CAP 4 Manual de Propiedades Mecanicas

INSTITUTO COLOMBIANO DEL PETROLEO

Versión: 01 ICP- XXX-X-XXX

PROCEDIMIENTOPARA ESTIMAR PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS ROCAS

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XXXXXXXX

DEPENDENCIA RESPONSABLE

REVISÓ

APROBÓ

NOMBRE DEL JEFE DE LA DEPENDENCIA RESPONSABLE

Nombre del cargo

ELABORÓ: José Humberto Cantillo ICP

NOMBRES DE LOS JEFES DE LAS DEPENDENCIAS QUE REVISARON

Nombre de los cargos

RESPONSABLE DEL PROCESO NORMATIVO

Normativa Corporativa

NOMBRE DE QUIEN APRUEBA Nombre del cargo




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TABLA DE CONTENIDO

1 OBJETO ...................................................................................................................................... 3

2 ALCANCE .................................................................................................................................... 3

3 GLOSARIO .................................................................................................................................. 3

4 DOCUMENTOS DEROGADOS .................................................................................................. 3

5 REFERENCIAS NORMATIVA .................................................................................................... 3

6 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS ROCAS ........................................................................ 3

6.1 METODOLOGÍA PARA ESTIMAR PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS ROCAS ........... 4 6.1.1 Registros eléctricos. ........................................................................................................ 5 6.1.2 Ecuaciones para calcular propiedades mecánicas de las rocas. ................................... 5 6.1.3 Calibración propiedades mecánicas de las rocas ........................................................... 7

7 DESARROLLO ............................................................................................................................ 9

8 REGISTROS ............................................................................................................................. 10

9 CONTINGENCIAS..................................................................................................................... 10

10 BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 11




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1 OBJETO

Este procedimiento permite la transferencia de la metodología para la estimación de propiedades mecánicas de las rocas, desarrollada por la unidad de investigación (UIN) a la Unidad de Disciplinas especializadas (UDE).

2 ALCANCE

Este documento aplica para la estimación y calibración de los perfiles de propiedades mecánicas de la roca, que hacen parte de los modelos geomecánicos que desarrolla el ICP previos a la perforación de un pozo o un tratamiento de estimulación. Comprende la selección de: registros eléctricos a utilizar, ecuaciones, datos de laboratorio necesarios para calibrar los perfiles y la forma de escalar los mismos.

3 GLOSARIO

- Modulo de Young (E): es una medida de la rigidez del material y está definido como la

relación de esfuerzo a deformación bajo un estado de carga uniaxial.

- Relación de Poisson (υ): este parámetro representa la capacidad del material para transferir su deformabilidad perpendicular a la carga, en otras palabras la medida de la expansión lateral contra la contracción longitudinal.

- Módulo volumétrico (K): éste resulta de aplicar una carga hidrostática (estado donde los

tres esfuerzos normales son iguales) a una muestra y medir su deformación volumétrica, representa la resistencia opuesta por el material a la compresión hidrostática aplicada.

- Módulo de corte (G): mide la resistencia de un cuerpo a cambiar de forma.

4 DOCUMENTOS DEROGADOS

No aplica

5 REFERENCIAS NORMATIVA

- Software de Análisis Geomecánico de Estabilidad (AGE).

6 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS ROCAS

Las propiedades mecánicas de las rocas que están constituidas por los módulos elásticos y propiedades de resistencia de las mismas, son relaciones entre los esfuerzos aplicados y las deformaciones resultantes.




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Estas propiedades, son usadas en los criterios de falla compresivos y de tensión para determinar el momento en que se producirá la falla bajo unas condiciones dadas. La resistencia del material depende de la interacción de factores extrínsecos e intrínsecos. Entre los factores extrínsecos se encuentran: el estado de esfuerzos, tasa de deformación, la temperatura, entre otros. Mientras que entre los factores intrínsecos están: la porosidad, tamaño de grano, la mineralogía, el tipo de cemento, entre otros.

