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MEDICIONES DE ESFUERZO IN SITU MEDIANTE TÉCNICAS DE HIDROFRACTURAMIENTO

MEDICIONES DE ESFUERZO IN SITU MEDIANTE TÉCNICAS DE HIDROFRACTURAMIENTO PATRICIO LLEDÓ ARAYA JAIME DÍAZ ÁVILA INSITU TESTING CHILE LTDA. Mayo del 2006

MEDICIONES DE ESFUERZO IN SITU MEDIANTE TÉCNICAS DE HIDROFRACTURAMIENTO

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.

>

MEDICIONES DE ESFUERZO IN SITU MEDIANTE TÉCNICAS DE HIDROFRACTURAMIENTO

Esfuerzos en el Macizo Rocoso

Esfuerzos In Situ

Esfuerzos Gravitacionales

Esfuerzos Inducidos

Esfuerzos Tectónicos

Esfuerzos Residuales

Terreno Plano

Diagénesis

Efecto de la Topografía

Metasomatismo Metamorfismo Enfriamiento de Magma Cambios en Presión de Poro

Esfuerzos Tectónicos Activos

Gran Escala

Corte por Tracción Empuje de Placas Cambios del terreno (relieve). Cambios en Presión de Poro Bordes de Convergencia y Divergencia de Placas

Esfuerzos Ter restres

Minería Excavaciones Perforaciones Bombeo e Inyección Extracción de Energía Cargas Aplicadas Dilatación (swelling)

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

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

Escala Local

Flexión en la Litosfera Compensación Isostática Volcanismo y flujo de calor

=

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

MEDICIONES DE ESFUERZO IN SITU MEDIANTE TÉCNICAS DE HIDROFRACTURAMIENTO

ESTIMACIONES PRELIMINARES SUPUESTOS BÁSICOS: > EL ESTADO TENSIONAL PUEDE SER DESCRITO MEDIANTE DOS COMPONENTES, UNA VERTICAL (σV ) Y OTRA HORIZONTAL (σH). σv = γ ×z Donde γ : Peso Unitario de Macizo Rocoso ( γ = ρ γ ) k : Razón de Esfuerzos σh = k σv > 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). σ v = 0.027 × z 0. 5 +

1500 z

( MPa )

≥ k av

≥ 0. 3 +

100 z

MEDICIONES DE ESFUERZO IN SITU MEDIANTE TÉCNICAS DE HIDROFRACTURAMIENTO Esfuerzo Vertical, 10

20

30

40

Razón de E sfuerzo Promed io, KAv

σv (MPa) 50

60

70

0

80

0

0

250

250

500

500

750

750

1000

1000

Profundidad, Z (m)

1250

1500

1750

2000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

1250

1500

1750

2000

A

Australia

x Z

Chile (Div. Andina) Chile (Div. El Salvador) Chile (Div. El Teniente)

2750

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

/Z

Australia Canadá Sud África Zambia Chile (Div. Andina) Chile (Div. El Salvador) Chile (Div. El Teniente) Chile (Div. Codelco Norte)

Chile (Div. Codelco Norte) 3000

0.5 + 1 500 / Z

2500

7

2750

Otros Países Zambia

Razón de Esfuerzo Promedio

2250

02 0.

2500

Noruega Sud África Suecia

0.4 + 80 0

2250

Canadá Estados Unidos

0.3 + 100 / Z

Profundidad, Z (m)

0

3000

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

4.5

MEDICIONES DE ESFUERZO IN SITU MEDIANTE TÉCNICAS DE HIDROFRACTURAMIENTO

TÉCNICAS DE MEDICIÓN TÉCNICA DE MEDICIÓN

P ARÁMETRO DOORSTOPPER MÉTODO UTILIZADO DISPOSITIVO

USBM

C ELDA CSIRO - HI

FLAT JACK

FRACTURAMIENTO HIDRÁULICO

Sobreperforación (Overcoring)

Sobreperforación (Overcoring)

Sobreperforación (Overcoring)

Presurización

Presurización

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

Celda (Bidimensional, Recuperable, con 3 strain gauges orientadas a 60° cada una) Perforaciones desde Galerías. ∅ : 1.5” celda ∅ : 6” sobreperforado

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

Placa (Gato Plano)

Obturadores, Bomba Electro hidráulica Servo asistida.

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

SITIO DE M EDICIÓN

Perforaciones desde Galerías. ∅ : 2” a 3” celda y sobreperforado

CEMENTO PARA A DHERENCIA 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.

E VALUACIÓN 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 σ 3.

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 E SFUERZO VOLÚMENES I NVOLUCRADOS

⎛σ xx τ xy ⎜ ⎜ − σ yy ⎜ − − ⎝ -3

-2

−⎞ ⎟ −⎟ − ⎟⎠ 3

10 – 10 m

⎛σ xx ⎜ ⎜ − ⎜ − ⎝ -3

τ xy σ yy − -2

−⎞ ⎟ −⎟ − ⎟⎠ 3

10 – 10 m

⎛σ 1 0 ⎜ ⎜ 0 σ2 ⎜0 0 ⎝ -3

0 ⎞ ⎟ 0 ⎟ σ 3 ⎟⎠ -2

10 – 10 m

3

⎛σ xx ⎜ ⎜ − ⎜ − ⎝

− −⎞ ⎟ − −⎟ − − ⎟⎠ 3

1–2m

⎛ σH ⎜ ⎜ − ⎜ − ⎝

−

−⎞ ⎟

σ h −⎟ −

− ⎟⎠

0.5 – 50 m

3

MEDICIONES DE ESFUERZO IN SITU MEDIANTE TÉCNICAS DE HIDROFRACTURAMIENTO

T ÉCNICA DE M EDICIÓN P ARÁMETRO

A PLICABILIDAD Y VENTAJAS

FUENTES DE E RROR

L IMITACIONES

DOORSTOPPER

USBM

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.

C ELDA CSIRO - HI

FLAT JACK

FRACTURAMIENTO HIDRÁULICO

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

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.

No perpendicularidad Errores producto de la entre el plano del fondo humedad, temperatura, de la perforación y su conexiones eléctricas. eje.

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).

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.

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.

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

MEDICIONES DE ESFUERZO IN SITU MEDIANTE TÉCNICAS DE HIDROFRACTURAMIENTO

PARÁMETROS REQUERIDOS EN GEOTECNIA

(σ )123

(σ )XYZ

=

=

0 ⎞ ⎛σ 1 0 ⎜ ⎟ ⎜ 0 σ2 0 ⎟ ⎜0 0 σ 3 ⎟⎠ ⎝ ⎛σ x ⎜ ⎜τ xy ⎜ ⎝τ xz

τ xy τ xz σ y τ yz τ yz σ z

z x’

Orientación, Azimut (°) Inclinación (°)

β

⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠

δ

y

x

Esfuerzos Principales Secundarios P : Esfuerzo Principal Mayor Secundario Q : Esfuerzo Principal Menor Secundario

Z

Razones de Esfuerzos KEO : Razón de Esfuerzo Este - Oeste KNS : Razón de Esfuerzo Norte - Sur

Y Norte

α

Q X Este

P

MEDICIONES DE ESFUERZO IN SITU MEDIANTE TÉCNICAS DE HIDROFRACTURAMIENTO

Or ientación Esfuer zos Principal es Azimuth (°) 340

350

0

10

20

330

30

320

σ1

σ2

σ3

M M ,

( ( *

0 0 2

ENSAYO A zi muth del ej e de la labor (°) 0 10 350 340 20

Test N°1 Test N°2

320

40

310

30

330

Promedio

300

60

290

50

310

50

300

40

80

270

70

290

70

280

60

90

280

80

90

270 1.0

-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 260

100

Inclinación (°)

250

110

240

120 230

130 220

140 210

150 200

190

180

170

160

1.5

2.0

2.5

3.0

Índice de Anisotropía, P/Q

260

100

110

250

240

120

130

230 220

140 150

210 200

160 190

180

170

MEDICIONES DE ESFUERZO IN SITU MEDIANTE TÉCNICAS DE HIDROFRACTURAMIENTO

MEDICIONES DE ESFUERZO UTILIZANDO HIDROFRACTURAMIENTO PROCEDIMIENTO: Winche con Trípode

> 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

Tubería de

Panel Control Presión

de

Unidad de Adquisición de Datos

Inyección

Cable Conductor

Transductor de Presión Interior Pozo

Elementos Obturadores

Válvula de Empuje para Obturadores e Intervalos de Presurización

Intervalo del Ensayo

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.

MEDICIONES DE ESFUERZO IN SITU MEDIANTE TÉCNICAS DE HIDROFRACTURAMIENTO

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

NÓISERP

NÓISERP

Cierre Instantáneo de Inyección

Pc Pr

PSI

TIEMPO >

PRUEBA RF (RE - FRACTURAMIENTO): PERMEABILIDAD POST FRACTURAMIENTO. PERMEABILIDAD DEL MACIZO ROCOSO.

PSI

>

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

NÓISERP

NÓISERP

Pr

Cierre Instantáneo de Inyección

TIEMPO

2

3

5 Lt/min

1

TIEMPO

TIEMPO

MEDICIONES DE ESFUERZO IN SITU MEDIANTE TÉCNICAS DE HIDROFRACTURAMIENTO

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)). Â ANALOGÍA SOLUCIÓN ELÁSTICA DE KIRSH (1898).

σ θ = σ 1 + σ 3 − P − 2(σ 1 − σ 3 ) cos (2θ ) Psi = σ 3

Î

Pc = 3 σ 3 − σ 1 + Pco − Po

Pr = 3 σ 3 − σ 1

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

Pc = 3 σ h − σ H + Pco Pr = 3σ h − σ H Pco = Pc − Pr Psi = σ h

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.

MEDICIONES DE ESFUERZO IN SITU MEDIANTE TÉCNICAS DE HIDROFRACTURAMIENTO

CASO DE ESTUDIO – DIVISIÓN CODELCO NORTE CAMPAÑA 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. Ra zones de Esf ue rzo Hor izontales M áxi ma y M ínima, KMáx y KMín

σ v , σh y σH (MPa) 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0

50

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

0

0 Esfuerzo (MPa)

100

Sector de Medición

σv

σh

σH

2

,

*

Chuquicamata

2

,

*

Mansa Mina

2

,

*

Comunidad Chuquicamata

2

,

*

Toqui

200

400 200

600

7) 15 0.0 ·z

± 322 (0.0

1600

150 0/

z

800 /z

0.5 +

(282 / z) + 2,172

1400

± 16 .06 (0

+ 4.1) 08) 0.0

36 .028

Razones de Esfuerzo KMáx (FH) KMín (FH)

1800

·z

·z

800

1200

(127 / z) + 1,135

+ .1) ±8

± (3.6

0 6) + ± 1.1

700

5 (-0.0

600

1000

0.4 +

500

800

0.3 + 100 / z

Profundidad, z (m)

400

.0 (8

Profundidad, z (m)

300

2000

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.

MEDICIONES DE ESFUERZO IN SITU MEDIANTE TÉCNICAS DE HIDROFRACTURAMIENTO

Z

16 Mediciones Hidrofracturamiento Chuquicamata Mansa Mina Comunidad Chuquicamata Toqui

14

YN XE

12

Fre cuencia

10

σY

σH 8

σh

σX

6

4

2

0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

Prof undi dad, z (m)

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.

(σ )Hhv

(σ )XYZ

=

=

⎛σ H ⎜ ⎜ 0 ⎜ 0 ⎝

σh

⎛σ x ⎜ ⎜τ xy ⎜ ⎝ τ xz

τ xy τ xz ⎞ ⎟ σ y τ yz ⎟ ⎟ τ yz σ z ⎠

0 0

0⎞ ⎟ 0⎟ σ v ⎟⎠

(σ )XYZ

T = (L ) (σ )HhV (L )

MEDICIONES DE ESFUERZO IN SITU MEDIANTE TÉCNICAS DE HIDROFRACTURAMIENTO

11

45 Razones de Esfuerzo

10

K Mín

40

K Máx 9

K N-S

35

K E-W 8 7

Frecuencia

Frecuencia

30

25

20

6 5 4

15 3

10 2

5

1 0

0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Razones de Esfuerzo...