DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS MECÁNICOS BÁSICOS EN LUTITAS, FORMACIÓN CARAPITA, ORIENTE DE VENEZUELA, MEDIANTE EL USO DEL SISTEMA TSI (TERRATEK STRENGTH INDEX)

Jackeline Rodríguez¹      Manuel Martínez¹          Marisela Sánchez²

¹ Postgrado Ingeniería Mecánica, Universidad Central de Venezuela, Caracas 1080A. Venezuela; jackelinerodriguez1@hotmail.com; mj_martinez@cantv.net

² Global Geosoluciones C.A., San Antonio de los Altos, Venezuela; globalgeo@cantv.net

RESUMEN

El objetivo planteado en este trabajo fue investigar la factibilidad de determinar indirectamente los valores de resistencia a la compresión en muestras de lutitas pertenecientes a la formación Carapita, mediante ensayos tipo Scratch en el sistema TSI (Terratek Strength lndex). Esta metodología ha sido utilizada con exito en areniscas y consiste en someter al núcleo de roca al corte superficial con una cuchilla con desplazamiento horizontal  a velocidad y profundidad constante. El uso de esta metodología en lutitas ha sido limitada, considerando la necesidad de preservar las muestras en baño de aceite mineral para evitar la pérdida de propiedades.

Para alcanzar este objetivo, se diseñó y adaptó un recipiente contenedor de fluídos al banco de prueba del sistema TSI. Luego se determinó la mineralogía a las 5 muestras de lutitas utilizadas en este estudio. Por último, se investigó el efecto de los fluidos de perforación en la resistencia mecánica al sumergir 2 de las muestras en un fluído polimérico base agua con diferentes tiempos de exposición (24 y 48 hr), y el resto de las muestras en aceite mineral.

Se determinó que es factible utilizar el equipo TSI para realizar ensayos del tipo Scratch en muestras de lutitas, de manera rápida y sencilla, disminuyendo los costos generados por ejecución y análisis de los ensayos . Los resultados indican que los parámetros mecánicos estimados a partir de los ensayos con el sistema TSI, utilizando aceite mineral como fluido inhibitorio, resultaron ser muy parecidos a los resultados obtenidos de los ensayos de compresión no confinada y compresión triaxial. Adicionalmente, se observó que las muestras sometidas a la presencia de fluido base agua arrojaron valores de energía intrínseca y ángulo de fricción interna muy cercanos a los resultados obtenidos en las muestras sometidas a la presencia de aceite mineral.

Palabras claves: Carapita, Lutita, Recipiente contenedor de fluidos, Fluidos de perforación, Angulo de fricción, Resistencia a la compresión, Energía intrínseca específica.

DETERMINATION OF BASICS MECHANICAL PARAMETERS IN SHALES, CARAPITA FORMATION, WESTERN OF VENEZUELA, THROUGHT THE TSI SYSTEM (TERRATEK STRENGTH INDEX)

ABSTRACT

The purpose of this work was to investigate the feasibility of determining the compressive strength values on shale samples from Carapita formation using the scratch test in the Terratek Strength lndex (TSI). This method has been used successfully in sandstone, and consists in subjecting the samples of rock to a superficial cut with a cutter with horizontal movement at a constant speed and depth. The use of this method in shales has been limited, as it is necessary to preserve the samples in mineral oil to avoid the lost of properties.

To achieve this objective a fluid recipient was designed and adapted to fit the frame of the TSI system. Afterwards the mineralogy of the five (5) shale samples used in this study was determined. Finally, the effect of drilling fluids on the mechanical strength of shale samples was investigated by submerging two (2) of the samples in a water based polymer fluid over different periods of time (24 hours and 48 hours). The other samples were submerged in mineral oil.

It was determined that is feasible to use the TSI equipment to perform Scratch tests in shale samples. This quick and simple method reduces the cost of carrying out testing and analysis. The results indicate that the mechanical parameters estimated from the tests with the TSI system, using mineral oil as inhibitory fluids, are quite similar to the results obtained from destructives or compressive tests using load frame technology. Additionally, it was observed that the shale samples submerged in water based polymer fluid produced values of intrinsic energy and internal friction angle quite similar to the values obtained in the samples submerged in mineral oil.

Key words: Carapita, Shale, Fluid Recipient Container, Mud Fluids, Internal Friction Angle, Compressive Strength, Intrinsic Specific Energy.