6.1 METODOLOGÍA PARA ESTIMAR PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS ROCAS

La metodología utilizada para la estimación de estas propiedades fue diseñada con base en el artículo presentado por Ramona M Nielsen titulado “Acustic and biaxial measurements of rock mechanical properties for interpretations of logs design of well-completion operations”, en este artículo se plantean algunas ecuaciones básicas para calcular las propiedades mecánicas con base en las velocidades de la onda compresional y la onda de corte. El procedimiento a seguir para establecer esta relación es el siguiente: • Se determina la velocidad de la onda compresional a partir de los datos de tiempo de transito reportados en el registro sónico (DT). • Se determina la velocidad de la onda de corte con base en las velocidades de la onda compresional y el tipo de litología. Con este objetivo se han desarrollado un gran número de correlaciones empíricas. Entre ellas las propuestas por Han para arenas arcillosas. Ahora, si se dispone de un DSI (Dipolar Sonic Imager), la onda de corte está disponible con el registro motivo por el cual no se hace necesario utilizar correlaciones dependientes de litología para calcularlo. En todo caso, la experiencia en varias cuencas Colombianas ha evidenciado el gran ajuste que se tiene entre la lectura real de la onda de corte dada por el registro con la obtenida a partir de correlaciones. • Con base en las velocidades antes calculadas, se determina el valor de la relación de Poisson. De acuerdo con datos reportados en la literatura, la relación de Poisson dinámica suele ser entre 40 y 60 % mayor que la relación de Poisson estática. Dicha diferencia suele incrementarse con el incremento de porosidad, razón por la cual es necesario corregir el valor calculado por porosidad. Si no se dispone de un registro real de porosidad, se calcula un registro sintético de porosidad a partir de los tiempos de transito de la onda compresional. La porosidad así calculada debe ser corregida por compactación. Finalmente, se construye un registro sintético de densidad en caso de no tener el registro de densidad real, el cual es utilizado junto con los datos previamente calculados de relación de Poisson para calcular el modulo de corte (G), el modulo de Young (E), el modulo volumétrico (K), la resistencia compresiva uniaxial (UCS), la resistencia a la tensión de la roca (To) y finalmente la cohesión de la roca (Co). Una vez se tienen estimados los perfiles de módulos elásticos y propiedades de resistencia de la roca, se procede a calibrar estos perfiles que hasta el momento son llamados perfiles estáticos, con datos de pruebas realizadas en corazones de rocas de formación extraídos durante la perforación.




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6.1.1 Registros eléctricos. Los registros eléctricos necesarios para aplicar la metodología son los siguientes: Sónico (DT), Porosidad (NPHI), Gamma Ray (GR) y Densidad (RHOB). 6.1.2 Ecuaciones para calcular propiedades mecánicas de las rocas. A continuación se presentan las ecuaciones involucradas en la metodología y la forma practica de aplicarlas. Velocidad de la onda compresional (Km/s)

8.304Dt1VP

P ∗= …………………………………………………………………………………………….(1)

Donde: PV : Velocidad de la onda compresional (km/s)

PDt : Tiempo de transito de la onda compresional (μs/ft) 8.304 : Factor de conversión

Velocidad de la Onda de Corte (km/s)

8.304Dt1VS

S ∗=

……………………………………………………………………………………………..(2) Donde: SV : Velocidad de la onda de corte (km/s)

SDt : Tiempo de transito de la onda de corte (μs/ft) Relación de Poisson (Adimensional)

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−∗

−=υ

P

S

P

S

DtDt

12

DtDt

2…………………………………………………………………………………………….(3)

Donde: υ : Relación de Poisson SDt : Tiempo de transito de la onda de corte (μs/ft)

PDt : Tiempo de transito de la onda compresional (μs/ft) Módulo de Corte (PSI)




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102S

1034.1Dt

G ×∗ρ

= ………………………………………………………………………………………...(4)

Donde: G : Módulo de corte ó módulo de rigidez ρ : Densidad de formación (gr/cc)

SDt : Tiempo de transito de la onda de corte (μs/ft) 101034.1 × : Factor de conversión

Módulo de Young Dinámico (PSI)

)1(G2E υ+∗= ……………………………………………………………………………………………….(5) Donde: E : Modulo de Young (PSI) G : Módulo de corte ó módulo de rigidez υ : Relación de Poisson Módulo Volumétrico (PSI)

102S

2P

1034.1Dt34

Dt1K ×∗

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−∗ρ= ………………………………………………………………………..(6)

Donde: K : Modulo volumétrico ρ : Densidad de formación (gr/cc)

PDt : Tiempo de transito de la onda compresional (μs/ft)

SDt : Tiempo de transito de la onda de corte (μs/ft) 101034.1 × : Factor de conversión

Cohesión (PSI)

( )( )SHALESHALEo V10045.0V008.01000000

K1

E036.0C −∗+∗

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

∗⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

= …………………………………………….(7)

