Presentación de PowerPoint - insitutesting.cl · ADHERENCIA DE DISPOSITIVO La celda se pega al fondo de la perforación con resina epóxica (fraguado rápido). No se requiere, la

MEDICIONES DE ESFUERZO IN SITU MEDIANTE TÉCNICAS DE HIDROFRACTURAMIENTO

MEDICIONES DE ESFUERZO IN SITU MEDIANTE TÉCNICAS DE

HIDROFRACTURAMIENTO

PATRICIO LLEDÓ ARAYAJAIME DÍAZ ÁVILA

INSITU TESTING CHILE LTDA.Mayo del 2006


INTRODUCCIÓN

ESTADO TENSIONAL IN SITU¿POR QUÉ MEDIR EL ESTADO TENSIONAL?

EVALUACIÓN Y ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS Y PILARES.DISEÑO DE SOPORTE.SECUENCIAMIENTO Y DISEÑO MINERO, ORIENTACIÓN DE FRENTES DE SOCAVACIÓN, EXTRACCIÓN Y GALERÍAS.

PREACONDICIONAMIENTO DEL MACIZO ROCOSO.FRACTURAMIENTO Y SU PROPAGACIÓN.GENERACIÓN DE MODELOS DE ESFUERZOS REGIONALES Y/O LOCALES.

EVALUACIONES Y POST EVALUACIONES DE SINIESTROS GEOTÉCNICOS.


Esfuerzos en el Macizo Rocoso

Esfuerzos In Situ Esfuerzos Inducidos

Esfuerzos Gravitacionales

Esfuerzos Tectónicos

Esfuerzos Residuales

Esfuerzos Ter

restres

Esfuerzos Tectónicos Activos

Esfuerzos Tectónicos Remanentes

Gran Escala Escala Local

MineríaExcavacionesPerforacionesBombeo e InyecciónExtracción de EnergíaCargas AplicadasDilatación (swelling)

Terreno Plano

Efecto de la TopografíaDiagénesisMetasomatismoMetamorfismoEnfriamiento de MagmaCambios en Presión de Poro

Variaciones de temperatura (Estaciones)Atracción Lunar (Esfuerzos de Mareas)Fuerza de CoriolisEsfuerzos Diarios (Diurnal Stress)

Corte por TracciónEmpuje de Placas

Cambios del terreno (relieve).Cambios en Presión de Poro

Bordes de Convergencia y Divergencia de Placas

Flexión en la LitosferaCompensación IsostáticaVolcanismo y flujo de calor

Similares a los esfuerzos residuales pero involucran actividad tectónica, como plegamientos, fallamientos y fracturamiento.

Modificado de Amadei, B. & Stephansson, O. (1997): “ROCK STRESS AND ITS MEASUREMENT”.


z v ×= γσ

vh k σσ =

)MPa(z0.027 v ×=σ

z 100 3.0 k

z 1500 5.0 av +≥≥+

ESTIMACIONES PRELIMINARES

SUPUESTOS BÁSICOS:

Donde γ : Peso Unitario de Macizo Rocoso ( γ = ρ γ )k : Razón de Esfuerzos

EL ESTADO TENSIONAL PUEDE SER DESCRITO MEDIANTE DOS COMPONENTES,UNA VERTICAL (σV ) Y OTRA HORIZONTAL (σH).

AMBAS COMPONENTES DE ESFUERZO (σV Y σH) CORRESPONDEN A ESFUERZOS PRINCIPALES.

ESTIMACIONES PROPUESTAS

UNA DE LAS ESTIMACIONES AMPLIAMENTE UTILIZADAS EN INGENIERÍA GEOTÉCNICA CORRESPONDE A LA PRESENTADA POR HOEK & BROWN (1980).


0 10 20 30 40 50 60 70 80

Esfuerzo Vertical, σv (MPa)

3000

2750

2500

2250

2000

1750

1500

1250

1000

750

500

250

0

Prof

undi

dad,

Z (m

)

A

AustraliaCanadáEstados UnidosNoruegaSud ÁfricaSueciaOtros PaísesZambia Chile (Div. Andina)Chile (Div. El Salvador)Chile (Div. El Teniente)Chile (Div. Codelco Norte)

0.027 x Z

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

Razón de Esfuerzo Promedio, KAv

3000

2750

2500

2250

2000

1750

1500

1250

1000

750

500

250

0

Prof

undi

dad,

Z (m

)

Razón de Esfuerzo PromedioAustraliaCanadáSud ÁfricaZambia Chile (Div. Andina)Chile (Div. El Salvador)Chile (Div. El Teniente)Chile (Div. Codelco Norte)

