencias mecánicas. También, se debe evaluar el comportamiento mecánico de las gravas usadas en los diferentes tipos de control de arenas. Las características mecánicas de la formación controlan el diseño de las fracturas hidráulicas. La altura de la fractura está relacionada al contraste de las magnitudes de los esfuerzos principales menores en los diferentes estratos geológicos. La presión de rompimiento y el gradiente de fractura están relacionados al esfuerzo principal menor y a la resistencia a la tracción de la roca. La dirección de los esfuerzos indica la dirección de la fractura hidráulica, ya que la misma es perpendicular a la dirección del esfuerzo principal menor. La longitud de la fractura y su propagación están relacionadas con la resistencia al corte y dureza de la roca. El conocimiento de la resistencia mecánica de la roca es muy importante en la selección de perforadores de cañoneo, ya que la penetración del mismo es dependiente de la resistencia de la roca como lo demuestra el método API RP-43. La geomecánica también puede ser muy útil para definir el tipo de completación en pozos horizontales. Las completaciones a hueco abierto pueden tener mayor productividad que a hueco entubado, pero pueden ser menos estables en un futuro. Se debe evaluar la estabilidad de la completación a hueco abierto en diferentes etapas de su vida Introducción a la Geomecánica Petrolera H

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productiva a medida que aumentan los esfuerzos efectivos por la disminución de las presiones de yacimiento. En yacimientos naturalmente fracturados resulta necesario determinar las direcciones de las fracturas naturales. Las fracturas se abren perpendiculares al esfuerzo principal menor que existía cuando se originaron dichas fracturas. Esto va a ser de suma importancia para yacimientos fracturados de rocas con baja permeabilidad, ya que la producción ocurre principalmente por los sistemas de fracturas naturales y no por la matriz. Núcleos orientados usados en conjunto con análisis geomecánicos de laboratorio también pueden ser utilizados para la determinación de las direcciones de esfuerzos en sitio que son los causantes de las fractura. Esto ayudará a determinar la dirección óptima de pozos desviados y horizontales que intercepten el mayor número de fracturas naturales y poder así tener mayor producción de hidrocarburos. En yacimientos someros de arenas no consolidadas ocurre compactación de a ls arenas productoras a medida que disminuye las presión del yacimiento. Si las condiciones geométricas y rigideces de las capas suprayacentes cumplen ciertos requisitos, la compactación de las arenas del yacimiento puede causar el fenómeno de subsidencia. El grado de compactación de la arena es calculado mediante ensayos de laboratorio especiales y conociendo el estado de esfuerzos del yacimiento. El grado de compactación de la arena sirve luego para calcular el volumen de crudo que puede ser producido por el mecanismo de compactación, lo cual tiene un gran impacto sobre las reservas recuperables.

Experiencia mundial y local Aunque es una disciplina relativamente nueva, las grandes compañías mundiales de exploración y producción (EXXON, SHELL, BP, CHEVRON, ELF, ARCO, PENNZOIL, CONOCO, MARATHON, AGIP, STATOIL, etc...) tienen uno o varios grupos de personas que trabajan con geomecánica. Adicionalmente, varias universidades ofrecen especializaciones en el área de la geomecánica aplicada a producción petrolera. Las compañías de servicio también realizan ensayos de campo para poder determinar propiedades mecánicas de la formación. Adicionalmente, existen varias compañías a nivel mundial que pueden hacer ensayos de laboratorio para medir las propiedades mecánicas de las rocas de formación. La geomecánica también ha sido utilizada en Venezuela. En el Norte de Monagas, CORPOVEN ha utilizado la geomecánica para analizar el problema de arenamiento en los campos Santa Bárbara, Tejero, Carito y Musipan, mientras que LAGOVEN la ha Introducción a la Geomecánica Petrolera H

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utilizado para analizar arenamiento en los campos El Furrial y Boquerón y para optimar fracturas hidráulicas. MARAVEN ha utilizado la geomecánica para entender el comportamiento de las calizas naturalmente fracturadas de la formación Cogollo y las lutitas de la formación La Luna en el Lago de Maracaibo. MARAVEN también ha utilizado la geomecánica en algunos pozos del eoceno en el Lago de Maracaibo para minimizar el problema de producción de arenas y para garantizar la estabilidad de pozos horizontales. CORPOVEN y LAGOVEN han utilizado la geomecánica para estudiar el fenómeno de compactación y subsidencia en el Lago de Maracaibo, y en las áreas de Hamaca y Cerro Negro en la Faja del Orinoco.

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