Donde: oC : Cohesión (PSI) E : Modulo de Young (PSI) SHALEV : Contenido de arcilla

Resistencia Compresiva Uniaxial (UCS)




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Para formaciones arcillosas

2.3PV72.0077.145UCS ∗∗= ………………………………………………………………………………….(8)

Areniscas limpias y medianamente sucias y limolitas

( )( )SHALE

24P

2 V78.012111V20E9.1077.145UCS +υ−∗⎥⎦

⎤⎢⎣⎡

υ−υ+

∗∗ρ∗−∗= ………………………………..(9)

Donde: UCS : Resistencia compresiva uniaxial (PSI) PV : Velocidad de la onda compresional (km/s)

ρ : Densidad de formación (gr/cc) υ : Relación de Poisson SHALEV : Contenido de arcilla 077.145 : Factor de conversión

Resistencia a la Tensión (PSI)

UCS1.0To = ………………………………………………………………………………………………..(10) Donde: oT : Resistencia a la tensión UCS : Resistencia compresiva uniaxial (PSI) 6.1.3 Calibración propiedades mecánicas de las rocas Como índices de calibración para los valores de propiedades mecánicas modelados a partir de correlaciones entre registros eléctricos, se utilizan los valores obtenidos de la evaluación geomecánica experimental de formaciones realizada para un estudio de estabilidad. En la tabla 1 se muestran los ensayos de laboratorio que son realizados para obtener los parámetros requeridos para calibrar estas propiedades.

Tabla 1. Ensayos de laboratorio que son realizados para obtener los parámetros requeridos para calibrar propiedades mecánicas.

Prueba Parámetros Determinados

Compresión Uniaxial Módulo de Young, Relación de Poisson, UCS Deformaciones: Axial, Circunferencial, Volumétrica Velocidades: Compresional y de Corte

Brazilian Test Resistencia a la Tensión

Compresión Triaxial Módulo de Young, Relación de Poisson, CCS Deformaciones: Axial, Circunferencial, Volumétrica

Envolvente de Falla Múltiple Cohesión, Ángulo de Fricción Compresibilidad Total Compresibilidad total




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Prueba Parámetros Determinados

Compresibilidad de Granos Compresibilidad del sólido Determinación indirecta del Módulo de Biot

La calibración inicial de las propiedades se hace de la siguiente forma: Si los perfiles de propiedades mecánicas corresponden al pozo del cual se extrajeron los

núcleos de rocas sobre los cuales se realizaron los ensayos:

1. Grafican los perfiles vs. profundidad 2. Graficas los datos de las pruebas vs. la profundidad correspondiente.

3. Buscar un factor entre 0 y 1 que escale el perfil dinámico (a partir de registros eléctricos)

con el dato estático (de pruebas de laboratorio).

4. Una vez estos perfiles ajusten con los datos de pruebas de laboratorio, se pueden utilizar en la generación de ventanas geomecánicas de lodo.

Si los perfiles de propiedades mecánicas no corresponden al pozo del cual se extrajeron los

núcleos de rocas sobre los cuales se realizaron los ensayos:

1. Graficar los registros eléctricos (Litológicos, por ejemplo Gamma Ray, SP entre otros) del pozo del cual se extrajeron los núcleos sobre los que se realizaron las pruebas.

2. Graficar los registros eléctricos (Litológicos, por ejemplo Gamma Ray, SP entre otros) del

pozo del cual se tienen los perfiles dinámicos de las propiedades.

3. En la grafica del paso 2, graficar la profundidad de las pruebas.

4. Buscar la correlación litológica de profundidad de las pruebas entre el pozo al cual pertenecen los núcleos y el pozo al cual pertenecen los registros.

5. Grafican los perfiles vs. profundidad del pozo al cual pertenecen los registros eléctricos.

6. Graficas los datos de las pruebas vs. la profundidad correspondiente, encontrada en el

paso 4 para el pozo al cual pertenecen los perfiles.

7. Buscar un factor entre 0 y 1 que escale el perfil dinámico (a partir de registros eléctricos) con el dato estático (de pruebas de laboratorio).

8. Una vez estos perfiles ajusten con los datos de pruebas de laboratorio, se pueden utilizar

en la generación de ventanas geomecánicas de lodo.




