Geomecanica

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. La geomecánica utiliza resultados experimentales de campo y laboratorio conjuntamente con soluciones analíticas para resolver problemas particulares.

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.

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.

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.

•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 del 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.

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, compactación y subsidencia, 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.

Estabilidad de hoyos

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 estudio de la estabilidad del hoyo puede realizarse durante la etapa de perforación o durante la producción. En ambos casos se trata de analizar y comparar los esfuerzos inducidos alrededor del hoyo con la resistencia de la roca. Los esfuerzos inducidos alrededor del hoyo están controlados fundamentalmente por la magnitud de las diferentes componentes de esfuerzos en sitio, por la orientación del pozo, las propiedades de la roca, la presión de fluido de yacimiento, el peso de lodo y la temperatura.

La resistencia de la roca depende del nivel de esfuerzos efectivos y de las propiedades de la roca, las cuales pueden ser degradadas por los diversos procedimientos que ocurren durante la perforación y la producción de los pozos petroleros. Existen diversas teorías que permiten estimar la concentración de esfuerzos alrededor del hoyo. La teoría más simple que se utiliza es la de elasticidad lineal considerando comportamiento rígido - frágil de la roca, la cual establece que cuando el estado de esfuerzos en algún punto alcanza el valor de resistencia de la roca se considera que ha fallado. Este tipo de modelo es conservador ya que no considera la resistencia residual de la roca y desprecia posibles efectos plásticos. Las rocas en realidad presentan una resistencia residual que, aunque menor que la resistencia máxima, podría todavía ser suficiente para mantener la integridad del hoyo. Sin embargo, las fallas localizadas o regiones falladas alrededor del hoyo hacen a la roca más propensa a sufrir procesos de arenamiento en etapas posteriores de la vida del pozo. Existen modelos numéricos más sofisticados que permiten usar modelos de la roca más realistas. Tales modelos consideran efectos de poro-visco-elasticidad y plasticidad en la roca.

A pesar de las severas suposiciones de los modelos más sencillos, en las ocasiones en que es posible hacer una calibración adecuada, se puede aprovechar la simplicidad de los mismos y ajustar los parámetros para obtener resultados con valores más realista y menos conservadores.

Arenamiento

El fenómeno de arenamiento tiene su origen cuando los esfuerzos desestabilizadores (esfuerzos de arrastre y gradientes de presión) son mayores que la resistencia mecánica de la formación. Cuando estos esfuerzos son mayores que la resistencia ocurre una inestabilidad causando desprendimiento del material de la formación. Este desprendimiento puede ser en forma de granos individuales de arena que se producen continuamente o pedazos enteros de la formación. Este desprendimiento de partículas no ocurre todo súbitamente, sino que va aumentando hasta llegar a cantidades catastróficas de arenas, por lo que se deben identificar los pozos que estén produciendo poca cantidad de arena para tomar medidas especiales, ya que una vez que estos llegan a tasas críticas no hay manera de detener la producción de la misma. 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.

Basándose en el nivel de la cantidad de arena producida, se pueden identificar tres grados de severidad del problema de arenamiento, que a su vez conlleva a tres niveles de impacto económico. El primer nivel ocurre cuando la producción de arena es baja causando desgaste del equipo que tiene que ser reemplazado; a veces también es necesario disminuir la producción para que no ocurra dicho fenómeno y por lo tanto crea un potencial de producción diferido. El segundo nivel ocurre cuando la producción es mediana; adicionalmente al impacto técnico y económico del primer nivel también ocurre taponamiento en tuberías que causan el cierre del pozo, lo cual implica un mayor impacto económico por los gastos adicionales de RA/RC y la pérdida total de producción del mismo. El tercer nivel y de mayor gravedad, ocurre cuando la producción de arenas es muy alta, ya que ocurren todos los problemas técnicos y económicos anteriormente descritos, pero adicionalmente la gran cantidad de arena producida deja cavernas enormes alrededor del revestidor y este podría colapsar perdiéndose por completo el pozo. Un pozo con problemas de arenamiento que no se le preste la atención necesaria, irá progresando por estos niveles y su condición irá empeorando con el tiempo; se debe tratar de evitar a todo costo llegar a este ultimo nivel del problema.

Los esfuerzos desestabilizadores y la resistencia mecánica de la formación pueden ser afectados substancialmente por las operaciones tradicionales de pozos, tales como perforación, completación, producción y estimulación. Por lo tanto, para poder analizar el fenómeno de arenamiento se tienen que estudiar no solamente las características mecánicas de la formación en su estado virgen, sino también, hay que analizar aquellas operaciones de pozos que puedan alterar los esfuerzos desestabilizadores y la resistencia mecánica de la formación; en tal sentido, dichas operaciones pueden: (a) disminuir substancialmente la resistencia mecánica de la formación; y/o (b) aumentar las velocidades de los fluidos los cuales causarán esfuerzos de arrastre excesivos.

Las actividades de pozos que pueden causar problemas de arenamiento

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