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PROCEDIMIENTO ENSAYO HIDROFRACTURA
ÍNDICE 1.
OBJETO .......................................................................................................................................... 3
2.
DESCRIPCIÓN TÉCNICA DE FRACTURACIÓN HIDRÁULICA ................................................... 3
3.
EQUIPOS EMPLEADOS ................................................................................................................. 5
4.
DESCRIPCIÓN PROCEDIMIENTO ENSAYO ................................................................................ 7
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PROCEDIMIENTO ENSAYO HIDROFRACTURA
1. OBJETO El objeto del presente ensayo es verificar que la posición del bulkhead, donde se inicia el tramo de tubería en presión, es el adecuado de modo que en el resto de túnel no se produzca hidrofracturamiento hidráulico. El requisito teórico para obtener la ubicación del túnel libre de fracturación hidráulica es que la presión operacional del agua empleada debe ser menor que la tensión principal mínima del macizo rocoso. De este modo, para la ubicación actual del bulkhead se entiende que se ha empleado una formulación básica que depende de la sobrecarga existente según una relación que incluye la pendiente del terreno y la inclinación del túnel. Esta formulación básica es adecuada en la fase de anteproyecto y requiere de una verificación en campo de su bondad. Es por todo esto que se plantea la necesidad de realizar el ensayo de hidrofracturamiento, a partir del cual se obtiene la tensión principal mínima en la zona prevista para el bulkhead que se debe comparar con la presión de trabajo del túnel. Si la relación entre ambas magnitudes ofrece un factor de seguridad aceptable se ratificará la posición del bulkhead. No conocemos que existan normativas o recomendaciones que concreten este aspecto, de la bibliografía consultada se ha observado que en otras centrales se han tomado factores de seguridad entre 1.15 y 3 para la elección del cual se deberán tener en cuenta otros aspectos con respecto a la calidad del macizo rocoso.
2. DESCRIPCIÓN TÉCNICA DE FRACTURACIÓN HIDRÁULICA En la Mecánica de Rocas, el término Fracturación Hidráulica se emplea para la operación de inyectar un fluido en un tramo aislado de un sondeo, con objeto de inducir y que se propaguen las fracturas generadas, a través del macizo rocoso. Las presiones medidas durante el proceso de fracturación hidráulica pueden emplearse para determinar el estado tensional en el macizo rocoso. Esta técnica, bien conocida para estimular la producción de petróleo y gas desde finales de los años 40, comenzó a emplearse para la determinación del estado tensional por H.V. Schoenfeldt y F. Rummel en un emplazamiento subterráneo en el Norte de Minnesota, en 1968. Desde entonces, la fracturación hidráulica se ha empleado para la determinación de las tensiones in situ alrededor de todo el mundo en numerosos sondeos de muy diferentes profundidades. El análisis clásico de hidrofracturación se basa en la solución de las ecuaciones de Kirsch para la distribución de tensiones alrededor de un hueco circular en un material elástico, isótropo y homogéneo, sujeto a un campo extenso de tensiones de compresión.
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En el caso de un sondeo vertical se emplea la ecuación de Hubbert y Willis (1957) para determinar la presión crítica Pc en el momento de comenzar la fracturación
Pc
=3
⋅
Sh
- S H +
Pco
-
P p
Donde:
Sh y SH: Tensiones principales horizontales Pco : Resistencia hidráulica a tracción de la roca P p : Presión de poro del macizo rocoso.
Al asumir: • Que la tensión vertical es una tensión principal igual a la carga del recubrimiento. • Que la roca es homogénea, isótropa e inicialmente impermeable. • Que las fracturas generadas tienen orientación perpendicular a la tensión principal horizontal menor, Sh Se obtiene que:
S h = Psi Donde: Psi: Presión de cierre
La presión de cierre es la presión hasta la cual la fractura se mantiene abierta una vez que se deja de aplicar presión al fluido. Al emplear la aproximación lineal anterior, las tensiones principales pueden expresarse mediante las relaciones:
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De este modo, el análisis tensional requiere: conocer la densidad del macizo rocoso, ρ; determinar el valor de la presión característica de cierre, Psi; de la presión de reapertura de las fracturas, Pr, a la profundidad z a la que se encuentra; y cierta información sobre la presión de poro. La orientación de SH se corresponde con el azimut de las fracturas verticales inducidas.
3. EQUIPOS EMPLEADOS Los equipos empleados para realizar el ensayo son: -
Equipo de sondaje vertical diamantino.
-
Sonda vertical con obturadores que se desplaza por el interior del sondeo soportada por cable.
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Bomba de inyección de alta presión.
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Equipo registrador automático en tiempo real de presión y caudal con memoria digital.
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Sonda vertical con packer de impresión
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Figura 1: esquema típico de equipos ensayo hidrofractura
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Figura 2: esquema típicode equipo con packer de impresión
4. DESCRIPCIÓN PROCEDIMIENTO ENSAYO Previo al comienzo de este tipo de ensayos es fundamental reconocer la totalidad del testigo recuperado del sondeo a ensayar con objeto de seleccionar un tramo donde no se aprecien fracturas, sobre el cual se realizará en ensayo de fracturación hidráulica. La secuencia de trabajos se resume en los siguientes puntos: -
Una vez que la sonda de hidrofracturación queda posicionada en el tramo de ensayo preseleccionado a partir de una minuciosa inspección del testigo recuperado lo packers de aislamiento se hinchan a un presión suficiente que evite la fuga de agua inyectada.
-
Previo a la creación de las fracturas se efectúa un ensayo de permeabilidad tipo P-test, por presurización instantánea del tramo libre sin llegar a la hidrofractura y se observa el descenso de la presión en el sistema cerrado durante un período de 5 minutos, tras el cuál se abre el circuito. Esta fase del ensayo de hidrofractura
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proporciona un valor de la permeabilidad de la roca antes de ser fracturada. -
A continuación, se presuriza de nuevo el tramo, con un caudal estimado de 1 a 2 lpm hasta iniciar una fractura o iniciar la apertura de una fractura preexistente (Frac test en la figura 3), manteniendo una vez generada la fractura, durante un minuto el caudal de entrada. Inmediatamente después de cortar el flujo de inyección se debe registrar un rápido descenso de la presión que se atenúa tras producirse el cierre de la fractura, a la presión Psi. El comportamiento del tramo ensayado continúa registrándose durante unos dos minutos más.
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A continuación se realizan ciclos de reaperura, “refrac”, con caudales estimados de inyección de fluído de 2 a 5 lpm. Entre cada dos ciclos de inyección se elimina la presión en el tramo. El flujo se retoma por la fractura al intervalo ensayado contralando durante las fases la relajación (Refrac-test en la figura 3).
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Posteriormente, se efectúa un ensayo combinado de bombeo lento con escalones de caudal constante y mantenimiento de las presiones crecientes para cada caudal introducido.
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Finalmente, se deshinchan los obturadores y se desplaza el doble obturador hasta el siguiente tramo a ensayar.
Figura 3: registro tipo de resultados durante ensayo hidrofracturación
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-
Una vez efectuados todos los ensayos de fracturación hidráulica, se introduce el obturador de impresión dotado con un sistema de orientación con objeto de recuperar la información acerca de la posición de la fracturas inducidas o estimuladas. Las trazas generadas en las paredes del sondeo se graban como huellas de las fracturas en el packer, hinchando a una presión un 30% superior a la presión de reapertura. El obturador se orienta respecto al norte magnético.
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