Caracterización del comportamiento mecanico de campos petroleros en mexico

8/10/2019 Caracterizacin del comportamiento mecanico de campos petroleros en mexico

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investigacin

PetroQuiMex

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CaracterizacinCaracterizacindel

Comportamiento Mecnico deCampos Petroleros Mexicanos

Resumen

Se realizan estudios integrales novedosos enla caracterizacin del comportamiento me-cnico de campos petroleros mexicanos conbase en pruebas mecnicas y observacionescon microscopa de ultra alta resolucin. Es-tos estudios coadyuvan en la optimizacin delas operaciones de perforacin, terminacin yreparacin de pozos, y han abarcado camposde la Regin Norte, Regin Sur y Regin Ma-rina de PEMEX.

En la caracterizacin de los campos, se es-timaron mdulos elsticos, estticos y din-micos como Mdulo de Young, relacin dePoisson, entre otros. Asimismo se interpre-taron los tipos de comportamiento de las for-maciones geolgicas a partir de las curvasesfuerzo-deformacin, envolventes de falla,parmetros poroelsticos como constante deBiot y Skempton as como tambin propieda-des de falla como ngulo de friccin interna ycohesin.

La determina-cin parme-tros mecnicosque se realizen campos pe-troleros mexi-canos es degran importan-c ia en la ca-racter izac indel yacimiento

y especficamente en la perforacin, dondese tienen aplicaciones principalmente para laestimacin de la ventana operacional en la es-tabilidad de pozos, colapso de tuberas de re-vestimiento, diseo de barrenas, localizacinde pozos y diseo de la trayectoria.

Introduccin

La caracterizacin mecnica de las formacio-nes es fundamental para la optimizacin de laexplotacin de los yacimientos petroleros, ya

son conocidas las aplicaciones de la geome-cnica en la industria petrolera. Figura 1.

Particularmente en la perforacin se tienenaplicaciones principalmente para la determi-nacin de la ventana operacional en la es-tabilidad de pozos, colapso de tuberas derevestimiento, diseo de barrenas, localiza-cin de pozos y diseo de la trayectoria enfuncin de los esfuerzosin situpara reducir laproblemtica de la perforacin.

Especficamente, en el anlisis de estabilidadse requiere de conocer los parmetros elsti-cos, poroelsticos y de falla de las formacio-nes, tales como mdulo de Young, Relacinde Poisson, Constante de Biot, resistenciauniaxial a la compresin, ngulo de friccininterna, cohesin para construir el modelo deroca a lo largo de la profundidad o interva-lo de inters; este modelo es construido porsoftware comercial a partir de registros, pero alser stos una medicin indirecta realizada convelocidades de onda o tiempos de trnsito, el

Fig. 1. Aplicaciones de

la geomecnica en la

industria petrolera.

Fuente: Subgerencia de ComunicacinSocial, IMP.


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modelo es obtenido de rocas a diferentes con-diciones que podran no ajustarse al compor-tamiento de las formaciones de los camposmexicanos, y que requieren de ser ajustados

o calibrados.

Aqu resultan de gran importancia los valoresde los parmetros mecnicos determinados apartir de mediciones directas en laboratorio,pues si se dispone de ellos a diferentes pro-fundidades, permitirn calibrar las curvas delas propiedades generadas por software co-

mercial y que constituyen el modelo de rocaque es fundamental para la determinacin dela ventana operacional.

Caracterizacin Geomecnica

La caracterizacin geomecnica de campospetroleros consiste en la determinacin depropiedades elsticas, poroelsticas y de fa-lla, que definen el comportamiento mecnicode las formaciones, las cuales conforman losyacimientos de los campos petroleros.

Para dicha caracterizacin se requiere deequipo especializado integrado por un mar-co de carga, fuente de poder hidrulico,intensificadores de presin, celda triaxial,accesorios de prueba uniaxial, tensin di-recta e indirecta, resistencia a la fractura,

sistema de velocidad de onda ultrasnica,emisin acstica; un controlador que permi-ta el control de todo el sistema incluyendovlvulas servocontroladas, as como la ad-quisicin de datos de todas las variables in-volucradas como presiones, temperaturas,desplazamientos, volmenes, esfuerzos,entre las ms importantes.

