Definición de esfuerzo - I

El análisis de los esfuerzos es materia de la estática pura, e independiente de las propiedades plásticas, elásticas, viscosas u otras supuestas para el material. La letra griega "sigma" (a) se utiliza para designar las componentes del esfuerzo normal (ox,oy//z), así como los esfuerzos principales (í/1/j2/73). Una componente del esfuerzo que actúa perpendicular (normal) a un plano se designa como el esfuerzo normal. Una componente del esfuerzo también actúa paralela a un plano y representa a lasfuerzasque tienden a separar el material en el plano. Este componente del esfuerzo se llama el esfuerzo de corte y se designa por la letra griega "tao" (r). 

Considere un plano de área dA orientado de manera aleatoria en una superficie (figura 12).

Este plano tiene un punto "O" en su interior. Existe, además, una línea OP a través de "O". Suponga que el material está siendo cortado a través de una pequeña área de óA en un plano a través de "O", el cual es normal a la dirección de OR La superficie de corte en el lado de P es el lado positivo y el lado opuesto es el lado negativo. El efecto de las fuerzas internas que existen en el cuerpo de la óAes igual a una fuerza óF ejercida por el material en el lado positivo de la superficie sobre el lado negativo, y de igual manera una fuerza opuesta ejercida en el lado negativo sobre la superficie positiva. Por lo tanto, esta cantidad de esfuerzo se expresa como una fuerza por unidad de área. El límite de la relación óF/óA a medida que ¿Atiende a cero es el vector esfuerzo en el punto O a través del plano que es normal en la dirección OP. Matemáticamente

Conceptos básicos

Los problemas asociados a la perforación de los pozos, como pérdidas de circulación, inestabilidad de las paredes, pobre rendimiento de barrenas y control direccional, no se habían relacionado con el estado de esfuerzos y así, a su vez, éste era poco comprendido. En 1948 se introdujo la técnica de fracturamiento. En ese tiempo, y hasta principios de 1985, la creencia popular era que al aplicar presión, la formación se "rompía" a lo largo del plano de estratificación. Esto implicaba que la sobrecarga tenía que ser levantada en su totalidad. En 1953, Hubbert apuntó que el estado normal de esfuerzos es uno de los esfuerzos principales; en áreas relajadas, caracterizadas por fallas normales, el esfuerzo mínimo debe ser horizontal.

De las observaciones anteriores se dedujo que el campo de esfuerzos era cercano a la columna hidrostática; esto significa que los esfuerzos principales deberían ser iguales y con un valor cercano a la sobrecarga. Esta suposición era común en los primeros intentos de comprender el comportamiento mecánico de la roca. Sin embargo, las rocas no son idealmente homogéneas, continuas, isotrópicas, lineales y elásticas. Se requieren diferencias sustanciales en los esfuerzos principales para que el fallamiento y el plegamiento de la corteza tenga lugar. Por lo tanto, la condición general de esfuerzos "in situ" es aquélla en la que existen tres diferentes esfuerzos principales perpendiculares. Es necesario comprender la condición del esfuerzo para proporcionar las bases de la mecánica de rocas.

Impacto geológico en la perforabilidad

La perforabilidad indica el grado de facilidad de una roca para perforarse. El hecho de incrementar la perforabilidad implica la falla de la roca con menos fuerza y una mayor velocidad de perforación. Muchos factores afectan la perforabilidad y, como resultado, comprendemos por qué la selección de las barrenas y los parámetros de operación se evalúan continuamente buscando la optimización. La tabla 6 muestra el impacto geológico en la perforabilidad.

Tipos de rocas - II

b) Características 

Brecha Fragmentos angulares cementados de otras rocas que crean una nueva roca compuesta cerca de las fallas. Conglomerados Se trata de una roca compuesta de fragmentos redondeados, menos angulares que las brechas, que se mantienen juntas por medio de un agente cementante como una lutita o una arcilla.  

Calizas 

Están compuestas, principalmente, por carbonato de calcio o por materia orgánica como conchas o esqueletos, también como precipitados del agua de mar. Están formadas por grandes cantidades de materiales clásticos interdigitados.  

Margas 

Son lutitas calcáreas con grandes cantidades de conchas porosas y mezcladas con arcilla.  

Dolomita 

Es una caliza en donde la mayor parte del calcio ha sido reemplazado por magnesio. Tiene una mayor porosidad que la caliza, aunque es más dura.  

Esquisto 

Es un tipo especial de caliza; es suave, porosa, de color blanco o gris. En zonas donde está bien compactada, se vuelve más densa y tiene la perforabilidad de una caliza.  

Pedernal 

Material silíceo, denso y duro que se encuentra en forma de guijarros o en distintas capas dentro de otras rocas.  