Recibido: 10/03/04     Revisado: 18/03/04     Aceptado: 09/11/04

1. INTRODUCCIÓN

En la industria petrolera más del 75% de las rocas perforadas son lutitas, y un alto porcentaje de los problemas de perforación están asociados a este tipo de roca. El principal problema de perforación asociado a lutitas es la inestabilidad de hoyo, que puede ser producto de tres factores: físico-químicos, mecánicos y externos. Los factores físico-químicos están relacionados a la interacción de la lutita con el fluido de perforación, los factores mecánicos están asociados a esfuerzos y deformaciones de las rocas y los externos son los factores operacionales que pueden ser controlados durante la perforación.

Un aspecto importante asociado a la inestabilidad de hoyo es la inadecuada o incompleta caracterización a escala de laboratorio, lo que conlleva a una inapropiada estrategia de perforación, afectando incluso, la adopción o masificación de nuevas tecnologías como pozos horizontales, pozos de alto ángulo, pozos extendidos, uso de mechas de diamante policristalino, entre otros (Nawrocki,1998, Sánchez y Gabay, 1999).

En la actualidad existe un interés particular en resolver o minimizar los problemas de perforación asociados a formaciones que están constituidas por lutitas, especialmente los relacionados a la interacción de la lutita con el fluido de perforación y a los relacionados al comportamiento mecánico de las rocas. Para resolver estos problemas es necesario caracterizar muestras de lutitas a escala de laboratorio.

La caracterización geomecánica de lutitas consiste en determinar información sobre la rigidez y resistencia de la roca a traves de ensayos sobre el tapón de núcleo ó muestras preservados y no perturbados, con la finalidad de desarrollar modelos constitutivos realistas que permitan hacer diagnósticos apropiados sobre el desempeño de la roca bajo las condiciones de esfuerzo que se desarrollan alrededor del hoyo. Estos ensayos son costosos y consumen tiempo además requieren de equipos y procedimientos sofisticados así como personal altamente capacitados para la ejecución.

Un método alternativo para determinar los valores de resistencia es el cálculo de índices de resistencia a través de pruebas sencillas. Para ello es posible utilizar el ensayo de rayado que permite estimar los valores de una forma económica en comparación con los ensayos de compresión, ya que requiere poco tiempo para la ejecución y análisis de resultados, y lo más importante, se puede reutilizar las muestras para otros ensayos y determinar así otras propiedades (geoquímicas, petrofísicas, térmicas, acústicas y geomecánicas).

Contando con muestras de lutitas preservadas se quiere desarrollar una metodología para la realización de ensayos del tipo scratch ó de rayado, a fin determinar la energía intrínseca específica y el ángulo de fricción interna, dos (2) parámetros mecánicos confiables, y económicos comparados con los ensayos de compresión o destructivos. Por otro lado se requiere analizar la influencia de lodos de perforación en los valores de resistencia a fin de establecer criterios de comparación con trabajos previos.

Antecedentes

En un proyecto de exploración y producción la selección del lodo juega un rol muy importante tanto técnicamente como económicamente. Los problemas derivados de una selección inadecuada del peso o la composición del fluido de perforación son varios: inestabilidad de las paredes del hoyo (apertura o colapso del hoyo), pega de tubería, incremento del torque y arrastre, excesiva perdida de tiempo en repasos, daño a la formación con reducción del desempeño del yacimiento y en el caso más crítico perdida parcial o total del hoyo.

Con todos estos problemas la industria petrolera ha invertido esfuerzos y dinero en entender que fenómenos ocurren durante la perforación de un pozo. De esta forma se ha identificado una variedad de fenómenos que van desde la composición del material rocoso, el tiempo de exposición del material con el fluido, el régimen natural de esfuerzo y presión, el comportamiento mecánico de la roca y el mecanismo térmico.

Un revisión exhaustiva de la literatura muestra que en las secciones donde el material rocoso esta conformado por lutitas se han identificado el mayor porcentaje de problemas de perforación y que estos a su vez están asociados a la composición del fluido y su influencia sobre el material lutítico.

Utilizando como referencia la interacción que pueda ejercer el fluido de perforación y el comportamiento mecánico de las secciones lutíticas, recientemente se han realizado estudios que contemplan el efecto del debilitamiento que ejercen los fluidos sobre la resistencia de la lutita (Abass,1998; Da Fontura, 1999; Rengifo,1999; Bermúdez, 2001; Suárez et al, 2002). Sin embargo solo uno de ellos ha utilizado el método alternativo que consiste en la medición de índices de resistencia utilizando el ensayo tipo scratch o de rayado.

