INESTABILIDAD DEL HOYO

Cuando se perfora un pozo, cambia el estado inicial de los esfuerzos en la formación, ocasionando la redistribución de los mismos en la vecindad del pozo. Este estado de redistribución de los esfuerzos puede exceder la fuerza de la roca y ocasionar una falla. Adicionalmente cuando un hoyo está cargado activamente (la presión hidrostática en el hoyo es menor que la presión de la formación) o cargado pasivamente (la presión hidrostática en el hoyo es mayor que la presión de la formación) otros efectos de esfuerzo podrían causar fallas en la formación.

La mayoría de los problemas de inestabilidad de hoyo ocurren en formaciones lutíticas puesto que sus propiedades varían significativamente de una zona a otra. Existen diversos efectos que causan la inestabilidad del hoyo. Estos pueden ser de origen químico o mecánico.

Efectos Químicos: el intercambio iónico en arcillas como las illitas, mica, esmectita, clorita, y capas de arcillas mezcladas pueden causar muchos problemas de inestabilidad de hoyo. Los ingenieros pueden erróneamente simular mecanismos de fallas con modelos mecánicos, analíticos o empíricos, mientras que el principal mecanismo puede ser un efecto químico. El principal mecanismo de falla durante la construcción de un pozo relacionado con causas químicas es la hidratación de las arcillas.

La hidratación de las arcillas ocurre debido a la afinidad que tienen las arcillas con el agua tales como la esmectita y la illita, las cuales absorben agua y aumentan la presión de la formación causando derrumbes y ensanchamiento del hoyo. La mayor proporción de arcillas se encuentran en las lutitas y si estas se encuentran en un medio en el que pueden reaccionar (fluidos de perforación base agua) se hidrataran con el agua aumentando su volumen.

Efectos Mecánicos: generalmente un hoyo falla por exceso de fuerzas de tensión y esfuerzos de corte en la formación, es por ello que estos factores deben ser considerados en la evaluación de la estabilidad del hoyo durante el proceso de perforación.

Fallas por Tensión: son encontradas frecuentemente en la práctica. Ocurren cuando los esfuerzos de tensión vencen la cohesión de la formación. Generalmente se producen por la densidad excesiva del fluido de perforación y son las responsables de que ocurra fracturamiento hidráulico. Cuando ocurren fallas por tensión el esfuerzo ejercido sobre la formación es mayor que la tracción generada por la formación. Se clasifican de dos formas en términos del esfuerzo principal; fracturamiento hidráulico y exfoliación.

fracturamiento.jpgEl fracturamiento hidráulico (ver Figura a) puede ocurrir cuando la presión del fluido de perforación es excesivamente alta mientras que la exfoliación (ver Figura b) usualmente se presenta cuando la presión de poro aumenta más que la presión del fluido de perforación como resultado de deformaciones en la matriz. Sin embargo, existen rangos de seguridad al momento de diseñar los fluidos de perforación dentro de los cuales no ocurre falla por tensión.

Fallas por esfuerzos de Corte: se producen cuando los esfuerzos de compresión exceden la resistencia mecánica de la formación. Generalmente estas condiciones ocurren en el hoyo cuando la densidad del fluido de perforación es insuficiente. Las fallas por esfuerzo de corte ocurre en las paredes del hoyo y se clasifican en: fallas de corte simple, corte por hinchamiento, corte helicoidal y corte alongado. Cada una de estas categorías se basa en términos del esfuerzo principal.


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La rotura y falla por esfuerzo de corte y ensanchamiento (ver Figura a y b) ocurre cuando la presión del ejercida por el fluido de perforación no es suficientemente alta para soportar el hoyo. Por otra parte cuando la presión ejercida por el fluido de perforación es excesivamente alta pueden ocurrir fallas por esfuerzos de corte helicoidales o elongadas (ver Figura c y d). Similarmente a la falla por tensión existen bajos y altos límites de presión del fluido de perforación los cuales definen la ventana de seguridad de las presiones del fluido de perforación, dentro de estos límites la falla por esfuerzos de corte no ocurriría.