Lutita 

Estratos compactados de lodo y arcilla conforman una lutita. Las lutitas arenosas contienen arena, lutita calcárea y carbonato de calcio.  

Arenisca 

Cuando una masa de arena se cementa se vuelve una arenisca. La mayoría de las areniscas se encuentran comprimidas con fragmentos de cuarzo cementados con carbonato de calcio, sílice o arcilla. En la medida en que los granos se tornan más grandes, se aproxima al conglomerado.

Tipos de rocas - I

Las rocas encontradas en la naturaleza se clasifican en ígneas, sedimentarias y metamórficas dependiendo de su forma de aparición.  

Rocas sedimentarias 

Para el caso de la perforación, las rocas sedimentarias cubren el 75% de la corteza terrestre y vanan de centímetros a casi 12000 m de espesor. Por esta razón sólo se presentará una descripción general de su clasificación en función de su origen, tamaño y características principales.  

a) Clasificación por origen 

Incluye a las rocas sedimentarias formadas ya sea por el asentamiento de materiales en el agua, o por precipitación. También a partir del intemperismo en las rocas creado por el viento o la lluvia. Las rocas clásticas se describen a partir de su forma y tamaño. La forma se define como angular, subangularo redondeada. El tamaño se define en la tabla 4.

Origen químico

Las rocas sedimentarias de origen químico se forman en el lugar debido a reacciones inorgánicas de las sales disueltas o como resultado de los precipitados de la evaporación. 

Origen orgánico 

Los materiales orgánicos forman un pequeño porcentaje de las rocas sedimentarias. Esas partículas se forman de las plantas terrestres y marinas, y de los animales. Son ricas en carbón, y si existen condiciones muy especiales, este carbón puede transformarse en diamante y petróleo. La tabla 5 muestra una descripción general de la clasificación de las rocas sedimentarias por origen.

MECÁNICA DE ROCAS - Evaluación de formaciones

Como minerales, las características individuales de cada roca varían mucho, tanto en apariencia, como en composición. Aun la arcilla parece ser una masa sin forma regular pero, en realidad, es una masa regular. La arenisca está compuesta por una parte de silicio y puede contener kaolinita. Es importante estudiar las propiedades y características físicas de los minerales que conforman a las rocas encontradas durante el proceso de perforación, así como su influencia en la selección de barrenas y en la velocidad de penetración.  

Mineralogía 

La mineralogía es el estudio de la composición química, estructura cristalina, propiedad es físicas y ocurrencia de los minerales. Un mineral se define como un sólido cristalino homogéneo que se forma a partir de los procesos inorgánicos de la naturaleza. La tabla 3 muestra las propiedades físicas de algunos de los minerales encontrados durante la perforación.

Propiedades físicas
Clivaje
Son los bordes de separación en donde un material regularmente falla cuando se aplica una carga por compresión. Términos tales como perfecto, desigual, duro y fácil se aplican a la habilidad para fracturarse de un mineral. Los minerales tienen diferentes niveles de clivaje en una o hasta tres direcciones.
Fractura

Son aquellos minerales sin planos de clivaje que se rompen de manera irregular cuando se perforan. Los términos usados para la descripción incluyen concoidal, tenue, parejo y fibroso. 

Dureza 

Se define como la habilidad de un material para ser rayado por otro. La escala de Mohs es la medida estándar. Utiliza el valor de 1 para el material más suave y el de 10 para el más duro.

Preguntas y respuestas

1. ¿Qué es una barrena? 

La herramienta de corte localizada en el extremo inferior de la sarta de perforación, utilizada para cortar o triturar la formación durante el proceso de la perforación rotaría.

 2. ¿Qué información se necesita para seleccionar una barrena ? 

• Evaluación de desgaste de barrenas empleadas previamente. 

• Evaluación de rendimiento de pozos vecinos. 

• Registros geofísicos de pozos vecinos y del mismo pozo (si se tienen ). 

• Datos sísmícos del área. 

• Software especializado de cálculo y análisis para la selección. 

• Propiedades de los fluidos de perforación por emplearse con esta barrena. 

• Tablas e información geológica. 

• Catálogos de barrenas. 

• Boletines sobre las características de las barrenas. 

• Tablas comparativas de barrenas. 

• Clasificaciones de barrena (ejemplo del IADC). 

3.¿Cuál es la función de la barrena? 

Remover a la roca (ripios de ésta) mediante el ven- cimiento de su esfuerzo de corte, o bien, remo- verla mediante el vencimiento de su esfuerzo de compresión 

4.¿Cuáles son los tipos de barrenas? 

• Barrenas tricórneas 

• Barrenas de cortadores fijos 

• Barrenas especiales