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7 DESARROLLO

Nº Título

1 CÁLCULO DE PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS ROCAS

DIAGRAMA DE FLUJO ACTIVIDAD RESPONSABLE OBSERVACIONES DOCUMENTOS

Recopilación bibliográfica de la información existente, reconocimiento de principales características geológicas del área a modelar e inventario de todo tipo e registros eléctricos existentes para el pozo a estudiar.

Persona encargada de realizar el estudio.

Registros eléctricos y reportes corridos y generados durante la perforación del pozo en estudio.

Existencia de los registros existentes. Se buscan coherencia entre los la lectura de estos y los reportes litológicos del pozo.

Persona encargada de realizar el estudio en compañía de un petrofísico.

Registros eléctricos (Densidad, Sónico, Litológico).

De no contar con los registros necesarios (Densidad, Sónico, Litológico), deben de ser modelados a partir del registros resistivos (porosidad, litológico).

Persona encargada de realizar el estudio en compañía de un petrofísico.

Se debe hacer una de comparación entres los registros modelados, con la litología del pozo y asegurarse que estén reflejando la litología.

Cálculo de los perfiles de propiedades mecánicas de las rocas, empleando las ecuaciones # a # ó el software para el análisis geomecánico de estabilidad.

Persona encargada de realizar el estudio

Utilizar los datos de pruebas de mecánica de roca para calibrar los perfiles de propiedades estimados en el paso anterior.

Persona encargada de realizar el estudio.

Para la utilización de estos datos, se debe tener plena certeza de la validez de los mismos. Estos deben ser validados por el laboratorio que los obtuvo.

Reportes de pruebas mecánicas del laboratorio que las realizó.

Después de calibrar los perfiles, estos están listos para ser utilizados en cualquier estudio geomecánico de estabilidad de pozo.

Persona encargada de realizar el estudio ú otra que necesite estos perfiles para estudios relacionados con la geomecánica.

Inicio

Registros eléctricos (Densidad, Sónico, Litológico)

Existe

Estimación de perfiles propiedades mecánicas

Registros resistivos (Porosidad, Litológico)

Modelaje de registros sintéticos (RHOB, DT)

Datos de laboratorio (Propiedades mecánicas)

Calibración de propiedades mecánicas

1

NO

SI




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8 REGISTROS

No aplica.

9 CONTINGENCIAS

Cuando no se cuente con el tiempo de transito de corte ( SDt ) se deben emplear correlaciones que involucren la velocidad de la onda compresional ( PV ) para obtener la velocidad de la onda de corte

SV , necesaria para la estimación de los perfiles dinámicos de propiedades dinámicas. Velocidad de la Onda de Corte (km/s) Se determina la velocidad de la onda de corte con base en las velocidades de la onda compresional y el tipo de litología. Con este objetivo se han desarrollado un gran número de correlaciones empíricas, entre ellas las propuestas por Han y Castagna et al.

Para arenas y areniscas saturadas en agua

8559.0V8042.0V PS −=

Para shales saturados en agua

1724.1V8621.0V PS −=

Para arenas arcillosas saturadas en agua. Vshale < 25%

657.0V754.0V PS −=

Para arenas arcillosas saturadas en agua. Vshale > 25%

099.1V842.0V PS −=

Para dolomitas saturadas en agua.

7776.0V5832.0V PS −=

Para calizas saturadas en agua.

0305.1V0168.1V5508.0V P2pS −+=

Donde: SV : Velocidad de la onda de corte (km/s)

PV : Velocidad de la onda compresional (km/s)




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Por otro lado en caso de no contar con algunos de los registros eléctricos involucrados en las ecuaciones del ítem 6, este debe ser modelado a partir de registros eléctricos de porosidad, resistividades y litologías. Estos cálculos y el modelaje de registros, pueden ser realizados por la persona que esté llevando a cabo la estimación de las propiedades mecánicas de las rocas, con ayuda de un petrofísico.

10 BIBLIOGRAFÍA

RAMONA, M Nielsen. “Acustic and biaxial measurements of rock mechanical properties for interpretations of logs for logs design of well-completion operations”. SPE. Las Vegas, Nevada 1979.

RELACION DE NOVEDADES

FECHA Nº VERSION DESCRIPCION

Noviembre 26 de 2007

01

Elaboración de un manual para la transferencia del conocimiento de UIN a UDE.

Para mayor información sobre este documento dirigirse a quien lo elaboró, en nombre de la dependencia responsable:

José Humberto Cantillo 6847000 Ext. 7125 UIN

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