2.  SISTEMA TSI

El sistema TSI es un equipo utilizado para realizar ensayos del tipo scratch patentado por Terratek. Este sistema está constituido por las siguientes partes; una base con sujetadores (bisagras), un motor de pasos, dos mecanismos de movimiento (horizontal y vertical), un elemento de corte, y un sistema de adquisición de datos (ver Fig. 1).

Figura 1. Sistema TSI (Terratek Strenght Index). Fuente: presentación de Franquet, J.

2.1  Principio del ensayo tipo Scratch

Consiste en someter una muestra de roca al corte de una cuchilla a lo largo de su superficie con una velocidad constante. La fuerza de corte generada por la cuchilla tiene dos componentes (horizontal y vertical). La profundidad de corte “d” de la cuchilla puede ser ajustada y puede variar desde 0,1 mm hasta 0,4 mm.

Para realizar el ensayo se utilizan dos tipos de cuchillas una afilada “Sharp” que permite determinar la energía intrínseca específica (equivalente a la resistencia a la compresión no confinada) y una no afilada “Blunt” que permite determinar la energía específica (que relaciona la fricción) para determinar el ángulo de fricción interna de la roca. Durante el procedimiento de ensayo se pueden presentar dos tipos de corte: dúctil y frágil (Ver Figura. 2). Estos tipos de corte dependerán de cuan profundo se realiza el corte, por ejemplo: para cortes pocos profundos el modo de corte es dúctil y para corte de mayores profundidades el modo de corte es frágil.

Figura 2. Diferenciación entre los tipos de corte dúctil y frágil

2.2  Transición entre modo de falla dúctil y frágil

En la Figura. 3 se muestra la transición entre el comportamiento lineal (corte dúctil) y no lineal (corte frágil) con la profundidad de corte.

Figura 3. Transición entre los tipos de corte

Estos regímenes de falla no sólo corresponden a la variación de las profundidades de corte “d” sino también a la diferencia de respuesta de la fuerza. Usando el principio de mínima energía, la transición de un modo a otro puede ocurrir a una profundidad denominada profundidad crítica “d*”, que viene expresada en función de la dureza del material K_Ic y la resistencia a la compresión uniaxial σ_UCS. La resistencia a la compresión uniaxial es un parámetro geomecánico que se utiliza para caracterizar el comportamiento mecánico de las rocas y se obtiene al someter una muestra de roca a cargas compresivas hasta alcanzar su resistencia máxima.

Para d < d* la energía de disipación esta asociada a falla dúctil. Esta energía es proporcional al volumen del material que falla, por lo tanto la resistencia a la compresión máxima es la propiedad característica de este mecanismo de falla (ver Ec.2). Para d > d* la energía de disipación esta asociada a falla frágil. Para este mecanismo de falla la dureza del material es la propiedad que lo caracteriza. De este modo se espera que la fuerza sea proporcional a la raíz cuadrada de la profundidad de corte (ver Ec.3).

2.3  Distribución de las fuerzas

La descomposición de las fuerzas en el corte afilado es simple ya que el corte se realiza con una cuchilla de ángulo recto permitiendo una sola superficie de corte, lo cual genera dos componentes de fuerzas F^c_h y F^c_v. Con este tipo de cuchilla, la superficie se desplaza perendicularmente a la dirección del corte con un ángulo, q. La descomposición de las fuerzas durante el corte no afilado es más compleja debido a la intervención de una fuerza de fricción F^f producto de una superficie adicional de contacto. Esta fuerza de fricción se produce durante el corte ya que se utiliza una cuchilla con dos superficies de contacto. La Figura. 4 muestra un diagrama con los dos tipos de cuchilla y la descomposición de las fuerzas actuante en una muestra de roca.

Figura. 4. Distribución de las fuerzas (Detournay and Defourny, 1992)

Fuerzas de corte (cuchilla afilada y no afilada)

Para el caso de cuchilla afilada la fuerza de corte total viene expresada como la suma de las componentes (horizontal y vertical) como se muestra en las siguientes ecuaciones:

Para el caso de cuchilla no afilada se genera una fuerza adicional que es la fuerza de fricción por lo tanto las ecuaciones para determinar las fuerzas de corte total (horizontal y vertical) se muestran a continuación:

3.  DISEÑO Y ADAPTACIÓN DE UN RECIPIENTE Al EQUIPO TSI PARA REALIZAR ENSAYOS DE LUTITAS

Para cumplir con el objetivo principal de este trabajo se hizo necesario diseñar y adaptar un recipiente al banco de prueba del sistema TSI. Este recipiente tiene dos funciones principales: a) mantener una muestra de lutita sumergida en aceite mineral durante la realización de los ensayos del tipo scratch, a fin de evitar la menor perturbación de la muestra y b) soportar la muestra de lutita de tal forma que no ocurra ningún movimiento lateral cuando este siendo sometida a fuerzas de corte.

