CALCULO DEL GRADIENTE DE FRACTURA

Como se explicó en la sección 2.3, el conocimiento del gradiente de fractura de la formación, especialmente en zonas débiles, es esencial al planificar o perforar un pozo.

Ya hemos explicado cómo la formación, en la profundidad previa de la zapata guía del revestimiento, se supone la zona más débil en una sección de hueco específica (debido a que es la profundidad más somera de esa sección) y cómo determinamos el gradiente de fractura a esa profundidad a través de las pruebas de Fuga o de Integridad de Presión.

Sin embargo, no podemos suponer automáticamente que necesariamente será la zona más débil. Las

formaciones sumamente porosas, fracturadas o sobrepresurizadas pueden tener un gradiente de fractura menor aunque se encuentren a una mayor profundidad.

Por lo tanto, es importante contar con cálculos precisos del gradiente de fractura, de la misma manera como es importante tener cálculos precisos de la presión de formación.

Un conocimiento preciso del gradiente de fractura permite:

• Planificación de un programa de perforación, profundidades de tubería de revestimiento y pesos máximos del lodo

• Cálculo de la presión anular máxima (MAASP, por sus siglas en inglés) cuando se controla una arremetida

• Cálculo de las tolerancias a las arremetidas durante la perforación

• Estimación de las presiones requeridas para la estimulación mediante el fracturamiento hidráulico

6.1 Aspectos teóricos generales

Para calcular el gradiente de fractura se requiere el conocimiento del componente mínimo del esfuerzo in-  situ (S3) que actúa en un cierto punto, debido a que la dirección del esfuerzo mínimo será obviamente la

 primera que fallará.

La fractura y falla están determinadas por el esfuerzo efectivo (σ), el cual es la diferencia entre el esfuerzo total (es decir, sobrecarga S) y la presión de poro de la formación (FP)

El esfuerzo que soporta la matriz se expresa como:

= S FP

Para el esfuerzo mínimo:

= S3 FP

El esfuerzo mínimo, S3,generalmente se supone que es un componente horizontal, de manera tal que:

S3 = K 3 + FP

donde σ = esfuerzo vertical efectivo debido a los sedimentos suprayacentes K 3= relación del esfuerzo horizontal efectivo al vertical

Existen varias técnicas y teorías diferentes en el campo del cálculo de los gradientes de fractura. La diferencia principal se basa en la determinación de la relación K 3 .

• K 3se puede evaluar en base a estudios regionales de las mediciones de fracturas

• K 3 se puede suponer como dependiente de la relación de Poisson (µ) para un material de

formación específico. Esto supone que la formación no ha sufrido deformación lateral y siempre se ha deformado elásticamente. Tal supuesto es obviamente injustificado, y estos métodos deben ser manejados con precaución.

Relación entre K 3y µ: K 3 =

1

DATALOG: ANALISIS DE LAS PRESIONES ANORMALES DE FORMACION, Versión 2.1, Febrero 2001 100

3

6.2

6.2 Métodos Métodos para para los los cálculoscálculos

6.2.1

6.2.1 Método Método de de EatonEaton

El método de Eaton

El método de Eaton (1969) se basa en la teoría estab(1969) se basa en la teoría establecida por Hubbert y Willis (1lecida por Hubbert y Willis (1957) y supone que la957) y supone que la deformación de las rocas es plástica. Partiendo del supuesto que la relación de Poisson y la sobrecarga deformación de las rocas es plástica. Partiendo del supuesto que la relación de Poisson y la sobrecarga varían con la profundidad, la relación de Poisson ha de derivarse de los datos regionales para el gradiente varían con la profundidad, la relación de Poisson ha de derivarse de los datos regionales para el gradiente de factura, la presión de formación y el gradiente de sobrecarga.

de factura, la presión de formación y el gradiente de sobrecarga.

FG

FG = = (( )) + + FPFP donde FG donde FG = = gradiente gradiente de de fracturafractura (1

(1 FP FP = = presión presión de de formaciónformación

σ

σ = sobrecarga- presión de formación= sobrecarga- presión de formación µµ = relación de Poisson= relación de Poisson

Despejando Despejando = = FGFG FPFP S + FG S + FG 2FP2FP

La sobrecarga se puede determinar utilizando cualquier fuente de donde se obtiene

La sobrecarga se puede determinar utilizando cualquier fuente de donde se obtiene bulk densitybulk density, como se, como se

describió en la sección 2.4. Los

describió en la sección 2.4. Los gradientes de fractura se pueden tomar de gradientes de fractura se pueden tomar de las pruebas de presión en pozoslas pruebas de presión en pozos referenciales, situaciones de pérdida de circulación, datos reales de fracturas

referenciales, situaciones de pérdida de circulación, datos reales de fracturas o cementación forzada, etco cementación forzada, etc  Naturalmente,

 Naturalmente, el el inconveniente inconveniente de de este este método método es es que, que, si si los los datos datos referenciales referenciales son son deficientes, deficientes, o o nono están disponibles, entonces la relación de Poisson no se puede determinar. Entonces se puede utilizar un están disponibles, entonces la relación de Poisson no se puede determinar. Entonces se puede utilizar un método alternativo para calcular dicha relación.

método alternativo para calcular dicha relación.

6.2.2

6.2.2 Relación de Poisson a partiRelación de Poisson a partir del “índice de arcillosidr del “índice de arcillosidad” ad” 

Anderson et al (1973

Anderson et al (1973) utiliza ) utiliza como base el métodcomo base el método de Eaton para llegar a lo de Eaton para llegar a la relación de Poissona relación de Poisson utilizando el Indice de Arcil

utilizando el Indice de Arcillosidad losidad (Ish) a partir de los registro(Ish) a partir de los registros de pozo:s de pozo:

Ish = Øs - Ød Ish = Øs - Ød

Øs

Øs donde Øs y Ød son las porosidades determinadas a partir de losdonde Øs y Ød son las porosidades determinadas a partir de los

registros sónicos y de

registros sónicos y de densidad, respectivamente.densidad, respectivamente.

La relación de Poisson y

La relación de Poisson y el “índice de arcillosidad” se relacionan en el “índice de arcillosidad” se relacionan en la siguiente ecuación:la siguiente ecuación:

= AIsh + B = AIsh + B

DATALOG: ANALISIS DE LAS PRESIONES

DATALOG: ANALISIS DE LAS PRESIONES ANORMALES DE FORMACION, Versión ANORMALES DE FORMACION, Versión 2.1, Febrero 2.1, Febrero 2001 2001 101101 −µ

−µ))

, la relación de Poisson se puede calcular a partir de los datos referenciales, preferiblemente , la relación de Poisson se puede calcular a partir de los datos referenciales, preferiblemente antes de perforar el pozo, con la ecuación siguiente: -

Las constantes A y B se pueden ubicar en un gráfico de la relación de Poisson en función del índice de Las constantes A y B se pueden ubicar en un gráfico de la relación de Poisson en función del índice de arcillosidad (Biot, 1957), como el gradiente y

arcillosidad (Biot, 1957), como el gradiente y la intersección con el ejela intersección con el eje yy, respectivamente., respectivamente.

0 0 10 10 20 20 30 30 4040 Ish % Ish % 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 A = gradiente de la línea = 0.05/0.4 = 0.125 A = gradiente de la línea = 0.05/0.4 = 0.125 B = intersección con el eje

B = intersección con el eje yy= 0.27= 0.27 =

= 0.125 I0.125 Ish + sh + 0.270.27 donde Ish = índice de donde Ish = índice de arcillosidadarcillosidad

Por lo tanto, para una arena limpia y libre de lutita, por ejemplo, el valor mínimo para la relación de Por lo tanto, para una arena limpia y libre de lutita, por ejemplo, el valor mínimo para la relación de Poisson es 0.27, pues Ish será igual a cero.

Poisson es 0.27, pues Ish será igual a cero. Como se muestra en

Como se muestra en la sección 4.5.5, el la sección 4.5.5, el índice de arcillosidad se puede determinar a partir de índice de arcillosidad se puede determinar a partir de los registroslos registros (perfiles) de rayos gamma: -

(perfiles) de rayos gamma: -

El valor gamma máximo y mínimo se

El valor gamma máximo y mínimo se debe determinar para cada formación o debe determinar para cada formación o período geológico.período geológico.

El índice de arcillosidad se puede luego derivar para intervalos dados de profundidad , ej. 10 ó 20m, a El índice de arcillosidad se puede luego derivar para intervalos dados de profundidad , ej. 10 ó 20m, a  partir de: -

 partir de: -

Ish =

Ish = GRlog - GRlog - GRmínGRmín GRmáx - GRmín GRmáx - GRmín

donde

donde GRlog GRlog = val= valor gamor gamma pma promedio romedio en el en el intervalo intervalo de pde profundidad rofundidad seleccionadoseleccionado GRmín = valor gamma mínimo para una

GRmín = valor gamma mínimo para una cierta formación o período geológicocierta formación o período geológico GRmáx = valor gamma máximo para

GRmáx = valor gamma máximo para una cierta formación o período geológicouna cierta formación o período geológico

Con este método, por supuesto, aún tenemos la limitación de requerir datos reales. Si no tenemos un Con este método, por supuesto, aún tenemos la limitación de requerir datos reales. Si no tenemos un registro de rayos gamma de un pozo referencial, entonces no podemos determinar el índice de arcillosidad registro de rayos gamma de un pozo referencial, entonces no podemos determinar el índice de arcillosidad  para derivar un valor de la relación de Pois

 para derivar un valor de la relación de Poisson .son .

6.2.3

6.2.3 Método Método de de DainesDaines

DATALOG: ANALISIS DE LAS PRESIONES

El método de Daines (1980) reconoce el hecho de que, sin datos derivados empíricamente, las técnicas El método de Daines (1980) reconoce el hecho de que, sin datos derivados empíricamente, las técnicas anteriores para los cálculos de fracturas son de utilidad limitada. El método de Daines utiliza las anteriores para los cálculos de fracturas son de utilidad limitada. El método de Daines utiliza las  propiedades físicas de las rocas, obtenidas en el laborat

 propiedades físicas de las rocas, obtenidas en el laboratorio, para determinar la relación de Poisson y llevaorio, para determinar la relación de Poisson y lleva la fórmula de Hubbert

la fórmula de Hubbert y Willis un paso más allá inty Willis un paso más allá introduciendo una corrección quroduciendo una corrección que se basa en el esfuerzoe se basa en el esfuerzo tectónico superimpuesto derivado de una prueba inicial de fuga.

tectónico superimpuesto derivado de una prueba inicial de fuga.

De esa manera, Daines ofrece una técnica para calcular los gradientes de fractura sin el requerimiento de De esa manera, Daines ofrece una técnica para calcular los gradientes de fractura sin el requerimiento de datos referenciales.

datos referenciales.

A continuación se indican los valores de la relación de Poisson, determinados experimentalmente con A continuación se indican los valores de la relación de Poisson, determinados experimentalmente con  pruebas de laboratorio: -

 pruebas de laboratorio: -

Arcilla 0.17

Arcilla 0.17

Arcilla

Arcilla (húmeda) (húmeda) 0.500.50

Conglomerado 0.20

Conglomerado 0.20

Dolomita 0.21

Dolomita 0.21

Grawaca

Grawaca - - gruesa gruesa 0.070.07 -

- fina fina 0.230.23 -

- media media 0.240.24 Caliza

Caliza - - fina, fina, micrítica micrítica 0.280.28 -

- media, media, calcarenita calcarenita 0.310.31 - - porosa porosa 0.200.20 - - fosilífera fosilífera 0.090.09 - - arcillosa arcillosa 0.170.17 - - estilolítica estilolítica 0.270.27 Arenisca

Arenisca - - gruesa gruesa 0.050.05 - - gruesa,cementada gruesa,cementada 0.100.10 - - media media 0.060.06 - - fina fina 0.030.03 -

- muy muy fina fina 0.040.04 -

- pobre pobre selección, selección, arcillosa arcillosa 0.240.24 -

- fosilífera fosilífera 0.010.01 Lutita

Lutita - - calcárea calcárea 0.140.14 - - dolomítica dolomítica 0.280.28 - - silícea silícea 0.120.12 - - limosa limosa 0.170.17 - - arenosa arenosa 0.120.12 - - querogenosa querogenosa 0.250.25 Limonita 0.08 Limonita 0.08 Pizarra 0.13 Pizarra 0.13 Toba 0.34 Toba 0.34

La relación de Poisson basada en la litología se puede incorporar en la fórmula, de manera tal que: La relación de Poisson basada en la litología se puede incorporar en la fórmula, de manera tal que:

DATALOG: ANALISIS DE LAS PRESIONES

Pfrac = + ( ) + FP (1

donde σt= esfuerzo tectónico superimpuesto

El esfuerzo tectónico superimpuesto, σt, , se calcula a partir de la primera prueba de fuga, y se supone que

 permanece constante en todo el pozo. El gradiente de fractura en este punto será el gradiente de fractura derivado de la prueba de fuga (sección 2.3.1). Aquí existe la posibilidad de error, dependiendo de si el valor de la relación de Poisson seleccionado es representativo o no de la litología a la profundidad de la  prueba.

Para fines de derivar el esfuerzo tectónico superimpuesto, si la litología a la profundidad de la prueba de fuga no se conoce con exactitud, entonces se debe tomar un valor por defecto de 0.25, para la relación de Poisson.

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