Conceptos de estabilidad e inestabilidad aplicado al proceso de perforación de pozos petroleros

Estabilidad

La noción de estabilidad es aquella que hace referencia a la permanencia de las características de un elemento o de una situación a través del tiempo, de su condición de estable o constante. La estabilidad puede ser aplicada como característica a determinados fenómenos físicos así también como fenómenos sociales, históricos, políticos, económicos, culturales o individuales siempre que se mantenga la idea de constancia y permanencia de los elementos que componen a tal fenómeno.

Por lo general, la noción de estabilidad se relaciona con un sinfín de fenómenos de tipo físico o natural que se dan en el ambiente y que tienen por característica principal el mantenimiento de sus elementos en determinadas condiciones a través del tiempo. Esto quiere decir que la estabilidad es así la presencia de componentes que se mantienen como tales independientemente del cambio de otros factores externos. Un caso de estabilidad para las ciencias naturales podría ser la permanencia de las características de la materia, por ejemplo, la estabilidad del agua de un recipiente. Si ésta cambiara su volumen, su movimiento o sus componentes esenciales, la estabilidad ya no sería para ella una característica.

Sin embargo, el término estabilidad también puede ser utilizado para fenómenos de tipo social o humano en los cuales se da la misma situación de permanencia de determinados elementos. En este sentido, la estabilidad aplicada a fenómenos humanos no tan fácilmente cuantificables es de todos modos visible y mensurable de acuerdo a parámetros socialmente impuestos. Por ejemplo, la estabilidad de una institución tal como la familia depende del mantenimiento de ciertos lazos y relaciones de modo ordenado y reproductivo de acuerdo a lo que cada sociedad entienda por tales términos. Al mismo tiempo, la estabilidad política de un gobierno puede significar la permanencia en el tiempo de los funcionarios asignados a tal rol. Finalmente, la estabilidad emocional o económica de una persona puede significar la permanencia de determinadas condiciones de orden y constancia en su vida cotidiana.

El concepto de estabilidad designa la cualidad de una situación en la que está siendo mantenida alguna regularidad, independientemente de si sea dinámicamente (como habitualmente sucede en los organismos vivos) o estáticamente (propio de lo inorgánico, como la geología). Es cierto, sin embargo, que hay excepciones en ambos campos: por ejemplo, en hidrología, suele hablarse de equilibrio dinámico en las cuencas de los ríos.

La noción de estabilidad se refiere también a la propiedad de un cuerpo de recuperar su equilibrio inicial.

Inestabilidad y equilibrio

Un cuerpo en equilibrio estático, si no se le perturba, no sufre aceleración de traslación o de rotación, porque la suma de todas las fuerzas u la suma de todos los momentos que actúan sobre él son cero. Sin embargo, si el cuerpo se desplaza ligeramente, son posibles tres resultados: (1) el objeto regresa a su posición original, en cuyo caso se dice que está en equilibrio estable; (2) el objeto se aparta más de su posición, en cuyo caso se dice que está en equilibrio inestable; o bien (3) el objeto permanece en su nueva posición, en cuyo caso se dice que está en equilibrio neutro o indiferente.

Daremos los ejemplos siguientes: Una pelota colgada libremente de un hilo está en equilibrio estable porque si se desplaza hacia un lado, rápidamente regresará a su posición inicial. Por otro lado, un lápiz parado sobre su punta está en equilibrio inestable; si su centro de gravedad está directamente arriba de su punta la fuerza y el momento netos sobre él serán cero, pero si se desplaza aunque sea un poco, digamos por alguna corriente de aire o una vibración, habrá un momento sobre él y continuaré cayendo en dirección del desplazamiento original. Por último, un ejemplo de cuerpo en equilibrio indiferente es una esfera que descansa sobre una mesa horizontal; si se desplaza ligeramente hacia un lado permanecerá en su posición nueva.