En las consideraciones del diseño se hizo necesario cumplir con tres restricciones: a) que las dimensiones del recipiente se ajustaran al espacio disponible b) que el recipiente fuese de fácil remoción y c) que el banco de prueba del equipo no sufriera alteración en su forma y estructura.

Utilizando el software AutoCAD se realizó el diseño preliminar del recipiente y luego este fue enviado al taller mecánico de la empresa para su fabricación. En la Figura 5 se muestra el diseño del recipiente fabricado junto con las piezas que lo conforman y el recipiente una vez fabricado y adaptado al sistema TSI.

Figura 5. Recipiente fabricado y recipiente adaptado al sistema TSI

4.  METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTOS

Es de suma importancia para la industria petrolera nacional desarrollar una metodología para realizar los ensayos del tipo de rayado o del tipo scratch en formaciones lutíticas que permitan disminuir los elevados costos asociados a la caracterización de núcleos en el laboratorio.

En esta sección se mostrará la metodología de realización de ensayos de rayado y el procedimiento a seguir para determinar, de manera adecuada, la energía intrínseca específica “e”, el coeficiente de fricción “m” y el coeficiente de inclinación “z” en formaciones lutíticas, parámetros esenciales para desarrollar modelos constitutivos realistas que permitan hacer diagnósticos apropiados sobre el desempeño de la roca bajo las condiciones de esfuerzo que se desarrollan alrededor del hoyo.

Para definir la metodología objeto de este estudio se establecieron una serie de pasos a fin de encontrar las condiciones óptimas de realización de ensayos del tipo scratch en muestras de lutitas. Para ello se realizaron varios ensayos preliminares tendientes a definir de manera rápida y como primera aproximación, los parámetros y métodos de preparación que afectan la realización de los ensayos tipo scratch. Dicha metodología se divide en tres (3) etapas principales, las cuales se esquematizan en la Figura 6.

Figura 6. Metodología de realización de ensayos tipo scratch

4.1.1     Planificación de la secuencia de ensayos.

Antes de comenzar a realizar un ensayo el operador debe verificar el estado de las muestras y cuchillas. Para ello se debe estimar el nivel de heterogeneidad de las muestra, caracterizado principalmente por contrastes en el color, la textura (tamaño de grano, nódulos, etc.), ya que pueden implicar diferencias en la medición de la resistencia. Se requieren que las muestras sean lo más homogeneas posibles. Adicionalmente, se recomienda examinar la extensión de superficies dañadas, e identificar si hay indicios de fracturas o separaciones de capa en las muestras ya que las fracturas o las juntas debiles pueden originar desconchamiento de la muestra. Por último se debe estimar el estado de desgaste de las cuchillas. Para ello se debe generar una base de datos que contenga información de: a) longitudes recorridas, y b) tipos de materiales ensayados

4.1.2     Preparación de las muestras de lutitas

Una de las ventajas de determinar los parámetros de resistencia a partir de ensayos del tipo scratch es la preparación de las muestras. La preparación de las muestras de lutitas para este ensayo es más sencilla en comparación a la que se requiere para los ensayos de compresión, debido a que no es necesario extraer tapones de muestras cilíndricas de núcleo, refrentar las caras de los tapones, colocar chaquetas termoencongibles y colocar fibras de vidrios (Ver Bermúdez, R. 2001).

4.1.3     Ejecución de los ensayos

Al igual que la preparación de la muestras, la ejecución de los ensayos del tipo scratch es sencilla en comparación al de los ensayos de compresión. Para ejecutar un ensayo de compresión se debe realizar a condiciones no drenadas, con fibras de vidrios que permitan acelerar el proceso de retrosaturación y consolidación de la presión de poro durante la carga axial. Este procedimiento se describe en Wu, B. (1997).

Adicionalmente se debe revisar el estado de asentamiento y la identificación de los niveles de profundidad de corte a ser aplicados durante el ensayo. En la Tabla 1 se resume las consecuencias que traen, tanto en el equipo como en la muestra de roca, estos factores.

