Aplicación a selección de barrenas - IV

establecer la resistencia al cizallamiento de la formación con el diseño geométrico de los cortadores de la barrena para lograr las adecuadas velocidades de penetración. Los criterios que deberán seguirse para lograr una óptima selección son: 1.- Conocer la resistencia compresiva confinada de la roca. 2.- Definir la resistencia inicial al cizallamiento de la roca. 3.- Determinar el ángulo de fricción interno de la roca. 4.- Observar las características geométricas de los cortadores de la barrena. 5.- Evaluar el trabajo por cortador para determinarla cantidad de roca removida por revolución y determinar el trabajo de la barrena. 6.- En función de la dureza de la roca y de la agresividad de los cortadores, la fuerza resultante neta generará dos reacciones: eltorque reactivo y la fuerza reactiva de cizallamiento. Estas fuerzas deben evaluarse para conocer el posible comportamiento dinámico de la barrena en el fondo del pozo y determinar así la mejor barrena en función de la geometría, las propiedades mecánicas de la roca, así como la fuerza neta de desbalanceo. 

 Nomenclatura

Aplicación a selección de barrenas - III

A partir de dichos resultados se ha desarrollado una tabla que clasifica el tipo de litología y la resistencia a la compresión, que sirve como guía para determinar el tipo de barrena que se va a usar. Una extensión al trabajo de Masón fue desarrollada para barrenas PDC, el cual se utiliza actualmente se utiliza en el software comercial de los proveedores de barrenas.10. El método parte de la identificación de litologías, basado en el análisis del registro de rayos Gamma y en el registro sónico. Posteriormente se debe evaluar la resistencia compresiva uniaxial sin confinamiento de cada formación y seleccionar la barrena. 

El autor desarrolló unas guías de selección que se ajustan a tres diferentes escalas de registro (1", 3" y 5"). Con ayuda de los registros anteriores, y con base en el apoyo del tiempo de tránsito sónico del método de Masón, se desarrollaron las guías de selección para barrenas PDC. La selección de las barrenas PDC está agrupada por cortadores. Se considera al método como propietario ya que la disponibilidad de las guías de selección es limitada. Se recomienda utilizar el método de Masón.

Aplicación a selección de barrenas - II

3.- Grafique el tiempo tránsito sónico de un registro de correlación con la misma escala, figura 30. 

4.- Sobreponga 30 y 29 y realice la selección. Tome en cuenta intervalos de similar tiempo de tránsito y optimice de acuerdo con rendimientos, figura 31. Otro de los métodos para la selección de barrenas consiste en estimar la resistencia compresiva uniaxial sin confinamiento y establecer la relación existente con la velocidad de penetración.

En la figura 32 se muestra la correlación realizada por Roca para estimar la influencia de la compresibilidad a la velocidad de penetración. Analizando los resultados se determinó que el mejor ajuste es de tipo hipérbolico y la relación obtenida es:

Aplicación a selección de barrenas - I

De manera general, la metodología para la selección de barrenas, con base en la determinación de algunas de las propiedades mecánicas, establece una correlación entre la litología de la formación, la resistencia a la compresión de la roca y el tipo de barrena recomendado por el IADC. De los métodos más simples para la selección de barrenas se encuentra el de Masón. Este método correlaciona la dureza de la formación y el esfuerzo compresivo contra el tiempo de cizallamiento. Aquí se da una descripción de la metodología y sus posibles resultados: 

1.- Obtenga los datos del tiempo de tránsito sónico delfluido poral en función de la profundidad. Considere los cambios en salinidad, presión y temperatura. La figura 27 es un ejemplo ilustrativo para el agua dulce en función de la temperatura y sólo es útil para ilustrar el método.

2.- Combine los datos anteriores con los datos de la gráfica universal (figura 28) para desarrollar la guía de selección (figura 29). Ejemplo: de la figura 27 se tiene que a 8000 ft el tiempo de tránsito es de 197 mseg/ft (microsegundos/pie). De la figura 28 se tiene que para ese tiempo sónico del fluido existen 3 tiempos sónicos de 95, 104.4 y 113.1 mseg/ft. De esta manera se trazaron las 7 líneas de la figura 29.

Medición a partir de registros geofísicos

Si los valores de los tiempos de tránsito compresional y sónico en conjunción con la densidad están disponibles, las constantes elásticas dinámicas se pueden obtener para formaciones homogéneas e isotrópicas a partir de las siguientes relaciones básicas.

Medición de las propiedades mecánicas de las rocas

Existen dos enfoques en el campo de la mecánica de rocas para determinar las constantes elásticas. El primer método requiere colocar un espécimen de roca bajo una carga en una máquina de prueba para determinar las constantes elásticas a partir de la relación de deformaciones. Las constantes obtenidas por este método se llaman constantes elásticas estáticas.
El segundo método involucra la medición de las velocidades de las ondas acústicas y determina los valores a partir de la relación de la propagación de las ondas. Estas se llaman constantes elásticas dinámicas. Para un material idealmente elástico, las constantes estáticas y dinámicas son las mismas. Para las rocas no es el caso. Las constantes elásticas dinámicas son más altas que las estáticas La diferencia es mayor a bajas presiones de confinamiento. Por otro lado, a bajas presiones de confinamiento las rocas exhiben una relación no lineal de esfuerzo/deformación. A altas presiones de confinamiento el comportamiento se vuelve más lineal y hay una mejor concordancia entre ambas constantes.
Desde el punto de vista práctico, varias consideraciones importantes favorecen el uso de las mediciones dinámicas obtenidas de los registros. Primero, las mediciones son hechas in situ y deben ser más representativas del estado de esfuerzos de confinamiento. Por otro lado, las mediciones estáticas requieren el corte de un núcleo de formación que mantenga las propiedades originales. En segundo lugar, los registros proporcionan una medida continua y permiten establecer una tendencia.

Resistencia compresiva

Como se mencionó anteriormente al aumentar la presión de confinamiento, la resistencia y la ductilidad de la roca se incrementan. La estimación de la resistencia compresiva de la roca depende de las condiciones según las cuales se calcule. Para obtener la resistencia compresiva sin confinamiento (presión atmosférica), basta con obtener las lecturas del registro de densidad y de porosidad para establecer la relación. Smorodinov y colaboradores determinaron dos relaciones entre el esfuerzo compresivo para un grupo de rocas carbonatadas:

La densidad y la porosidad. Si se toman muestras de formación y se realizan pruebas triaxiales a la presión de confinamiento se obtiene la resistencia compresiva in situ o confinada. La relación de la resistencia compresiva como una función de la presión de confinamiento está dada por la envolvente de Mohr. A partir de la intercepción de la falla de la roca a una presión de confinamiento con la aproximación lineal de la envolvente puede ordenarse para calcular la resistencia compresiva confinada. Esto es: