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23/08/2018 Academia de la Ingeniería de la Prov. Buenos Aires
Tenacidad de rocas: conceptos fractomecánicos y
procedimientos experimentales
Parte 1: breve historia personal
Ing. Jose Luis Otegui
Investigador Superior CONICET
Premio Consagración 2017 "Ing. Jorge Luis Aguero"
Por que soy ingeniero?
1957 – 1974 Balcarce (Bs. As.)
Por que soy ingeniero mecánico?
1975 - 1980 Fac. Ingeniería Universidad Nac. Mar del Plata.
Por que soy investigador? 1980 – 1984 Luis A. de Vedia Laboratorio de soldadura, luego División Soldadura INTEMA Algo nuevo llamado Mecánica de Fractura 1883 – 1984 Especialización en Soldadura: IAS – CNEA (Bs. As.), Kiev (URSS) 1985 - 1988 University of Waterloo, Canadá. Doctor (Ph.D.) en Ing. Mecánica.
Maestría en el Instituto Paton, en la Ucrania soviética
Instituto Paton de soldadura eléctrica
Ing. Evgeny Paton inventó la soldadura por arco electrico, ppios. siglo XX.
Puente Maurzyce, Polonia: primer puente carretero soldado, 1928.
El segundo: sobre el rio Dniepr, en Kiev.
Nikita Khrushchev lideró construcción 1941- 1953
Pero este fue el primer puente soldado: peatonal en el parque Dniepr
Universidad Waterloo:
• educación cooperativa en ingeniería y tecnologias • intercambio con otras universidades • Investigación aplicada, spin offs, polo tecnológico on-campus • asociación con empresas. En ingeniería: primeros lugares de Universidades norteamericanas. David Burns, pionero en el estudio experimental de fallas por fatiga. Tesis de doctorado: fatiga de uniones soldadas en estructuras tubulares para plataformas offshore.
Regreso a la caldera del diablo
Regreso a Argentina: ppios. Febrero 1989 Primera hiperinflación: fin febrero 1989
Sueldo profesor full time = 1/10 taching assistant
1990 Primer gobierno Menem: • Haremos caramelos • A lavar los platos • Crisis de la producción industrial argentina Nadie interesado en la construcción soldada • Mantener fierros viejos, maltratados • Mecánica de fractura, Integridad, análisis de fallas
1990 – 2014 Profesor dedicación exclusiva UNMdP.
Docente - investigador en INTEMA – (UNMdP –CONICET)
•Mecánica del sólido 1 y 2, Estática del Sólido
•Mecánica de Fractura
•Análisis de Falla
•Integridad de Equipamiento Industrial
•Cañerías y recipientes de Presión
2014 -> YPF Tecnología S.A. (Y-TEC)
Ya no para evitar fallas… sino para provocarlas
Producción Científica
75 Publicaciones en revistas científicas de circulación internacional
100 Trabajos presentados en congresos internacionales con referato
50 Trabajos presentados en congresos nacionales y otros sin referato
Libros
2004 Mecánica de Materiales Estructurales. JEM Dis. Ed., ISBN 987-43-7174-9.
2008 Cañerías y Recipientes de Presión. Con E. Rubertis. EUDEM, ISBN
978-987-1371-18-1. 2 tomos. Reedición 2012.
2013 Análisis de Fallas: Fundamentos y Aplicaciones en Componentes
Mecánicos. EUDEM, SBN 978-987-1921-17-1.
2014 Failure Analysis: Fundamentals and Applications in Mechanical
Components. Springer, ISBN 978-3-319-03910-7, 978-3-319-03909-1
1990s : De científico a investigador tecnológico
muñón
refuerzos
Por que soy investigador tecnológico?
Investigar es transformar dinero en “conocimiento”: valor para la sociedad global
Innovar es transformar el conocimiento en “dinero”: valor para el país y la región
empresas competitivas
empleo de alta calidad
Investigador tecnológico y gestor de equipos de trabajo
Un temperamento creativo y emprendedor da lo mejor de sí cuando es responsable
de sus acciones, éxitos y fracasos.
No satisfecho con obedecer ni imponer objetivos.
SOCIOS y CLIENTES, en organismos del estado y empresas privadas.
En estas relaciones, la principal virtud ha sido la correcta definición de
OBJETIVOS, y la obtención de RESULTADOS verificables.
Consolidación del equipo
de trabajo: recursos
humanos y equipamiento
Creación, captación y
adaptación de
conocimiento tecnológico
Definición de temas de
desarrollo tecnológico de
interés industrial.
Respuesta a las
necesidades del personal
técnico de las empresas
1 2
3 4
Por que soy investigador tecnologico?
Producción Tecnológica Incubación de EBT (1990-1995) Socio fundador de GIE Ingeniería de Integridad S.A. Grupo multidisciplinario de ingeniería -> Empresa Integridad y aptitud para el servicio Sector del Petróleo y Gas Sedes en Argentina, Perú, Bolivia y Chile En 2005
Desarrollamos software y equipamiento Esys10: determinación no destructiva de la resistencia a la fluencia
2014: YPF Tecnología (Y-TEC, YPF - Conicet)
Mecánica de fractura de rocas en formaciones no convencionales
1. Estudiar comportamiento a la fractura
2. Evaluar incidencia de agentes químicos
3. Desarrollar tecnologías aplicables y patentables 2015: Joaquin
2017: Grupo de Innovación
Energética y Ambiental
(Fac. Ing. UNLP)
Iniciación y propagación de fracturas en rocas shale: influencia
de las condiciones en fondo de pozo y del fluido de fractura
23/08/2018 Academia de la Ingeniería de la Prov. Buenos Aires
Tenacidad de rocas: conceptos fractomecánicos y
procedimientos experimentales
Parte 2: ahora si, a los bifes
Ing. Jose Luis Otegui
Investigador Superior CONICET
Reservorios de gas y petróleo
Migración de Hidrocarburos.
Recursos convencionales y no convencionales
¿Por qué planteamos este proyecto?
Formación del reservorio en NoC
Fracturas:
– Naturales
– Hidráulicas
Desarrollo estratégico de recursos NoC
– Más volumen,
– Mas estimulado (SRV)
– Reducción de costos
¿Por qué planteamos este proyecto? Fracturabilidad de rocas shale
Capacidad para fracturar la roca
Controla la iniciación de fracturas durante la estimulación
Afecta al volumen estimulado (SRV) y en mayor medida la densidad de fracturas en el SRV
Parámetros controlantes:
• Confinamiento (compresión triaxial)
• Composición química/mineralógica y anisotropía en propiedades físicas
• Temperatura.
• Fluido contenido en los poros
Material: Fragilidad = 1 / tenacidad
Backers - Fracture Toughness Determination and Micromechanics
of Rock Under Mode I and Mode II Loading. Ph.D. Thesis, Universität Potsdam, 2004
Mecánica de fractura lineal elástica:
Por acción de la carga mecánica sobre una fisura preexistente:
KI, KII, KIII = factor de intensidad de tensiones en el vértice de una
“fisura” prexistente en modos I, II o III.
YPF Tecnología S.A.
Fundamentos de mecánica de fractura
Tenacidad de la roca : resistencia a la propagación de fisuras.
• La fractura propaga (inestable o no) cuando se alcanza un valor crítico
KI = KIC (“una fisura, instantánea”)
• La tenacidad de un material es a la fractura como su tension de fluencia es a la deformación plástica.
• Así como la rotura por colapso plástico puede requerir de un evento posterior a la fluencia, la propagación posterior de una fractura depende de eventos posteriores a su iniciación.
– incidencia del medio: = KISCC (crecimiento subcrítico).
KISCC << KIC.
• Incidencia de inhomogeidades geométricas (fracturas naturales), direccionalidad de la carga, etc.
YPF Tecnología S.A.
Fundamentos de mecánica de fractura
YPF Tecnología S.A.
Propiedades mecánicas en rocas
Tenacidades en Vaca Muerta:
Carbonatos entre pelitas.
KIC 0.73 MPa.m½
Alto contenido de carbonato
KIC 0.34 MPa.m½
Alto contenido de TOC
KIC 1.24 MPa.m½
Compresión >>
Comportamiento mecánico tensión deformación de una roca:
modelo de Mohr Coulomb
Tenacidad y resistencia
Propiedad intrínseca de los materiales
No tiene en cuenta fracturas naturales (macro y micro), y otras discontinuidades
Estas discontinuidades son muy también importantes en la estimulación hidráulica de reservorios.
KIC en condiciones de fondo
• La fractura de la roca se induce a partir del ingreso de fluido a presión a través de los punzados.
• El punzado actúa como una entalla de dimensiones estimables (a), a partir del cual propaga la fractura.
• La presión de ruptura de la formación (s = PBD) puede ser determinada efectuando un bombeo controlado con registro de presión.
• La incidencia del confinamiento se contempla determinando el ISIP (PISIP).
DISTRIBUCIÓN DE TENSIONES
EN LA ZONA DE PUNZADO
DISTRIBUCIÓN DE TENSIONES
EN LA ZONA DE PUNZADOCasing Cemento Formación
DISTRIBUCIÓN DE TENSIONES
EN LA ZONA DE PUNZADO
DISTRIBUCIÓN DE TENSIONES
EN LA ZONA DE PUNZADOCasing Cemento Formación
horizontal
pro
fund
idad
Fractura en rocas shale: ensayos de ½ coronas por flexión en 3 puntos
Fracturas inducidas por tracción (modo 1) en muestras semicilíndricas con entalla mecanizada
L.Hunjoo: The interaction of propagating opening mode fractures with preexisting discontinuities in shale. 2015
¿Por qué planteamos el proyecto?:
Objetivo de corto plazo
Establecer las condiciones que favorecen el crecimiento ramificado de
fisuras y minimizar la energía requerida para su propagación.
Objetivos de largo plazo
Disminuir la tenacidad a la fractura de la roca mediante el agregado de
agentes químicos al fluido de fractura.
Incrementar el volumen de reservorio estimulado en las fracturas de Vaca
Muerta y la consiguiente productividad de los pozos.
¿Como desarrollamos el proyecto? Antecedentes
Y-TEC – LEMIT: 2014 – 2016
Proyecto I+D+i 470 –
Tenacidad a la Fractura de Rocas Shale. Incidencia de Agentes Químicos.
Tesis doctorado Ing. A. Chaves. Finalizado sin éxito técnico.
Y-TEC 2014 – 2017
Proyecto I+D+i 448 –
Modelado de Fractura Hidráulica
Tesis doctorado Ing. H. Celleri .
Finaliza marzo 2019
¿Cómo desarrollamos el proyecto? Instituciones
Y-TEC (YPF-Conicet):
proyectos de I+D+i en áreas geomecánica y materiales
UNLP (Grupo Innovación Energética y Ambiental):
tesis de doctorado.
INTEMA (UNMdP-Conicet):
diseño y construcción de dispositivos para ensayos de Kic.
Ensayos de validación de la metodología
Solaer Ingeniería S.A.
diseño y construcción dispositivo ensayos a alta presión y temperatura.
¿Como desarrollamos el proyecto? Modelado
El disco Brasilero: compresión vertical tracción horizontal
H. Celleri et al: Effects of weak interfaces of anisotropic rocks on the Brazilian test: A numerical study. Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 2018
¿Como desarrollamos el proyecto? Experimental: fractura por corte
Fracturas inducidas por corte en prensa uniaxial, y micro tomografía post ensayo.
Superficies horizontales son planos de laminación reactivados, colores indican separación
S. Marco et al: Efecto de histéresis con degradación sobre la conductividad de fracturas inducidas en la formación vaca muerta. 10º. Congreso Exploración y Desarrollo de hidrocarburos, IAPG, Mza., Nov. 2018
¿Como desarrollamos el proyecto?
Experimental: presión hidráulica dentro de la fractura
S. Serebrinsky et. Al: A novel simple method for the determination of fracture toughness in core samples. 10º. Congreso de Exploración y Desarrollo de hidrocarburos, IAPG, Mza., Nov. 2018
Novedoso conjunto experimental: el KI se aplica mediante una presión hidráulica en el interior de
la entalla. Imitamos el modo 1 de apertura de la roca durante el fracking. Dispositivo para ensayo KIC
¿Como desarrollamos el proyecto? Muestras de Vaca Muerta
F. Antinao et al: Fracture toughness experiments in shale rocks, effect of fluid chemistry on KIC. 10º. Congreso de Exploración y Desarrollo de hidrocarburos, IAPG, Mza., Nov. 2018.
Muestreo de rocas desde los afloramientos
Muestras de afloramientos de Vaca Muerta:
Calcita, y porcentajes menores de arcillas y cuarzo.
Mecanizado de plugs
Plugs: Muestras cilíndricas de
1.5", multi-entalladas.
Requieren menos material
que los ensayos brasilero y
de flexión en tres puntos.
Ventaja: numerosa cantidad
de datos de tenacidad a la
fractura
Requieren control de las
condiciones iniciales de las
muestras:
• cantidad y tipos de fluidos
que poseen
• composición
mineralógica.
Superficie de fractura Plugs en saturación: Presión
atmosférica, 24hs.
Propagación de errores:
• Las mediciones de presión y longitud de fisura son independientes.
• La incertidumbre en el cálculo de tenacidades es estadísticamente constante.
• Desvío estándar en cada medición un orden de magnitud menor a la dispersión estándar
en tenacidades.
• Desvíos:
heterogeneidades de
las rocas
otras fuentes de error.
Qué estamos obteniendo: Resultados experimentales
Datos estadísticos para los datos de fractura en condiciones de saturación
Datos estadísticos para fractura en equilibrio con la humedad ambiental
Curvas de secado (A) y saturación en los distintos fluidos (B)
A B
B
Qué estamos obteniendo: Resultados experimentales
influencia de composición mineralógica de rocas y composición química de fluidos
sobre tenacidad aparente: KIC.
Tenacidad a la fractura en ambiente. (A) en condición de humedad ambiental,
y (B) en condiciones controladas de saturación.
A B
Qué estamos obteniendo: Resultados experimentales
Qué estamos obteniendo: Discusión de Resultados
Las condiciones ambientales, los procesos de meteorización y la heterogeneidad de
las muestran influyen en su tenacidad.
Decremento de tenacidad frente a los fluidos:
fluido 2-API (solución salina de KCl) y agua destilada reducen 70% la
tenacidad,
alcohol y el kerosene reducen 25 % la tenacidad,
Mecanismos para estos comportamientos no dilucidados por completo
Los más importantes:
presión capilar,
hinchamiento de arcillas,
disolución de carbonatos
corrosión bajo tensión.
Qué estamos obteniendo: Discusión de Resultados
Presión poral: reduce la tenacidad, pero el aumento de presión en los poros es equilibrado con
el entorno.
Tensiones capilares: con saturación parcial, presión capilar negativa aumenta la tenacidad,
efecto aumenta con poros de menor tamaño y bajo contenido de arcillas, desaparece en rocas
completamente saturadas.
Hinchamiento de arcillas: en medios acuosos, reduce la tenacidad. La deformación volumétrica
induce microfisuras, la matriz pierde rigidez, causando un daño irreversible.
Corrosión bajo tensión: en rocas sedimentarias o ígneas la tenacidad decrece con el agua por
efecto de la corrosión: hidrólisis en la punta de la fisura debilita las uniones moleculares.,
Deterioro físicoquímico por disolución de carbonatos: en roca carbonática porosa, disolución
por efecto del agua reduce resistencia mecánica, pero t > 1000 hs.
Qué estamos obteniendo: Discusión de Resultados
Muestras en humedad ambiente con tenacidad comparable a las secas:
o tensión residual de compresión en los espacios porales y en la punta de la fractura.
o hipótesis a confirmar mediante medición de tamaños porales.
Disminución del coeficiente de fricción entre granos:
o no afecta a nuestros experimentos, modo de apertura en tracción.
Hinchamiento de arcillas y tensiones capilares superpuestos.
Qué estamos obteniendo: interpretación fractográfica
Disolución de carbonatos, nucleación de microfisuras
Qué estamos obteniendo:
interpretación fractográfica
• Caracterización de las superficies
de fractura
• Mapas topográficos
Qué haremos: Nuevos dispositivos y métodos
Verificar irreversibilidad del daño:
mediante prueba de muestras en número de ciclos limitados de secado y saturado, durante
tiempos preestablecidos, con distintos fluidos.
Exponer el efecto de descomposición físico-química de los carbonatos:
Una disminución del peso en cada ciclo permitirá comprobar degradación por disolución.
Caracterizar las superficies de fracturas:
técnicas con microscopio electrónico de barrido y microscopios ópticos o electrónicos y
láseres
Qué haremos: Dispositivo para alta presión y temperatura
MUCHAS GRACIAS
Tenacidad de rocas: conceptos fractomecánicos y procedimientos experimentales
Ing. Jose Luis Otegui Investigador Superior CONICET
23/08/2018 Academia de la Ingeniería de la Prov. Buenos Aires