Tabla 1. Características a considerar para la planificación de un ensayo

4.2  Procedimiento para la determinación de los parámetros mecánicos

En el modo de corte dúctil (asociado a flujo plástico porque el mecanismo de falla puede ser descrito como un flujo de material continuo) nos encontramos en la zona donde la fuerza de corte F^C es proporcional al área transversal. De esta forma se introducen tres parámetros; la energía intrínseca específica “e”, el coeficiente de inclinación “z” y el coeficiente de fricción “m” que fueron determinados en el modelo Detornay y Defourny (1992).

La energía intrínseca específica “e” viene expresada como un esfuerzo (MPa), aunque puede ser expresada en J/cm³ (lo cual es numéricamente equivalente a MPa).

El coeficiente de inclinación “z” caracteriza el ángulo de inclinación entre la fuerza de corte total y la dirección de corte. Típicamente este parámetro, para una cuchilla de diamante policristalino (PDC) con un ángulo de incidencia entre 15°-20°, varia entre 0,5 y 0,7 para rocas suaves y medianas y entre 0,7 y 0,9 para rocas de alta resistencia.

El coeficiente de fricción “m” es la relación entre la componente vertical y horizontal de la fuerza que actua en el punto de contacto de la muetsra con el plano de desgaste de la cuchilla.

Las predicciones introducidas por el modelo Detournay y Defourny (1992) resultaron de experimentos realizados en el Sandia National Laboratories (Glowka, 1987), en el Imperial College (Almenara y Detournay, 1992; Samiselo, 1992) y en la Universidad de Minnesotta (Laserre, 1994, Detournay et.al, 1995). Estos experimentos arrojaron como resultado que la energía intrínseca específica “e” puede ser considerada como una medida directa de la resistencia a la compresión uniaxial “σ_UCS”, el coeficiente de inclinación “z” es una característica del tipo de cuchilla y no de la roca, mientras que el parámetro de fricción “m” puede ser considerado como una medida del ángulo de fricción interna de una roca, determinado a partir de la envolvente de falla Morh-Coulomb.

4.2.1     Determinación de la energía intrínseca específica

El método utilizado para determinar la energía intrínseca específica fue el del coeficiente de proporcionalidad, el cual utiliza los valores de las fuerzas de corte tangenciales (horizontales), medidas directamente en una celda de carga conectada a la cuchilla afilada, para determinar el valor de la energía intrínseca específica.

Inicialmente se graficaron los valores de las fuerzas horizontales y verticales a diferentes profundidades de corte, luego a cada una de ellas se le aplicó regresión lineal. Con la pendiente de recta aplicada a la componente horizontal de la fuerza se determinó el valor de la energía intrínseca específica.

A continuación se muestra la ecuación que determinó la energía intrínseca específica a partir de la pendiente de la recta obtenida de las componentes horizontales de las fuerzas:

4.2.2     Determinación del coeficiente de inclinación

Utilizando el mismo método mencionado en la sección anterior, el coeficiente de inclinación se determinó graficando los valores resultantes de las fuerzas de corte vertical y horizontal. Luego con cada una de las pendientes resultantes de la regresión lineal, se determinó el valor del parámetro z, el cual caracteriza el ángulo de inclinación “a” entre la fuerza de corte total y la dirección de corte. A continuación se muestra la ecuación que determina el coeficiente de inclinación:

4.2.3     Determinación del ángulo de fricción interna

Para determinar experimentalmente el ángulo de fricción interna se requirió representar geométricamente el modelo de corte de la roca mediante un diagrama denominado diagrama E-S, donde E es la energía específica y S es la resistencia a la perforabilidad. En este diagrama se muestran tres elementos a) la línea de corte, b) el punto de corte, y c) la línea de fricción. La línea de corte se obtuvo de los ensayos con cuchilla afilada,  el punto de corte, que depende del tipo de cuchilla, se obtuvo también de los ensayos con cuchilla afilada y la línea de fricción que representa la transformación de la respuesta de la cuchilla en 2D (E-S), se obtuvo de los ensayos con cuchilla no afilada

En la Figura 7 se puede observar la representación del diagrama E-S, el cual fue utilizado para determinar cada uno de los elementos. La energía específica y la resistencia a la perforabilidad están definidas de acuerdo a las siguientes ecuaciones:

Figura 7. Diagrama E-S (Detournay y Defourny, 1992)

Combinando Ec. 5, 6 y 9 y sumando las fuerzas que actuan sobre la cara de la cuchilla y sobre el plano de desgaste (plano horizontal) se origina la siguiente relación lineal:

E= E₀ + mS             (12)

donde E₀ = es una constante dada por E₀ = (1 - mz)e

5. RESULTADOS

En esta sección se muestran los resultados de fuerza corte (vertical y horizontal), profundidad de corte, energía específica y resistencia a la perforabilidad de cada una de las muestras con los fluidos de trabajo (aceite mineral y base agua).

5.1  Resultados aceite mineral

En la Tabla 2 se presentan los resultados de las fuerzas de corte obtenidas a partir de los ensayos realizados en las muestras de lutitas utilizando cuchilla afilada, vale acotar que estos resultados son valores promedios.

Tabla 2. Profundidades de corte y fuerzas promedios obtenidas con la cuchilla afilada

Adicionalmente en la Figura 8, se ilustra el diagrama E-S para  un ensayo con cuchilla afilada, donde se presenta la pendiente de la línea de corte, la cual es proporcional al coeficiente de inclinación entre la fuerza total y la dirección de corte.

Figura 8. Diagrama E-S obtenido de los ensayos con cuchilla afilada

En la Tabla 3, se muestran los resultados de las fuerzas de corte obtenidas a partir de los ensayos realizados en las muestras de lutitas utilizando cuchilla no afilada.

Tabla 3. Profundidades de corte y fuerzas promedios obtenidas con la cuchilla no afilada

Adicionalmente en la Figura 9, se ilustra el diagrama E-S donde se presentan dos elementos: a) el punto de corte (cuchilla afilada) y b) la pendiente de la línea de fricción (cuchilla no afilada), la cual está directamente relacionada al ángulo de fricción del material de roca lutítico.

Figura 9. Diagrama E-S obtenido de los ensayos con cuchilla no afilada

5.2  Resultados fluído de perforación (base agua)

En la Tabla 4 se muestra el resultado de las fuerzas de corte con el equipo utilizando la cuchilla afilada, posteriormente en las Por último en la Figura 10 se observa el diagrama E-S obtenido a partir de los resultados de fuerzas de corte para la cuchilla afilada.

Tabla 4. Profundidades de corte y fuerzas promedios obtenidas con la cuchilla afilada

Figura 10. Diagrama E-S obtenido de los ensayos con cuchilla afilada

En la Tabla 5 se muestran los resultados de las fuerzas de corte obtenidas a partir de los ensayos realizados en las muestras de lutitas utilizando cuchilla no afilada.

Tabla 5. Profundidades de corte y fuerzas promedios obtenidas con la cuchilla no afilada

Adicionalmente en la Figura 11 se ilustra el diagrama E-S donde se presentan dos elementos: a) el punto de corte (cuchilla afilada) y b) la pendiente de la línea de de fricción (cuchilla no afilada), la cual está directamente relacionada al ángulo de fricción del material de roca lutítico.

Figura 11. Diagrama E-S obtenido de los ensayos con cuchilla no afilada

5.3  Análisis de resultados

En la Tabla 6 se ilustran los parámetros mecánicos obtenidos de los ensayos del tipo Scratch. Colocando las muestras A, B y C en contacto directo con aceite mineral durante los ensayos, se obtuvo una energía específica de 35,1 MPa aproximadamente y un ángulo de fricción interna aproximado de 21,48°.

Tabla 6. Resultados de los parámetros mecánicos

            Fuente: Laboratorio de difracción de rayos X

Colocando las muestras D y E en contacto directo con el fluido de perforación base agua durante 48 h y 24 hr de exposición, se obtuvieron valores de energía intrínseca específica muy cercanos a los valores obtenidos en las muestras B y C, mientras que el ángulo de fricción se mantuvo constante. Estos resultados se pueden traducir en que la interacción de este fluido de perforación con la lutita evaluada redujo las propiedades de rigidez y de resistencia de la roca, sin embargo considerando que la variación solo fue del 5%, no se puede atribuir este pequeño cambio solamente a la interacción de la lutita con el tipo de lodo, ya que la energía intrínseca se ve también afectada por la heterogeneidad de las muestras. Para determinar esta heterogeneidad es necesario realizar más ensayos para hacer una evaluación estadística. Adicionalmente, es posible atribuir estos pequeños cambios a la presencia de caolinita (39%) en las muestras D y E  ya que en la estructura de este tipo de mineral las cargas eléctricas se encuentran balanceadas, además existen muy pocas sustituciones y fuertes enlaces de hidrógeno entre las capas de la celda unitaria, lo que evita el hinchamiento de esta arcilla y por ende la disminución en gran medida de la resistencia (Theng 1979, Mouchet, 1989).