0.3

+ 10

0 / Z

0.4

+ 80

0 / Z

0.5

+ 15

00 /

Z

VARIACIÓN DEL ESFUERZO VERTICAL IN SITU (σV) CON LA PROFUNDIDAD (Z), (Modificado de HOEK & BROWN, 1980)

VARIACIÓN DEL VALOR MEDIO DE LA RAZÓN DE ESFUERZOS HORIZONTAL Y VERTICAL IN SITU CON LA PROFUNDIDAD (Z), (Modificado de HOEK & BROWN, 1980)


TÉCNICA DE MEDICIÓN PARÁMETRO

DOORSTOPPER USBM CELDA CSIRO - HI FLAT JACK FRACTURAMIENTO

HIDRÁULICO

MÉTODO UTILIZADO

Sobreperforación (Overcoring)



Presurización Presurización

DISPOSITIVO

Celda (Bidimensional, Irrecuperable, con 3 ó 4 strain gauges)

Celda (Bidimensional, Recuperable, con 3 strain gauges orientadas a 60° cada una)

Celda (Tridimensional, Irrecuperable, con 9 ó 12 strain gauges)

Placa (Gato Plano) Obturadores, Bomba Electro hidráulica Servo asistida.

SITIO DE MEDICIÓN

Perforaciones desde Galerías.

∅ : 2” a 3” celda y sobreperforado

Perforaciones desde Galerías. ∅ : 1.5” celda ∅ : 6” sobreperforado

Perforaciones desde Galerías. ∅ : 1.5” celda ∅ : 6” sobreperforado

Paredes de Galerías. Corte o ranura de 1.5” (depende del espesor de la placa)

Sondajes de gran longitud Preexistentes.

∅ : BQ, NQ, HQ

CEMENTO PARA ADHERENCIA DE

DISPOSITIVO

La celda se pega al fondo de la perforación con resina epóxica (fraguado rápido).

No se requiere, la celda se fija por presión.

La celda es encapsulada en resina epóxica (fraguado Lento).

La placa y tornillos de fijación se instalan con lechada de cemento.

No requiere.

EVALUACIÓN DE ESFUERZOS (2D/3D)

2D Proporciona Esfuerzos en un plano perpendicular al eje de la perforación. Con 3 perforaciones perpendiculares entre sí para una medición 3D

2D Proporciona Esfuerzos en un plano perpendicular al eje de la perforación. Con 3 Perforaciones perpendiculares entre sí para una medición 3D.

3D Proporciona la Orientación y Magnitud de los Esfuerzos Principales σ1, σ2 y σ3.

2D Permite estimar el esfuerzo vertical en el plano perpendicular a la placa (gato plano).

2D Proporciona Esfuerzos Principales (secundarios) en un plano perpendicular al eje del sondaje. Bajo ciertos supuestos y condiciones permite una estimación 3D.

TENSOR DE ESFUERZO ⎟

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

−−−−−−

yy

xyxx

στσ

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

−−−−−−

yy

xyxx

στσ

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

3

2

1

000000

σσ

σ

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

−−−−−−−−xxσ

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

−−−−−−−

h

H

σσ

VOLÚMENES INVOLUCRADOS

10-3 – 10-2 m3 10-3 – 10-2 m3 10-3 – 10-2 m3 1 – 2 m3 0.5 – 50 m3

TÉCNICAS DE MEDICIÓN


TÉCNICA DE MEDICIÓN PARÁMETRO

DOORSTOPPER USBM CELDA CSIRO - HI FLAT JACK FRACTURAMIENTO

HIDRÁULICO

APLICABILIDAD Y VENTAJAS

Permite medir en rocas de mala calidad, muy fracturadas y con altas concentraciones de esfuerzos. Modificaciones recientes permiten utilizar esta técnica en sondajes profundos.

Se conoce como el instrumento más preciso y confiable para determinar los esfuerzos in situ mediante técnicas de sobreperforación.

Corresponde a una de las técnicas de medición más desarrolladas en teoría y práctica. Es posible determinar el campo de esfuerzos 3D realizando una sola perforación.

Metodología sencilla y rápida de implementar.

La medición se realiza en sondajes de exploración, preexistentes. Permite medir a profundidades sobre los 1000 m. Baja dispersión en los resultados. Permite obtener variaciones de los esfuerzos en profundidad.

FUENTES DE ERROR

No perpendicularidad entre el plano del fondo de la perforación y su eje.

Errores producto de la humedad, temperatura, conexiones eléctricas.

Errores producto de la humedad, temperatura, conexiones eléctricas. Fragmentos de roca inmersos en la resina o en contacto de una estampilla.

Mala alineación en tronillos de referencia. Problemas con aguas ácidas en la lechada.

Errores en la determinación de orientación de fracturas (impresión de fracturas).

LIMITACIONES

Requiere que el fondo de la perforación sea plano y perfectamente perpendicular al eje del sondaje. Asume que la roca se comporta como un material elástico.

Movimientos de la celda pueden causar falsas lecturas. Se requiere un testigo de al menos 300 mm de longitud. Asume que la roca se comporta como un material elástico, Se requiere los parámetros E y ν para estimar los esfuerzos

Dispersión de los resultados debido al pequeño volumen de roca involucrado. Asume que la roca se comporta como un material elástico, Se requiere los parámetros E y ν para estimar los esfuerzos

La medición se realiza prácticamente en la superficie de una excavación, es decir en la zona de máxima concentración de esfuerzos alrededor de la excavación (deformación plástica). Asume que la roca se comporta como un material elástico.

Se requiere un tramo de 0.7 a 1.0 m libre de fracturas preexistentes para hacer la medición. Asume que la roca se comporta como un material elástico.


( )⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

=

zyzxz

yzyxy

xzxyx

XYZ

στττστττσ

σ

( )⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛=

3

2

1

123

000000

σσ

σσ

y

Orientación, Azimut (°)

Inclinación (°)

x

z

δβ

x’

Esfuerzos Principales SecundariosP : Esfuerzo Principal Mayor SecundarioQ : Esfuerzo Principal Menor Secundario

PARÁMETROS REQUERIDOS EN GEOTECNIA

Razones de EsfuerzosKEO : Razón de Esfuerzo Este - OesteKNS : Razón de Esfuerzo Norte - Sur

Q

PX Este

Y Norte

Z

α


0 1020

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150160

170180190200

210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

330340

350

Azimuth (°)

-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

Inclinación (°)

Orientación Esfuerzos Principales

M ( 0 Test N°1

M ( 0 Test N°2

, * 2 Promedio

σ1 σ2 σ3 ENSAYO

020

40

60

80

100

120

140

160180

200

220

240

260

280

300

320

34010

30

50

70

90

110

130

150

170190

210

230

250

270

290

310

330

350Azimuth del eje de la labor (°)

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Índice de Anisotropía, P/Q


MEDICIONES DE ESFUERZO UTILIZANDO HIDROFRACTURAMIENTO

Tomado de Rummel, F.; Klee, G. & Weber, U. & Lledó, P. (2005): MEDICIONES DE ESFUERZOS MEDIANTE TÉCNICAS DE HIDROFRACTURAMIENTO, Informe Técnico I-DA-HDF-01-2005 emitido a División Andina de CODELCO CHILE por InSitu Testing Chile Ltda.

Winche con Trípode

Tubería de Inyección

Panel Control de Presión

Unidad deAdquisición de Datos

Cable Conductor

Transductor de Presión Interior Pozo Válvula de Empuje para Obturadores e

Intervalos de Presurización

Elementos Obturadores

Intervalo del Ensayo

Winche con Trípode

Tubería de Inyección

Panel Control de Presión

Unidad deAdquisición de Datos

Cable Conductor

Transductor de Presión Interior Pozo Válvula de Empuje para Obturadores e

Intervalos de Presurización

Elementos Obturadores

Intervalo del Ensayo

PROCEDIMIENTO:

MONTAJE TRÍPODE E INSTALACIÓN DEL EQUIPO Y SUMINISTROS.REVISIÓN DEL ESTADO DEL POZO.INTRODUCCIÓN DE SET DE OBTURADORES Y SONDA.INYECCIÓN DE FLUIDO EN LOS OBTURADORES, SELLADO DEL INTERVALO.SE REALIZA EL ENSAYO (PRUEBAS P, F RF Y SR) Y SE REGISTRAN LOS VALORES DE PRESIÓN CARACTERÍSTICOS.IMPRESIÓN DE FRACTURAS


TIEMPO

PRESIÓ

N

TIEMPO

PRESIÓ

N

12

35 Lt/min

TIEMPO

PRESIÓ

N

PcCierre Instantáneo de Inyección

Pr PSI

TIEMPO

PRESIÓ

N Cierre Instantáneo de Inyección

Pr PSI

ENSAYO:PRUEBA P (PRE - FRACTURAMIENTO):INCREMENTO DE LA PRESIÓN ENTRE 2 – 3MPA Y MONITOREO DE SU DESCENSO.

DETERMINACIÓN PERMEABILIDAD IN SITU.

PRUEBA F (FRACTURAMIENTO):INCREMENTO DE LA PRESIÓN HASTA INDUCIR LA FRACTURA.

REGISTRO DE PRESIÓN DE QUIEBRE PC

PRUEBA RF (RE - FRACTURAMIENTO):PERMEABILIDAD POST FRACTURAMIENTO.

PERMEABILIDAD DEL MACIZO ROCOSO.

PRUEBA SR (FRACTURAMIENTO EN ETAPAS):INCREMENTO DE LA PRESIÓN EN ETAPAS.


ANÁLISIS:

EXPERIMENTALMENTE SE HA DEMOSTRADO QUE LA FRACTURA GENERADA POR FRACTURAMIENTO HIDRÁULICO SIEMPRE ES VERTICAL Y PERPENDICULAR AL ESFUERZO HORIZONTAL MENOR, INDEPENDIENTE DE LA MAGNITUD DE σV .

SI σV CORRESPONDE LA ESFUERZO PRINCIPAL MENOR, LA FRACTURA VERTICAL GENERADA EN LA PARED DEL SONDAJE SE DIRECCIONARÁ HACIA UNA FRACTURA HORIZONTAL EN LA MEDIDA QUE SE ALEJE DEL CAMPO LOCAL DE TESNIONES GENERADO POR EL ENSAYO.

LA FRACTURA DE LA ROCA SE GENERARÁ CUANDO LA PRESIÓN DEL FLUIDO ES IGUAL A LA MÍNIMA COMPRESIÓN TANGENCIAL ALREEDOR DEL SONDAJE MÁS LA RESISTENCIA A LA TRACCIÓN DE LA ROCA (HUBBERT & WILLIS (1957)). ANALOGÍA SOLUCIÓN ELÁSTICA DE KIRSH (1898).

( )2θcos)σ2(σPσσσ 3131θ −−−+= oco13c PPσσP −+−= 3

3siP σ=

coHhc P3P +−= σσ

HhrP σσ −= 3

rcco PPP −=

hsiP σ=

SIN EMBARGO ES IMPORTANTE INDICAR QUE ESTA SOLUCIÓN SE BASA EN LOS SIGUIENTES SUPUESTOS:

LA ROCA ES UN MATERIAL ELÁSTICO LINEAL, CONTINUO, HOMOGÉNEO E ISOTRÓPICO.

LA FRACTURA SE INICIA RADIALMENTE A (R = R; θ = 0°) Y SE PROPAGA PERPENDICULAR A σh.

LA ROCA ES IMPERMEABLE ANTES DE LA INICIACIÓN DE LA FRACTURA.

13r 3P σσ −=

EN EL CASO DE UNA PERFORACIÓN VERTCAL, PERPENDICULAR A LOS ESFUERZOS PRINCIPALES EN CAMPO LEJANO, EL CONCEPTO DE HUBBERT & WILLIS (1957) PUEDE SE APLICADO:


0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

σv , σh y σH (MPa)

800

700

600

500

400

300

200

100

0

Prof

undi

dad,

z (m

)

Toqui*,2

Comunidad Chuquicamata*,2

Mansa Mina*,2

Chuquicamata*,2

σHσhσv

Sector de MediciónEsfuerzo (MPa)

Toqui*,2

Comunidad Chuquicamata*,2

Mansa Mina*,2

Chuquicamata*,2

σHσhσv

Sector de MediciónEsfuerzo (MPa)

(-0.05 ± 1.16) + 0.02836 · z(3.6 ± 4.1) + (0.0322 ± 0.008) · z

(8.0 ± 8.1) + (0.0616 ± 0.0157) · z

CASO DE ESTUDIO – DIVISIÓN CODELCO NORTECAMPAÑA REALIZADA POR LA EMPRESA MESY GMBH (RUMMEL (2003)), CONTABILIZANDOSE UN TOTAL DE 105 ENSAYOS EN 13 SONDAJES PARA LA DETERMINACIÓN DEL ESTADO TENSIONAL IN SITU EN EL ÁREA DE CHUQUICAMATA.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

Razones de Esfuerzo Horizontales Máxima y Mínima, KMáx y KMín

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

Prof

undi

dad,

z (m

)

Razones de Esfuerzo

KMáx (FH)

KMín (FH)

0.3

+ 10

0 / z

0.4

+ 80

0 / z

0.5

+ 15

00 /

z

(282

/ z)

+ 2

,172

(127

/ z)

+ 1

,135

Modificado de Rummel, F. (2003): HYDRAULIC / HYDRAULIC FRACTURING STRESS TESTING IN BOREHOLES AT CHUQUICAMATA, CHILE. FINAL REPORT, Pt. I Summary Report. MeSy Rep. No. 03.03-0.


0 100 200 300 400 500 600 700 800Profundidad, z (m)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Frec

uenc

ia

Mediciones HidrofracturamientoChuquicamataMansa MinaComunidad ChuquicamataToqui

σH

σh

X E

Y N

Z

σY

σX

Tomado de Lledó, P. & Díaz, J. (2005): ESTADO TENSIONAL IN SITU Y/O PREMINERÍA EN MINA CHUQUICAMATA - DIVISIÓN CODELCO NORTE; Informe Técnico IT-DCN-E01-01-05 emitido a División Codelco Norte de CODELCO CHILE por Derk Ingeniería y Geología Ltda.

( )⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛=

v

h

H

Hhv

000000

σσ

σσ

( )⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

=

zyzxz

yzyxy

xzxyx

XYZ

στττστττσ

σ

( ) ( ) ( ) ( )LL HhVT

XYZ σσ =


0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5Razones de Esfuerzos

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Frec

uenc

ia

Razones de EsfuerzoK MínK MáxK N-SK E-W

20 40 60 80 100 120 140 160

Dirección de σH , Azimutal (°)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Frec

uenc

ia

Tomado de Lledó, P. & Díaz, J. (2005): ESTADO TENSIONAL IN SITU Y/O PREMINERÍA EN MINA CHUQUICAMATA - DIVISIÓN CODELCO NORTE; Informe Técnico IT-DCN-E01-01-05 emitido a División Codelco Norte de CODELCO CHILE por Derk Ingeniería y Geología Ltda.


LA MEDICIÓN DE ESFUERZOS MEDIANTE FRACTURAMIENTO HIDRÁULICO ES UNA TÉCNICA VALIDADA POR NUMEROSAS EVALUACIONES REALIZADAS ALREDEDORDEL MUNDO Y ESTÁ COMENZANDO A SER CONSIDERADA EN NUESTRO PAÍS.

CONCLUSIONES

VENTAJAS

ESTA TÉCNICA PERMITE MEDIR ESFUERZOS A PROFUNDIDADES QUE NO SONALCANZADAS POR LOS MÉTODOS CONVENCIONALES (SOBRE 1.000 M).

ES POSIBLE UTILIZAR POZOS DE EXPLORACIÓN YA PERFORADOS.

NO SE REQUIERE ACCEDER AL PUNTO DE MEDICIÓN, POR LO QUE NO SE EXPONE AL PERSONAL A CONDICIONES RIESGOSAS.

PERMITE REGISTRAR EL CAMBIO EN LAS MAGNITUDES Y ORIENTACIÓN DE LOS ESFUERZOS EN PROFUNDIDAD.

ES POSIBLE HACER UNA ESTIMACIÓN DE LA PERMEABILIDAD IN SITU DEL MACIZO ROCOSO DURANTE LA EJECUCIÓN DEL ENSAYO.

LOS RESULTADOS DE ESTAS MEDICIONES PUEDEN SER UTILIZADOS PARA CALIBRAR MODELOS NUMÉRICOS DE ESFUERZOS.


DESVENTAJAS

LA METODOLOGÍA DE ESTIMACIÓN DE ESFUERZOS REALIZA UNA SERIE DE SUPUESTOS PARA EVALUAR LA MAGNITUD Y ORIENTACIÓN.

CONSIDERA LA ROCA ELÁSTICA, ISOTRÓPICA, CONTINUA Y HOMOGÉNEA.

SUPONE QUE ESTADO TENSIONAL NO ES HIDROSTÁTICO, POR LO QUE UNO DE LOS ESFUERZOS PRINCIPALES ACTÚA PARALELO A LA DIRECCIÓN VERTICAL Y A LO LARGO DEL SONDAJE.

SI BIEN LA MEDICIÓN DE ESFUERZOS NO ENTREGA EL TENSOR DE ESFUERZOS EN TRES DIMENSIONES, SI EL SONDAJE ES VERTICAL O SUB VERTICAL SEPODRÍA CALCULAR EL TENSOR DE ESFUERZOS σXYZ.

EN EL CASO DE REALIZAR MEDICIONES DESDE LABORES SUBTERRÁNEAS, SEREQUIERE QUE EL SECTOR DE LA MEDICIÓN, DONDE SE MONTARÁ EL EQUIPO (WINCHE, TRÍPODE, CABLES Y BOMBAS) POSEA DIMENSIONES MÍNIMAS DE 4 M DE ANCHO, 4 M DE LARGO Y 4 M DE ALTURA.


FIN

MUCHAS GRACIAS!

FIN

MUCHAS GRACIAS!

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