En la mayor parte de los casos como en el diseño de estructuras y en trabajos con el cuerpo humano, nos interesa mantener equilibrio estable o balance, como decimos a veces. En general un objeto cuyo centro de gravedad esté debajo de su punto de apoyo, como por ejemplo una pelota sujeta de un hilo, estará en equilibrio estable. Si el centro de gravedad está arriba de la base o soporte, tenemos un caso más complicado. Por ejemplo, el bloque que se para sobre su extremo, si se inclina ligeramente regresará a su estado original, pero si se inclina demasiado, caerá. El punto crítico se alcanza cuando el centro de gravedad ya no cae sobre la base de soporte. En general, un cuerpo cuyo centro de gravedad está arriba de su base de soporte estará en equilibrio estable si una línea vertical que pase por su centro de gravedad pasa dentro de su base de soporte. Esto se debe a que la fuerza hacia arriba sobre el objeto, la cual equilibra a la gravedad, sólo se puede ejercer dentro del área de contacto, y entonces, si la fuerza de gravedad actúa más allá de esa área, habrá un momento neto que volteará el objeto. Entonces la estabilidad puede ser relativa. Un ladrillo que yace sobre su cara más amplia es más estable que si yace sobre su extremo, porque se necesitará más esfuerzo para hacerlo voltear. En el caso extremo del lápiz, la base es prácticamente un punto y la menor perturbación lo hará caer. En general, mientras más grande sea la base y más abajo esté el centro de gravedad, será más estable el objeto.

En este sentido, los seres humanos son mucho menos estables que los mamíferos cuadrúpedos, los cuales no sólo tienen mayor base de soporte por sus cuatro patas, sino que tienen un centro de gravedad más bajo. La especie humana tuvo que desarrollar características especiales, como ciertos músculos muy poderosos, para poder manejar el problema de mantenerse parados y al mismo tiempo estable. A causa de su posición vertical, los seres humanos sufren de numerosos achaques, como el dolor de la parte baja de la espalda debido a las grandes fuerzas que intervienen. Cuando camina y efectúa otros tipos de movimientos, una persona desplaza continuamente su cuerpo, de modo que su centro de gravedad esté sobre los pies, aunque en el adulto normal ello no requiera de concentración de pensamiento. Un movimiento tan sencillo, como el inclinarse, necesita del movimiento de la cadera hacia atrás para que el centro de gravedad permanezca sobre los pies, y este cambio de posición se lleva a cabo sin reparar en él. Para verlo párese usted con sus piernas y espalda apoyadas en una pared y trate de tocar los dedos de sus pies. Las personas que cargan pesos grandes ajustan en forma automática su postura para que el centro de gravedad de la masa total caiga sobre sus pies.

Inestabilidad

Se aplica al cuerpo que es incapaz de mantener o recuperar su equilibrio. Se aplica al fenómeno que sufre continuas o frecuentes alteraciones de sus condiciones y características.

INESTABILIDAD TERMICA DE LAS ROCAS

Hay tres propiedades térmicas que son especialmente importantes para conocer el comportamiento de las rocas durante el metamorfismo: La Capacidad Calorífica, La Conductividad Térmica y La Difusividad Térmica

Capacidad Calorífica:

La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En una forma menos formal es la energía necesaria para aumentar 1 K la temperatura de una determinada cantidad de una sustancia, (usando el SI).1 Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica. Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino también de la cantidad de materia del cuerpo o sistema; por ello, es característica de un cuerpo o sistema particular. Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua de una piscina olímpica será mayor que la de un vaso de agua. En general, la capacidad calorífica depende además de la temperatura y de la presión.

La capacidad calorífica no debe ser confundida con la capacidad calorífica específica o calor específico, el cual es la propiedad intensiva que se refiere a la capacidad de un cuerpo «para almacenar calor»,2 y es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa del objeto. El calor específico es una propiedad característica de las sustancias y depende de las mismas variables que la capacidad calorífica

Conductividad Térmica

La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a substancias con las que está en contacto. En el Sistema Internacional de Unidades la conductividad térmica se mide en W/(K·m). También se lo expresa en J/(s·°C·m)

La conductividad térmica es una magnitud intensiva. Su magnitud inversa es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor. Para un material isótropo la conductividad térmica es un escalar k definido como:

Conductividad térmica (k): capacidad de un material para transferir calor. La conducción térmica es el fenómeno por el cual el calor se transporta de regiones de alta temperatura a regiones de baja temperatura dentro de un mismo material o entre diferentes cuerpos. Las unidades de conductividad térmica en el Sistema Internacional son W/(m·K), aunque también se expresa como kcal/(h·m·ºC), siendo la equivalencia: 1 W/(m·K) = 0,86 kcal/(h·m·ºC

Difusividad Térmica

Inestabilidad química de las rocas

La inestabilidad química de las rocas puede explicarse a través del proceso de Meteorización Química. La meteorización es la desintegración y descomposición de una roca en la superficie terrestre o próxima a ella como consecuencia de su exposición a los agentes atmosféricos, con la participación de agentes biológicos.

