Desarrollo de una metodología de ensayo mecánico para la determinación de los parámetros elásticos en muestras de lutita de núcleos de pozos petroleros.

Abstract

El siguiente trabajo se realizó diferentes ensayos para determinar las propiedades mecánicas en núcleos de lutita. Vale destacar que la lutita es una roca sedimentaria resultante de la compactación de los sedimentos ricos en arcilla y constituyen el tipo más frecuente de las rocas encontradas durante la perforación de petróleo y gas. Para las muestras sometidas a estudios, mediante análisis de difracción de rayos “X”, se aprecia que el contenido de arcilla es lo suficientemente alto y con alto grado de compactación, correspondiendo a arcillas gravosas compactadas con minerales como caolinita y siderita. Los ensayos mecánicos en muestras de muy baja permeabilidad como la lutita, además de ser tan complejas desde el punto de vista de estabilidad de hoyo (por su inestabilidad química y física), se presenta que la variación de presión de poros (PP) es mucho mayor a la variación de las presiones externas a la que está sometida la muestra, causando que el rompimiento de la muestra no sea inducido por la carga axial, sino por la variación de la presión efectiva, ya sea axial 𝝈´𝒂𝒙= 𝝈𝒂𝒙−𝑷𝑷 o radial𝝈´𝒓𝒂𝒅= 𝝈𝒓𝒂𝒅−𝑷𝑷 , trayendo como consecuencia medidas erróneas en la obtención de los módulos elásticos y largos tiempos de ensayo. Los ensayos mecánicos a los que se sometieron las muestras de lutita fueron de dos tipos: Ensayos dinámicos de propagación acústica donde se realiza estudios del comportamiento de las velocidades de ondas “P”, “S1” y “S2” cuando se propagan a través de las muestras a distintas presiones de confinamiento. De estos ensayos se obtiene que las velocidades muestran una poca variación con el aumento del confinamiento, además de las bajas variaciones de los módulos elásticos debido a la poca porosidad y alta compactación de la muestra. También se tiene que para muestras verticales y horizontales existe una diferencia en los módulos elásticos, donde las muestras horizontales arrojan valores de módulo de Young (44.81 GPa en promedio) mayores 1.7 veces a los valores de módulo de Young en muestras verticales (26.35 GPa en promedio). Estos resultados se atribuyen a la disposición de la laminación al momento del corte de los tapones, donde en muestras horizontales con laminación vertical, las llegadas de las ondas son mucho más rápidas que en las muestras verticales cuya laminación es horizontal. Las relaciones de Poisson para muestras horizontales estuvieron comprendidas entre 0.24 y 0.26 mientras que para muestras verticales la relación de Poisson estuvo entre los 0.28 y 0.30. Ensayos estáticos triaxiales con presión de poros para determinar las propiedades mecánicas estáticas de los núcleos de lutita. En estos se utilizaron los protocolos propuestos por la ASTM (American Society for Testing & Materials) para el acondicionamiento y ensayo de las muestras, donde se persigue controlar la presión de posos (PP) simultáneamente con las variaciones de las presiones externas (axial y confinante), y así determinar los módulos elásticos y los parámetros “B” y “A” de la Ley de Skempton:Δ𝒖=𝑩 Δ𝝈𝟑+𝑨 Δ𝝈𝟏−Δ𝝈𝟑 mediante las curvas de Esfuerzo Vs. Deformación. Cada ensayo triaxial consto de dos fases, una fase de saturación, donde la muestras fueron sometidas a confinamiento únicamente para medir la respuesta de la presión de poros con los cambios de las presiones de confinamiento empleando un sistema de drenaje lateral para acelerar las fases de la saturación, estabilizar la presión de poros y garantizar que no haya una respuesta violenta durante la aplicación de carga axial; y una fase de fracturamiento donde, mediante presión axial, se procede al fracturamiento de las muestras y la respectiva medición a través de las curvas de Esfuerzo Vs. Deformación de los módulos de Young y relación de Poisson. De este ensayo se estimó (en promedio) módulos de Young medio, tangente y secante de 7.88, 9.17 y 3.34 GPa respectivamente, mientras que para muestras verticales se tienen módulos de Young medio, tangente y secante de 4.12, 2.22 y 3.00 GPa respectivamente (casi 1.7 menor que las muestras horizontales). Estas diferencias, al igual que en los ensayos acústicos, son atribuidas a la disposición de la laminación en las muestras. En cuanto a la relación de Poisson, los valores medidos en estos ensayos no fueron muy representativos debido a que el enchaquetado utilizado absorbía parte de la deformación radial que se inducia en la muestra, arrojando calores en promedio de 0.1 aproximadamente tanto para muestras verticales como horizontales. Todos estos ensayos a los que fueron sometidos las muestras de lutita se realizaron en las instalaciones del Laboratorio de Geomecánica de la empresa PDVSA- INTEVEP, el cual cuenta con equipos de alta tecnología entre los cuales se encuentra el equipo AutoLab2000, cuyo diseño es el apropiado para medir propiedades acústicas, mecánicas y eléctricas en rocas de yacimientos petrolíferos.