Ingeniería de Petróleos · 2019
Impacto de la temperatura en el comportamiento mecánico de las rocas, usando modelos constitutivos. aplicación offshore
Actualmente el estudio mecánico de las rocas que se le realiza a la mayoría de los pozos offshore es similar al realizado en un pozo on-shore, esto puede incurrir en inexactitudes generadas por omitir el efecto de la temperatura, ya sea de calentamiento o de enfriamiento, teniendo en cuenta que el elevar la temperatura de formación en 1 °C puede generar esfuerzos de 0.4 MPa para rocas medio duras y de 1.0 MPa para rocas duras. El presente estudio tiene como finalidad la cuantificación del impacto de la temperatura sobre la mecánica de las rocas. Se presenta un procedimiento matemático que incluye la temperatura en el análisis geomecánico, el cual permite construir los perfiles de temperatura en cualquier operación offshore, utilizando un modelo de transferencia de calor para obtener las distribuciones de temperatura en la cara del pozo y de la formación por medio de diferencias finitas. La temperatura calculada se convierte en condición inicial del modelo poro-termo-elástico para realizar un análisis geomecánico que tenga en cuenta los efectos térmicos de enfriamiento y calentamiento. Se presenta la comparación entre los esfuerzos en la cara del pozo obtenidos de un modelo elástico y uno poro-termo-elástico. Este análisis es útil para identificar posibles problemas en las operaciones de perforación y completamiento, ya que se podrán predecir fracturas o colapsos no consideras en los modelos clásicos de estabilidad. Esta investigación se llevó acabo por medio de una revisión bibliografía en la que se analizaron diferentes modelos de transferencia de calor, poro-elásticos y poro-termo-elásticos, de los cuales se eligieron aquellos que dependían de parámetros operativos de fácil obtención. Se eligió el software licenciado Matlab como herramienta para la solución del modelo de transferencia de calor por su amplia utilización en la academia y sus herramientas de solución integradas.
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Contenido
- Introducciónp. 17
- 1. Generalidadesp. 19
- 1.1 Generalidades de la exploración y perforación costa afuera en Colombiap. 19
- 1.1.1 Ubicación de las cuencas Off-Shore de Colombiap. 20
- 1.1.2 Desarrollo y exploración en el Caribe colombianop. 22
- 1.1.3 Perforación costa afuerap. 23
- 1.2 Modelamiento termodinámico de la temperatura a lo largo del pozop. 24
- 1.2.1 Ramey (1962) modelo de temperatura para el fluido en el Wellborep. 25
- 1.2.2 Willhite (1967) función para describir el intercambio de calor globalp. 26
- 1.2.3 Shoeppel & Bennett (1971) y Keller, et al. (1973)p. 27
- 1.2.4 Hasan, et al. (1996) y Kabir, et al. (1996)p. 29
- 1.2.5 Calvert & Griffin (1998)p. 30
- 1.2.6 Cheng & Novotny (2003)p. 31
- 1.2.7 Dokhani, et al (2016)p. 32
- 1.2.8 Balance de calor para la predicción de temperaturasp. 33
- 1.3 Efecto de la temperatura en la aparición de fracturas inducidas durante la perforaciónp. 36
- 1.3.1 Efectos cuantificados de la temperatura en las propiedades mecánicas de la rocap. 37
- 2. Modelos geomecánicos para calcular los esfuerzos incluyendo la temperaturap. 40
- 2.1 Antecedentesp. 41
- 2.2 Poro-mecánicap. 42
- 2.3 Ecuaciones constitutivasp. 42
- 2.3.1 Poro-termoelasticidadp. 42
- 2.4 Medio isotrópicop. 43
- 2.5 Descomposición del problema geomecánicos de esfuerzosp. 43
- 2.5.1 Suposiciones del problemap. 45
- 2.5.1.1 Condiciones iniciales y límites del problemap. 45
- 2.5.2 Desarrollo de los modelos geomecánicosp. 46
- 2.5.2.1 Cálculo de esfuerzos para el Problema I, caso 1p. 46