También puede definirse como la descomposición de la roca, en su lugar; sería un proceso estático por el cual la roca se rompe en pequeños fragmentos, se disuelve, se descompone, se forman nuevos minerales. Se posibilita así la remoción y el transporte de detritos en la etapa siguiente que vendría a ser la erosión. La meteorización entonces, al reducir la consistencia de las masas pétreas, abre el camino a la erosión. En este sentido existen tres tipos de meteorización: Meteorización Física, Meteorización Química y Meteorización Biologica. La subdivisión en meteorización física y química se realiza se realiza a los fines prácticos, ya que en la realidad los procesos son complejos y actúan juntos lo que torna muy difícil separarlos. Que uno u otro intervenga con mayor o menor intensidad depende del tipo de roca atacada, del clima y del relieve.

Descomposición: Consiste en el conjunto de reacciones químicas que dan lugar a la formación de nuevos minerales estables a las nuevas condiciones y a la puesta en solución de numerosos compuestos. Los productos de alteración más importantes son las arcillas

(caolinita, montmorillonita, illita, etc) y óxidos e hidróxidos de hierro y aluminio. La descomposición es producida principalmente por hidrólisis, oxidación y reducción y reacciones con ácidos carbónicos, sulfúricos, orgánicos, etc.

Meteorización Química

Produce una transformación química de la roca provocando la pérdida de cohesión y alteración de la roca (Inestablidad). Los procesos más importantes son los atmosféricos, el vapor de agua, el oxígeno y el dióxido de carbono que están implicados en:

• Oxidación Al reaccionar algunos minerales con el oxígeno atmosférico.

• Disolución Importante en minerales solubles como cloruros, nitratos, en rocas calcáreas y en el modelado karstico.

• Carbonatación Se produce al combinar el dióxido de carbono con ciertos minerales como el carbonato de calcio que se transforma en bicarbonato el primero es insoluble al agua pero el segundo no lo es, por lo que es arrastrado por ella.

• Hidratación Por la que el agua es incorporada a la estructura de algunos minerales aumentando de volumen como el sulfato de calcio hidratado. Este proceso es fácil de ver, por ejemplo, mezclando anhidrita con agua, lo que produce una reacción exotérmica (desprende calor) al transformarse en yeso (sulfato de calcio hidratado).

• Hidrólisis Es la rotura en la estructura de algunos minerales por la acción de los iones de H+ y OH- de agua, fundamentalmente en la meteorización del feldespato, que se transforma en arcillas y del granito que puede llegar a la caolinización (transformarse en arcillas, especialmente en caolín).

• La acción de los ácidos orgánicos procedentes de la descomposición de materiales biológicos en el suelo.

Estas propiedades, que en última instancia resultan de la composición química y mineralógica de los materiales rocosos, de su textura y de su estructura, permiten caracterizar la resistencia de los materiales a los agentes de deterioro. Esto último gobierna la vida útil del material, que a fin de cuentas es equivalente a la vida útil de las partes del pozo construidas con el mismo y, para determinados elementos constructivos, del pozo mismo.

Influencia que causa la inestabilidad de la roca en el proceso de perforación

La estabilidad en macizos rocosos está controlada por la estructura geológica, en particular las diaclasas ( grieta que se forma en una roca sin que existan desplazamientos de los bloques situados a ambos lados de la misma), foliación, fallamiento, la cual tiene un gran valor para el surgimiento de deslizamientos que provocan perdida de la resistencia de la roca y por ende gastos de costos adicionales interrupciones y demoras que conllevan a inversiones cuantiosas que se deben realizar cuando se realiza una operación de perforación de un pozo petrolero.

La estabilidad del pozo petrolero depende de:

• Las presiones

• Las saturaciones

• La Porosidad

• La permeabilidad

• La Viscosidad

ESTABILIDAD DE LAS LUTITAS. PRUEBA PRACTICA DE LA ESTABILIDAD DE LAS LUTITAS

GENERALIDADES DE LAS LUTITAS

Las lutitas son rocas sedimentarias de grano fino formadas por la consolidación de arcilla, limo o lodo,y se caracterizan por poseer una estructura laminar. Las lutitas están constituidas principalmente por minerales de arcilla, en una proporción que puede variar entre 15% y 100%, minerales accesorios, como cuarzo, carbonatos y feldespatos. De aquí que las lutitas cubran un amplio rango de

composiciones y presentan propiedades mecánicas, petrofísicas y fisicoquímicas muy diferentes, dependiendo de la composición mineralógica .