La caracterizacin geomecnica aqu presen-tada se realiz en el Laboratorio de Geome-cnica del IMP, el cual cuenta con un sistema

de prueba de fsica de rocas de vanguardiaa nivel mundial, que permite la realizacin deprcticamente todo tipo de prueba mecnicaen todas las variantes existentes. Figura 2.

Campos Petroleros Mexicanos

Entre los proyectos a explotar en los prximosaos por su potencial, la cartera de proyectosde PEP incluye aquellos considerados comolos ms importantes por su nivel de produc-cin distribuidos en cuatro reas:

En la Regin Norte figuran Burgos, Chiconte-pec, Lankahuasa y rea de Perdido, en la Re-gin Marina Suroeste destacan Crudo LigeroMarino y el Golfo de Mxico Profundo, en laRegin Marina Noroeste se encuentran Can-tarell/Sihil y Ku Maloob Zaap, finalmente en laRegin Sur estn localizados los proyectos de

Antonio J. Bermdez y Jujo-Tecominoacn.

Para incursionar en estas reas as como enlas que ya se encuentran en explotacin, se

Fig. 2. Laboratorio de

Geomecnica del IMP.

CURVA ESFUERZO DEFORMACIN

DEF. AXIAL (IN/IN)

ESFUERZO(MilesLbf)

Fig. 3. Prueba

uniaxial parcial,

dos ciclos.

Fig. 4. Curva

esfuerzo deforma-ciones 1er ciclo de

carga.


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va a requerir de estudios multidisciplinariosentre los cuales es fundamental contar con losmodelos geomecnicos para una adecuadaplaneacin y operacin de dichos proyectos.

La caracterizacin geomecnica a partir de

las mediciones directas en laboratorio parala determinacin de propiedades mecnicas,proporcionan una base fundamental junto conlos gradientes de presin, estados de esfuer-zos y datos geolgicos para contar con unmodelo geomecnico calibrado y validado. Lainfraestructura experimental a disposicin dePEP y la creciente utilizacin e incorporacinde estos servicios permitir colaborar en di-chos objetivos.

Resultados y Anlisis de laCaracterizacin Geomecnica en

Campos Petroleros Mexicanos

Con el objetivo de caracterizar el comporta-miento mecnico de las formaciones me-diante pruebas mecnicas a travs de ladeterminacin de las propiedades elsticas,poroelsticas y de falla obtenidas experimen-talmente, se ha llevado a cabo la realizacinde programas experimentales en algunos delos campos ms importantes mencionadosanteriormente.

Con base en la disponibilidad de material ylos requerimientos del cliente se definieronlos programas experimentales con el prop-sito de caracterizar mecnicamente la forma-cin, que es necesario atravesar para llegara la formacin productora y que es fuentede problemas potenciales de estabilidad deagujero, desde el punto de vista de la perfo-racin de pozos.

A continuacin se muestran algunos de los re-sultados de dicha caracterizacin geomecni-ca donde se ilustran tambin las pruebas mscomunes para la caracterizacin de campos.La evaluacin y anlisis de pruebas mecni-cas se efectuaron de acuerdo con estndares

ASTM y mtodos sugeridos ISRM.

Para la determinacin del tipo de compor-tamiento del material, es decir, definir si eselstico, plstico, lineal o no lineal se realiza-ron pruebas uniaxiales parciales, mediante laaplicacin de una carga axial de forma ccli-ca. A continuacin se ilustra una prueba de

este tipo. En un pozo de la Regin Marina, sellev a cabo una prueba uniaxial parcial, esdecir sin llegar a la falla, se aplic un ciclo decarga y descarga a un valor de esfuerzo axialpequeo (2 mil Lbf) para determinar el tipo

de comportamiento, como puede observarseen la Figura 3, el tipo de comportamiento es

lineal a este rango de esfuerzo. Sin embargo,despus del ciclo es posible observar en lagrfica que existe una deformacin perma-nente en el sentido axial, lo cual repercuteen la deformacin volumtrica total, y es in-dicativo de un grado de plasticidad, lo que

Fig. 5. Curva

esfuerzo deforma-

ciones 2do. ciclo

de carga.

Fig. 6. Curva

esfuerzo

deformacionesprueba uniaxial.

DEFORMACIONES (IN/IN)

CURVA ESFUERZO DEFORMACIONES

ESFUERZO

(MilesLbf)

Fig. 7. Curva

esfuerzo defor-

maciones prueba

uniaxial.


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puede catalogarse como comportamientoelsto-plstico debido a que el espcimenno recupera su dimensin original, existe unapequea deformacin permanente. Poste-riormente se llev a cabo otro ciclo a otrovalor de carga axial (4 mil Lbf) observndose

el mismo fenmeno. Figuras 4 y 5.

Tomando nicamente estos rangos de cargaaxial, en los que no se llega a la falla el mdulode Young correspondiente a este rango es de1,804.79 miles Lbf y un valor de relacin dePoisson de 0.24 correspondiente a este mis-mo rango de esfuerzo.

En otro pozo de la Regin Marina se lleva cabo una prueba uniaxial total, es decirhasta llevar al espcimen hasta su lmitede ruptura, Figura 6, donde se pudo ob-servar un tipo de falla elsto-frgil, ade-ms de determinarse la resistencia uniaxial

a la compresin, en este caso de 2,529psi, se realiz el anlisis de la seccin dela curva esfuerzo deformacin en el rangolineal y se determin un mdulo de Youngde 1,440.78 miles psi con una relacin dePoisson de 0.34.

Como un ejemplo similar de este tipo deprueba, se llev a cabo una prueba uniaxialtotal en un pozo de la Regin Sur, Figura7, es decir hasta llevar al espcimen hastasu lmite de ruptura, donde se puede ob-servar un tipo de falla elsto-frgil adems

de determinarse la resistencia uniaxial a lacompresin, en este caso de 3,165 psi, asi-mismo se realiz el anlisis de la seccin dela curva esfuerzo deformacin en el rangolineal y se determin un modulo de Youngde 836.92 miles psi con una relacin dePoisson de 0.47.

Puede observarse tambin que la muestrapresent un ligero grado de dilatancia.

En un pozo de la Regin Norte se llevaron

a cabo pruebas triaxiales; para estas mues-tras el valor del Mdulo de Young est en elrango de 2,450.89 a 3,706.56 miles Lbf/pg2para el mtodo tangente cor respondientea la regin lineal de esfuerzo. Los valoresde relacin de Poisson son de 0.25 a 0.32corresponden a las regiones de linealidaddel comportamiento esfuerzo-deformacinen la cual se determin el mdulo de Youngpara el mismo mtodo. Despus de laspruebas fue posible observar que se forma-ron planos de falla con un ngulo de entre 10y 15 en relacin con el eje de las muestras.

Al observar las curvas esfuerzo-deformacinse sugiere que el modo de falla dominan-te est dentro del rgimen elasto-frgil. Enlas Figuras 8 a 11 se presentan las curvasesfuerzo-deformacin para los diferentesespecimenes.

En otro pozo de esa misma Regin se realizun grupo de pruebas triaxiales y se determi-naron los crculos de Mohr a part ir de stas,la Figura 12 muestra los crculos de Mohr


ESFU

ERZO

(MILESLbf)


Fig. 8. Curva esfuerzo

deformaciones prueba

triaxial Pconf. 500 psi.

Fig. 9. Curva esfuerzo

deformaciones prueba

triaxial Pconf. 1000 psi.

Fig. 10. Curva

esfuerzo defor-

maciones prueba

triaxial Pconf. 2000

psi.


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para las presiones de confinamiento en elrango de 0 a 3000 psi.

Se incluye el crculo correspondiente a laprueba uniaxial que puede decirse que esuna triaxial con presin de confinamiento

de 0 psi.

Se puede observar que es posible trazar unaenvolvente de falla de Mohr Coulomb, un cri-terio de falla lineal; los valores para esta condi-cin son un valor de cohesin de 2,088.68 psiy un ngulo de friccin interna de 50.

En la Figura 13 se muestra una envolventede falla en el que se presenta un criterio defalla no lineal para un pozo de la misma Re-gin, de donde se deduce que es importanterealizar una serie de pruebas triaxiales para

elaborar los crculos de Mohr y determinar laenvolvente, si en un campo se presenta unacircunstancia de sta y se asume un criteriode falla lineal se estara sobre-estimando laresistencia de la roca.