- 2.5.2.2 Cálculos para el Problema I, caso 2p. 46
- 2.5.2.3 Cálculos para el Problema I, caso 3p. 47
- 2.5.3 Sistema solución del Problema Ip. 47
- 2.5.4 Modelo solución para el Problema IIp. 48
- 2.5.5 Modelo Solución para el Problema generalp. 48
- 3. Metodologíap. 49
- 3.1 Condiciones inicialesp. 50
- 3.2 Condiciones de la perforaciónp. 51
- 3.2.1 Esquema del pozop. 52
- 3.2.2 Datos iniciales de la perforación y el lodo de circulaciónp. 52
- 3.3 Desarrollo del modelo constitutivo (temperatura y geomecánica)p. 53
- 3.3.1 Sistema de perforación Offshorep. 55
- 3.3.2 Asunciones y consideraciones de cálculop. 57
- 3.4 Balances y ecuaciones utilizados en el modelo finalp. 57
- 3.5 Comparación del modelo matemáticop. 61
- 4. Resultados y discusiónp. 61
- 4.1 Perfiles de temperatura obtenidosp. 61
- 4.1.1 Perfil de temperatura en dominio de la profundidadp. 63
- 4.1.2 Perfil de temperatura obtenido en el dominio radialp. 66
- 4.2 Obtención de los esfuerzos geomecánicosp. 69
- 4.3 Herramientas informáticas utilizadasp. 80
- 4.3.1 Predicción de la temperatura para distintas profundidadesp. 81
- 4.3.2 Predicción de las temperaturas en función radialp. 83
- 4.3.3 Obtención de los esfuerzos geomecánicosp. 69
- 5. Conclusionesp. 87
- 6. Recomendacionesp. 88
- Referencias Bibliográficasp. 90
- Figura 1. Áreas disponibles en el Caribe Colombianop. 21
- Figura 2. Áreas disponibles en el Pacífico Colombianop. 22
- Figura 3. Distribución de la temperatura en un completamiento anular típicop. 26
- Figura 4. Esquema del lodo circulantep. 28
- intercambio de calorp. 34
- Figura 6. Descomposición del problema geomecánicop. 44
- Figura 7. Subdivisión del problema Ip. 44
- Figura 8. Metodología general para la realización del proyectop. 49
- Figura 9. Esquema general del caso de estudiop. 52
- Figura 10. Zonas del pozo perforadop. 56
- Figura 11. Simulación de la temperatura radialp. 60
- Figura 12. Comparación cualitativa del perfil de temperatura calculado vs datos del ICPp. 62
- Figura 13. Temperatura para el dominio de la profundidadp. 63
- Figura 14. Perfil de temperatura anular para un pozo M del mar de chinap. 65
- de circulaciónp. 32
- Figura 16. Variación de temperatura en función del radiop. 67
- Figura 17. Conducción de calor y temperaturas en coordenadas cilíndricas. [°F]p. 68
- Figura 18. Esfuerzo adicional en función radial con aumento de temperaturap. 71
- Figura 19. Esfuerzo adicional en función radial con disminución de temperaturap. 71
- y de manera directa, respecto al puramente elásticop. 73
- Figura 21. Distribución de los esfuerzos en la cara del pozop. 74
- por superposición, y de manera directa, respecto al puramente elásticop. 75
- por superposición, y de manera directa, respecto al puramente elásticop. 76
- Figura 24. Efecto de la temperatura en la resistencia de la rocap. 79
- Figura 25. Esfuerzo tangencial vs UCS para distintas rocasp. 80
- implícitos de solución sin criterios de estabilidadp. 81
- Figura 27. Guía de interfaz de usuario propuestap. 82
- Figura 28. Ingreso de parámetros de entrada para la estimación radial de la temperaturap. 84
- Figura 29. Interfaz de resultados 2D y 3D obtenidas por la herramientap. 85
- Tabla 1. Pozos perforados en el Off-Shore colombianop. 23
- Tabla 2. Efectos en el comportamiento de la roca a distintas temperaturasp. 38
- Tabla 3. Datos del pozo simuladop. 52
- Tabla 4. Condiciones iniciales para cada tiempo de circulaciónp. 68
- Tabla 5. Datos geomecánicos de la formaciónp. 70
- Tabla 6. Esfuerzos en la cara del pozo [MPa]p. 77
- Tabla 7. UCS para distintos Tipos de rocap. 77