Las lutitas se caracterizan por poseer una baja permeabilidad y una alta sensibilidad al agua. Los pozo . La porosidad total de las lutitas disminuye con la compactación (profundidad), al igual que sucede con otras rocas pequeños diámetros de poro explica por qué las lutitas se consideran frecuentemente impermeables. La permeabilidad puede oscilar entre 10-6 y 10-12 D, pero se encuentra por lo general en el orden de los nanodarcies (10-9 D) . El tamaño promedio de poro de las lutitas también es muy pequeño: oscila

entre 1 y 10 nm. En consecuencia, los mecanismos de transporte, tanto hacia dentro como hacia fuerade la formación, son muy lentos. Adicionalmente, no puede formarse un revoque sobre las paredes del

El termino "lutita" es comúnmente usado in la industria de perforación para describir un amplio grupo de rocas desde formaciones altamente reactivas hasta materiales completamente litificados. Es importante reconocer que las lutitas responden diferente

cuando son expuestas a fluidos. Los mecanismos de inestabilidad en formaciones de lutitas varían ampliamente con los cambios en la mineralogía y la estructura de la roca. Identificar el tipo de formación de lutita y sus características es un paso fundamental en el

diseño y selección de fluidos de perforación para aplicaciones de estabilidad. Numerosas técnicas de laboratorio son empleadas para estudios de interacción roca/fluido, pero las pruebas que demandan menos tiempo y envuelven metodologías relativamente simples parecen ser las mas prácticas y usadas en la industria.

La selección de experimentos de laboratorio y sus condiciones depende de las propiedades básicas de la roca. Generalmente, las formaciones de lutitas blandas se dispersan, hinchan o se ablandan rápidamente cuando se exponen a fluidos base agua;

las lutitas duras han pasado a través de procesos de diagénesis (alteración de minerales arcillosos, cementaciones secundarias, etc.) y tienden a permanecer estables en los fluidos.

Las formaciones de lutitas blandas tienden a interactuar rápidamente con fluidos.En estos casos, pruebas como dispersión, dureza por humectación e hinchamiento son muy útiles y los resultados muestran diferencias claras entre los fluidos2. Por otro lado, las

lutitas duras interactúan diferente con los fluidos y los mecanismos de inestabilidad son más asociados con el desarrollo de fracturas y rupturas a lo largo de laminaciones. Este tipo de fallas parecen ser causadas por la penetración de fluidos a lo largo de los planos

de clivaje o fracturas pre-existentes. Las diversas respuestas de las lutitas duras frente a fluidos con diferentes composiciones químicas indican que los mecanismos de falla incluyen procesos tanto físicos y como químicos.

Los mecanismos de inestabilidad en lutitas duras están cercanamente relacionados con las características geológicas y las propiedades de la roca tales como la estructura, la distribución de grano, la textura y la presencia de fracturas. Es importante que las

muestras para la prueba de desarrollo de fracturas incluyan esas características.

Generalmente, los cortes de lutitas son rutinariamente disponibles y son usados para obtener importante información como composición mineralógica, capacidad de intercambio catiónico (C.I.C), imágenes de microscopia electrónica de barrido (SEM), etc.

Adicionalmente, este tipo de muestras son usadas para conducir diferentes pruebas con fluidos y en algunos casos, los cortes son pulverizados y reconstituidos en pastillas o tapones para pruebas3. Sin embargo, algunas características de la roca como distribución

geométrica de minerales, textura (laminaciones, lentes, etc.), fabrica, red de fracturas y laminaciones son parcialmente perdidas cuando la lutita es recuperada en forma de cortes o cuando la muestra es reconstituida.

Inestabilidad de Hoyo

Con este nombre se engloban todas aquellas situaciones que involucran una desestabilización de las paredes del hoyo. Los síntomas directos de inestabilidad de hoyo como agrandamiento o reducción de hoyo se observan en registros de "cáliper". Exceso de ripios o derrumbes en superficie u hoyo rellenodespués de un viaje dan indicaciones del agrandamiento del hoyo. También cuando se requieren cantidades en exceso de cemento con respecto al calculado indica que ocurrió un agrandamiento del hoyo.

Existen otros síntomas indirectos de problemas de inestabilidad de hoyo tales como altos torques, apoyos y arrastres, atascamiento de la tubería, revestidores o herramientas de registros. Estos síntomas pueden ser causados por colapsos de hoyo, especialmente en hoyos altamente inclinados u

horizontales. La ausencia o disminución de la circulación, así como, el aumento de densidad del fluido por incremento de sólidos de perforación puede indicar la presencia de un atascamiento de tubería debido al derrumbe del hoyo. El exceso de ripios o derrumbes puede deteriorar las propiedades del fluido por exceso de sólidos. También tenemos que las vibraciones de la sarta de perforación, así como

los impactos laterales a las paredes pueden provocar la falla del hoyo.