Del análisis de la cuchilla afilada se determinó el coeficiente de inclinación “z”, el cual fue obtenido considerando un ángulo de inclinación de 15°. El valor promedio para ambos casos (aceite y base agua) resulto ser 0,685, lo que coincide con el coeficiente z obtenido por Thomas, (1998). Con este resultado las lutitas de la formación Carapita se pueden clasificar como rocas de mediana resistencia.

Otro parámetro que se determinó experimentalmente fue la profundidad de corte crítica (d_*). Cuando este valor fue mayor a 0,30 mm las muestras de lutitas utilizadas en este estudio se fracturaron una vez finalizado el ensayo de rayado (Ver Figura 12). Esto se debe a que los planos de sedimentación de las muestras (producto del proceso de deposición) se encuentran perpendiculares al eje central del núcleo, ocasionando que estos planos, los cuales son planos de debilidad, cedan a la aplicación de fuerzas de corte en la muestra, originando la perdida de material (Ver Bermúdez, R. 2001). Adicionalmente a una profundidad de corte de 0,33 mm el material removido durante el proceso de corte o rayado con la cuchilla PDC no era continuo (Ver figura 13). Con esta profundidad se presentaron cambios en la lectura de las fuerzas de corte lo que puede ser traducido a la presencia de modo de falla frágil. Según Chaput, E. J. (1992). El modo de falla frágil se genera una vez alcanzada la profundidad crítica (d_*), sin embargo este valor no se pudo obtener matemáticamente ya que no se determinó la dureza (K_Ic) de las lutitas de Carapita.

Figura 12. Fractura generada durante el corte a una profundidad de 0,33 mm (Muestra A)

Figura 13. Diagrama Fuerza vs. Longitud donde muestra las variaciones de las fuerzas durante el corte a una profundidad de 0,33 mm (Muestra A)

5.4  Correlación de resultados

Los resultados de energía intrínseca específica “ e ” obtenido con cuchilla no afilada utilizando el ensayo de rayado se correlacionaron con los resultados resistencia a compresión “ σ_UCS ” obtenido de ensayos de compresión realizados en  condiciones drenadas (Bermúdez, 2001). Los ensayos de compresión se realizaron en muestras de lutitas provenientes de la formación Carapita, cuyas dimensiones cumplian el estándar de la ASTM de relación de longitud:diámetro de 2:1. Para esta correlación se tomaron las muestras que fueron ensayadas utilizando aceite mineral como fluido inhibitorio. En la Figura 14 se presenta el comportamiento esfuerzo axial vs. deformación axial, radial y volumétrico de las muestras caracterizadas usando marco de carga (Muestras 31-A1 y 31-A2).

Figura 14. Comportamiento esfuerzo-deformación (Bermúdez, 2001)

Tal como se muestra en la Tabla 7, la comparación entre ambos valores arroja como resultado una variación de 16% aproximadamente. Con estas correlaciones se aprecia la gran similitud existente entre la resistencia mecánica obtenida de ensayos de compresión y los ensayos de rayado.

Tabla 7. Comparación entre la resistencia a la compresión sin confinar y la energía intrínseca específica

En las muestras caracterizadas usando marco de carga (ensayos de compresión) el valor de la resistencia a la compresión (σ_UCS) generó un valor promedio de 39,5 MPa mientras que la energía intrínseca específica (e) se encuentra entre 33,0 y 36,8 MPa, lo cual representa una variación entre 16% y 7% aproximadamente.

En la Tabla 8 se muestran los resultados del ángulo de fricción interna obtenido de los ensayos de rayado con el equipo TSI y el valor del ángulo de fricción obtenido de la envolvente de falla Morh-Coulomb proveniente del análisis los ensayos de compresión no drenados, realizados a muestras de lutitas provenientes de la formación Merecure, Oriente de Venezuela,  utilizando aceite mineral como fluido inhibitorio.

Tabla 8. Resultados del ángulo de fricción, ensayo de rayado y ensayo de compresión

El ángulo de fricción interna obtenido de las muestras de Merecure se asemejan mucho a los valores obtenidos del corte con cuchilla con chaflán. En todo caso, se requiere profundizar en estos ensayos y aumentar el número de ellos para validar el uso de los ensayos de rayado en la estimación del ángulo de fricción en rocas consolidadas de yacimiento.

6.  CONCLUSIONES

• El desarrollo de la metodología para la realización de ensayos del tipo scratch en muestras de lutitas, le da a la empresa la capacidad de desarrollar relaciones constitutivas realistas que permitan hacer diagnósticos apropiados para resolver o reducir los problemas durante la perforación.

• Con la adaptación del sistema TSI se ejecutaron los ensayos del tipo scratch en muestras de lutitas, constituyendo el primer grupo de muestras caracterizadas en el laboratorio de la empresa.

• Por limitaciones de carácter externo, solo fue posible colocar dos (2) muestras de lutitas en contacto directo con el fluido seleccionado.

• El fluido utilizado durante los ensayos no parece tener una una influencia determinante en a fdeterminación de los parámetros mecánicos ya que las muestras de lutitas sometidas a la presencia del fluido base agua, arrojaron valores de energía intrínseca muy cercanos a los valores de energía intrínseca específica obtenidas en las muestras sometidas a la presencia de aceite mineral, mientras que el ángulo de fricción interna se mantuvo constante.

• De igual manera se observó que los parámetros mecánicos obtenidos de los ensayos de rayado arrojaron valores muy similares a los obtenidos de los ensayos mecánicos, lo cuál pareciera confirmar la factibilidad de utilizar los ensayos de rayado en muestras de lutitas, de manera rapida y sencilla para complementar la información arrojada de los ensayos clásicos.

• Se obtuvieron dos (2) parámetros mecánicos (energía intrínseca específica “e = σ_UCS” y ángulo de fricción interna “f”).

• El valor promedio de energía intrínseca específica estimada de los ensayos tipo scratch, utilizando aceite mineral, resulto ser muy parecido a los resultados obtenidos de los ensayos de compresión triaxial, Castillo (2000).

• No fue posible encontrar una correlación empírica entre los datos obtenidos mediante el sistema TSI y los datos obtenidos mediante ensayos de compresión triaxial.

• Para profundidades de corte cercanos a 0,3mm las lutitas de Carapita generan fracturas, traduciéndose en perdida de material (no reutilizable).

7.  RECOMENDACIONES

• Se recomienda seguir la metodología de ensayo planteada en este estudio para trabajos posteriores que incluyan muestras de lutitas preservadas, para garantizar la obtención de resultados confiables.

• Realizar ensayos en lutitas con composiciones muy similares a las estudiadas en este trabajo utilizando el fluido base agua (polimérico) a tiempos de exposición mayores a 48 hr para constatar que cumplió con sus funciones inhibitorias.

• Estudiar la absorción de los componentes poliméricos en las muestras de lutitas por difracción de rayos X (XRD) y espectropía infrarroja (IR), para determinar el intercambio catiónico de los componentes minerales de las muestras una vez sometidas al contacto de fluidos de perforación base agua.

• Se recomienda determinar la dureza del material antes de realizar los ensayos del tipo scratch para obtener el valor teórico de la profundidad crítica (transición entre corte dúctil y frágil) y compararlo con el valor experimental obtenido en este trabajo.

8.  REFERENCIAS

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9. NOMENCLATURA

σ = esfuerzo normal

σ_UCS esfuerzo a la compresión sin confinar

K_Ic= dureza del material

F^c=fuerza de corte

F_v^c=fuerza de corte vertical

F_h^c=fuerza de corte horizontal

F^f= fuerza de fricción

F_v^f= fuerza de fricción vertical

F_h^f= fuerza de fricción horizontal

F_A= fuerza normal en el punto A

F_B= fuerza normal en el punto B

F_hA= fuerza horizontal en el punto A

F_hB= fuerza horizontal en el punto B

F_fA= fuerza de fricción en el punto A

F_fB= fuerza de fricción en el punto B

F_vc= fuerza normal aplicada en el punto C

m = coeficiente de fricción

r = radio de la muestra

X = excentricidad

a = ángulo de inclinación del soporte

w = ancho de la cuchilla

d = es la profundidad de corte

d_* = profundidad crítica

K_Ic = dureza del material

e = energía intrínseca específica

z = coeficiente de inclinación de la fuerza actuando en la cara de la cuchilla

q = ángulo de incidencia

a = ángulo de inclinación de la fuerza de corte

E = energía específica

S_v = pendiente de la recta obtenido de las componentes verticales de la fuerza de corte

S_h = pendiente de la recta obtenido de las componentes horizontales de la fuerza de corte