Se llevaron a cabo pruebas de velocidad deonda ultrasnica para la determinacin de pro-piedades mecnicas dinmicas en un pozo dela Regin Marina, en la Figura 14 se ilustra elcambio de las velocidades compresionalesy de corte en funcin de la presin de confi-

namiento, donde se puede observar que lasvelocidades de onda compresional son msaltas que las de corte y que prcticamente noexiste diferencia entre las velocidades de ondade corte o cizalla lo que indica una anisotropamuy baja, por lo menos al mismo plano.

La variacin con la presin de confinamientoes ligera y aumenta en ambos casos de ondacompresional y de corte.

A partir de esas velocidades se determinaronlas propiedades mecnicas dinmicas, quese muestran en la Tabla 1.

Es posible la realizacin de pruebas de velo-cidad ultrasnica simultneamente con prue-bas triaxiales as como la determinacin develocidades ultrasnicas en muestras secasy saturadas.

En la Figura 15 se ilustra el comportamientode las velocidades compresionales y de cor-te para un mismo medio seco y saturado, lo

Fig. 11. Curva

esfuerzo defor-

maciones prueba

triaxial Pconf.

3000 psi.


ESFU

ERZO

(MILESLbf)


Fig. 12. Crculos de

Mohr y envolvente de

falla, criterio de falla

lineal.

Fig. 13. Crculos de

Mohr y envolvente de

falla, criterio de falla no

lineal.

Fig. 14. Velocidad

de onda en funcin

de la presin de

confinamiento.

Presin de confinamiento (psi)

Velocidad

(ft/s)

VELOCIDADES DE ONDA


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importante de esto es que puede ser un in-dicador cualitativo del tipo de saturacin deun medio.

Con el objeto de determinar la constante de

poroelstica de Biot se llevan a cabo dospruebas hidrostticas, una con camisa y otrasin camisa (manga de tefln termoencogible).La primera con el objeto de determinar el m-dulo volumtrico del armazn de la roca y lasegunda para determinar el mdulo volum-trico del slido o los granos que conformanla roca.

En las Figuras 16 y 17 se muestran las defor-maciones volumtricas de las pruebasen funcin de la presin de confina-

miento, de las pruebas antes men-cionadas y con stas se determina elmdulo volumtrico respectivo parauna muestra de la Regin Marina.

Una vez determinado el mdulo vo-lumtrico del armazn y del slidose calcul el valor de la constante deBiot, que en este caso result de 0.7;este parmetro es importante para elcaso de la determinacin de la venta-na operacional para la estabilidad delpozo, pues relaciona el esfuerzo conel esfuerzo efectivo, es decir la partede la carga que resiste la roca y laparte que resisten los fluidos conte-nidos en los poros de la roca.

Se muestra el resultado de una de laspruebas de tensin indirecta o tambinconocida como prueba brasilea, reali-zada en un pozo de la regin Norte conel propsito de determinar la resisten-cia a la tensin, Figura 18.

Es posible, con microscopa de ultra alta re-solucin (con infraestructura tambin de van-guardia a nivel mundial disponible en el IMP)definir cmo los esfuerzos inducidos modifi-can la permeabilidad de la roca, determinar

los parmetros mecnicos y observar la defor-macin del grano por minerales que integranla roca debido a stos esfuerzos.

Las figuras anteriores muestran el espacioporoso de una roca despus de la aplicacinde escuerzos inducidos y flujo a travs de lamisma, su efecto en el espacio poroso y a lavez en la permeabilidad de la roca.

Tabla 1. Propiedades

mecnicas dinmicas.

Fig. 15. Velocidades de

onda en muestras seca vs.

Saturada.

Fig. 16. Mdulo volumtrico

del armazn de la roca.

DEFORMACIN VOLUMTRICA (IN/IN)

PRESINDECONFINAMIENTO

(milespsi)

MDULO VOLUMTRICO DEL ARMAZN


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Aplicacin de parmetrosgeomecnicos

Una vez determinado el modelo de roca, jun-to con los otros parmetros requeridos por elanlisis de estabilidad, se determina la ventana

operacional y el asentamiento de las tuberasde revestimiento, el cual estar mejor sopor-tado al incluir el comportamiento mecnico delas formaciones; se sabe que al ser incluidoste en el diseo tradicional, se ve optimiza-do y coadyuva en la reduccin de problemasoperativos y operaciones no planeados para lasolucin de los mismos. Figura 21.