La densidad del fluido de perforación es una consideración importante para el tratamiento de los problemas de inestabilidad de hoyo y debe ser estimada dentro de los límites adecuados para prevenir fallas por tensión y por corte, así como también para evitar la reducción del diámetro del hoyo en formaciones viscoplásticas (sales).

Cuando la densidad del fluido de perforación se encuentra por encima del límite superior la presión ejercida en las paredes del hoyo causará fallas de tensión y pérdida del fluido de perforación, mientras que cuando la densidad se encuentra en el límite inferior está ejercerá la mínima presión en el fondo previniendo fallas de corte en zonas plásticas y la disminución del diámetro del hoyo.

En la Figura 7.11, se pueden apreciar los tipos de inestabilidad del hoyo producidas por cada uno de los efectos mencionados anteriormente, así como también la dirección de los esfuerzos horizontales máximos y mínimos de la formación.

tipos_de_inestabilidad_hoyo.jpgFactores que Afectan la Estabilidad del Hoyo

El objetivo de analizar la inestabilidad del hoyo es investigar su potencial de inestabilidad para calcular el estado de redistribución de los esfuerzos y comparar esto con un modelo de falla. Para entender los problemas de falla en el hoyo, se deben conocer los factores que afectan la estabilidad de la formación:

  • ♦ Orientación y magnitud de los esfuerzos en sitio: la sobrecarga ejerce un esfuerzo vertical sobre la formación generando un esfuerzo horizontal hacia afuera debido a las propiedades mecánicas de la roca.


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En un ambiente no sometido a esfuerzos tectónicos, el esfuerzo máximo está orientado en la dirección vertical (σz) debido a la sobrecarga y los esfuerzos principales intermedio y mínimo (σx y σy) están ubicados en el plano horizontal (ver Figura 7.12).


Propiedades Mecánicas de la Roca:la dirección de los esfuerzos cuando se encuentran capas planas de lutitas en un yacimiento es un factor importante a considerar al momento de analizar la estabilidad de un hoyo.

La presencia de capas planas en formaciones lutíticas genera un comportamiento diferente en las propiedades del material, es decir, provocan menor resistencia a los esfuerzos que aquellas que poseen las mismas propiedades, esto se debe a que los esfuerzos se orientan en las direcciones determinadas por los planos anisotrópicos.

Presión de Poro: la existencia de la presión de poro cambia los tensores de fuerza efectiva en la formación cuando se encuentran capas de lutitas impermeables y altas presiones de poro, lo que ocasiona un cambio en el volumen de la formación. Por otra parte, cuando la presión de poro es inducida se reduce la presión de confinamiento efectiva lo cual puede resultar en fallas en el hoyo.
Presión del Fluido de Perforación:
desde el punto de vista mecánico la función principal del fluido de perforación es proveer suficiente peso hidrostático para balancear la presión de la formación y soportar la carga impuesta en las paredes del hoyo generada entre otros factores por los esfuerzos en sitio.
Cuando la presión ejercida por la columna hidrostática excede la presión de la formación (sobrebalance), el fluido de perforación penetrará en la formación y reducirá gradualmente el peso efectivo de soporte en las paredes del hoyo. Si la presión es excesivamente alta puede ocurrir fracturamiento hidráulico causando pérdida de fluido, por lo que disminuirá el soporte en las paredes del hoyo. Esto no sólo incrementará los costos asociados con el fluido de perforación sino también generará inestabilidad en el hoyo.

Estos problemas pueden ser prevenidos si se determinan las densidades críticas del fluido de perforación, es decir, si se optimiza la densidad del fluido de perforación se puede prevenir el colapso de las paredes del hoyo sin riesgos de fracturar la formación.


-Inestabilidad del Lecho Marino:
En muchas zonas del mundo, la estabilidad del fondo marino puede ser un problema para el posicionamiento de plataformas. La interpretación geológica puede dar una indicación de las profundidades a las que es necesario asentar un caño conductor para perforar los sedimentos inestables. El “Shalow Gas” (gas a poca profundidad). También puede identificarse por puntos brillantes en un estudio sísmico. La selección de equipo de perforación se verá influida en algunas zonas por las condiciones del fondo marino.