Como se menciono anteriormente, las lutitas son rocas de grano fino con alto contenido de arcilla, poros pequeños y baja permeabilidad que normalmente se encuentran saturadas con agua de formación. La combinación de estas características hace que las lutitas sean altamente susceptibles a fenómenos de inestabilidad . Los factores que afecten el estado de esfuerzos, la presión de poro y la resistencia mecánica de la lutita afectarán también la estabilidad del hoyo .

La inestabilidad de hoyo en zonas lutíticas se debe a factores mecánicos, fisicoquímicos (relacionados con las interacciones fluido de perforación con la lutita y externos. Estos factores pueden actuar conjuntamente en una situación determinada. Entre los principales factores geomecánicos decisivos en los problemas de estabilidad del hoyo, se encuentran: la orientación y la magnitud de los esfuerzos "in situ", las propiedades mecánicas y poroelásticas de la lutita, presión de poro, los planos de estratificación y las fracturas preexistentes en la Los factores fisicoquímicos incluyen mecanismos de transporte de fluidos, alteración química de la lutita, hinchamiento/hidratación y efectos térmicos

Los factores externos involucran todas aquellas prácticas de perforación que pueden producir inestabilidad del hoyo. Entre estas se encuentran la vibración de la sarta, las presiones de "swab" y"surge" debido a los viajes de la sarta. Como consecuencia, la creación de fisuras en el hoyo, y la

posterior penetración del fluido de perforación, generarán la inestabilidad de hoyo. La alteración química de la lutita al entrar en contacto con el fluido de perforación afectará la presión del fluido de poro y la resistencia de la lutita .

CURVAS DE ESTABILIDAD DEL HOYO

El mantenimiento de un hoyo estable es una de las tareas de perforación principales de la industria petrolera y gasífera, ya que los problemas inestabilidad asociados al pozo resultarán en altos costos de perforación y tendrán un impacto severo en el cronograma de perforación. El análisis de la Estabilidad de Hoyo debe considerarse en la etapa de planeamiento del pozo en cualquier compañía operadora. La inestabilidad de hoyo de los pozos sigue siendo una preocupación importante para las compañías porque además de ser potencialmente costosa, puede poner en peligro al personal asociado a las tareas de perforación.La resistencia a la fractura de las formaciones, es un factor dominante en la construcción de un pozo petrolífero. Las profundidades a las cuales deben colocarse los revestimientos están gobernadas por la presión de poro (PP) y la presión de fractura (PF), dando una ventana operacional para el peso de lodo (PL) admisible durante la perforación. Usualmente la presión de fractura esta relacionada a la fractura inicial del agujero. Durante la perforación eventos indeseados pueden ocurrir tales como pérdidas de circulación (PCL), pega de la tubería, etc. La PCL es uno de los factores más costosos en la industria debido a que la perforación debe detenerse hasta que sea solventado este problema. La PCL ocurre en la mayoría de los pozos perforados en mayor o menor grado. Este problema es generalmente atacado adhiriendo partículas grandes al fluido de perforación o en casos severos, cementando las zonas de pérdidas. No existe una cura simple para este problema.Para prevenir estos problemas indeseables es bastante recomendable realizar un análisis geomecánico antes de perforar un pozo. LogProc puede ayudar en ese sentido, dado que soporta un modelaje geomecánico simple para entender los aspectos de estabilidad de hoyo y recomendar parámetros operacionales específicos para optimizar el rendimiento. LogProc es capaz de predecir ventanas operacionales de lodo seguras y trayectorias de pozo estables (véase las Figs. 1 y 2). LogProc puede ayudar a:

• Invertir menos tiempo en asuntos de estabilidad de hoyo .

• Maximizar las ganancias del proyecto y minimizar el riesgo de la perforación.

• Optimizar los pesos de lodo y el diseño de los revestimientos.

Fig. 1. Ventana operacional de lodo típica

Fig. 2. Dividiendo la ventana de lodo en dos zonas elástica y plástica respectivamente

La figura 3 muestra el algoritmo para realizar un análisis de estabilidad de hoyo simple basado en los registros actuales. También debería considerarse datos empíricos si están disponibles (por ejemplo: ensayos triaxiales y pruebas "leak-off"). Los criterios de falla disponibles son los de Mohr-Coulomb y de Drucker-Praguer.

Fig. 3. Algoritmo para realizar un análisis geomecánico simple

Autor:

Katherine Lazcano

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA

DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL BOLIVARIANA

UNEFA EXTENSIÓN ZARAZA

GUIA DE ESTUDIO

ASIGNATURA: MECANICA DE LOS SOLIDOS

V SEMESTRE