Otra aplicacin importante en el rea deperforacin es alimentar modelos analti-cos y numricos para la determinacin deestabilidad en pozos multilaterales que re-

quieren -an en el caso ms sencillo comolo es el elstico- de parmetros mecni-cos como Mdulo de Young y Relacin dePoisson para predecir esta condicin. Enla Figura 22 se ilustra la prediccin de laestabilidad en la junta de un pozo multila-teral incorporando el modelo elstico en unesquema numrico.

Conclusiones

Se ha llevado a cabo la caracterizacin del

comportamiento mecnico de algunos de loscampos petroleros mexicanos ms importan-tes y con mayor potencial de explotacin afuturo.

Se han determinado propiedades elsticas,poroelsticas y de falla en ncleos de estoscampos, se han analizado curvas esfuerzo-deformacin se sugieren diferentes modos defalla dominante, dentro del rgimen elasto-dctil, elasto plstico y los rangos de presinde confinamiento para stos.

Al apl icar un cri terio de falla lineal para laenvolvente de falla en estas muestras se hadeterminado la cohesin y ngulo de friccininterna as como la determinacin del criteriode falla no lineal en su caso.

Han sido llevadas a cabo mediciones de ve-locidad de onda ultrasnica en muestras se-cas y saturadas bajo la accin de una cargahidrosttica para la determinacin de pro-piedades mecnicas dinmicas y condicin

Fig. 18. Prueba de tensin

indirecta.

Fig. 19. Espacio poroso

despus de aplicacin de

esfuerzos.

Fig. 20. Espacio poroso

despus de aplicacin de

esfuerzos.

Fig. 17. Mdulo volum-

trico del slido de la roca.

DEFORMACIN VOLUMTRICA (IN/IN)

PRESI

NDECONFINAMIENTO

(milespsi)

MDULO VOLUMTRICO SLIDO DE ROCA


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de anisotropa y tambin se han realizadopruebas de velocidad de onda ultrasnica en

forma simultnea para el establecimiento de

correlaciones entre propiedades mecnicasestticas y dinmicas.

La integracin ptima de los parmetros,tanto dinmicos y estticos como mec-nicos son fundamentales en las diferentes

etapas de la caracterizacin y explotacinde yacimientos. Estos resultados que sepresentan en diversos campos de Mxicodemuestran su importancia, por ejemplo enla planeacin de la perforacin.

Se ha observado que el diseo de los pozosse mejora considerablemente al tomar encuenta el comportamiento mecnico de lasformaciones con la subsecuente reduccinde los problemas operativos al perforar yterminar los pozos, por lo que la utilizacinde los parmetros mecnicos determinados

para este pozo coadyuvarn en la optimi-zacin de los diseos empleados en los di-ferentes procesos de la explotacin de loscampos petroleros mexicanos.

NOMENCLATURA

Lbf Libras fuerzaKip Miles de libras fuerzaPsi Libras por pulgada cuadradat Esfuerzo de corte

So Cohesins Esfuerzo normalE Mdulo de Young

V Relacin de PoissonCo Resistencia a la compresinUSC Resistencia uniaxial a la com-

presinDSI Registro snico dipolar de

corteVp Velocidad de onda compre-

sionalVs Velocidad de onda de corte o

transversalCWT Transformada de ondcula

contnua.

Fig. 21. Comportamiento mecnico incorporado al diseo de pozos,

ventana operacional.

Fig. 22. Prediccin de

estabilidad en un pozo

multilateral.

REFERENCIAS

1) Informes de caracterizacin geomecnica a ncleos de pozos Proyecto IMP F.54123: Apoyo tcnico para la caracterizacin geome-

cnica para la planeacin de pozos.

Desarrollado para Subgerencia de Diseo de Perforacin, Terminacin e Intervencin a Pozos. 2006

2) Informes de caracterizacin geomecnica a ncleos de pozos Proyecto IMP F.54182: Apoyo tcnico para la caracterizacin geome-

cnica para la planeacin de pozos.

Desarrollado para Subgerencia de Diseo de Perforacin, Terminacin e Intervencin a Pozos. 2007

3) Revista El Mundo del Petrleo

Ao 1 Tomo 6 Oct-Nov 2004

4) Wapenaar, C.P.A., Multi-scale AVA analysis,67th Ann.Intern. Mtg., Soc.Expl.Geophys.Expanded Abstracts, 218-221, 1997

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