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MECÂNICA DAS ROCHAS APLICADAS À ENGENHARIA DE PETRÓLEO Módulo I João Paulo Lobo dos Santos São Cristóvão, Novembro/2016 Sumário • Introdução • Tensões e Deformações • Critério de rupturas • Geometria de fraturas • Geopressões Pressão de poros, de fratura e de colapso • Critérios de assentamento de sapatas • Tópicos especiais Histórico • Desde a pré-história, as rochas e os maciços rochosos vêm sendo utilizados pelo homem para a fabricação de ferramentas, casas, fortificações e até mesmo túneis. • Os templos e as pirâmides do Egito, como por exemplo, a Pirâmide de Queôps, construída com mais de dois milhões de blocos de calcário há 4700 anos. • As principais barragens do Egito e do Iraque, que datam de 2900 A.C., são testemunhos das refinadas técnicas de seleção, corte e trabalho empregadas pelos homens na antiguidade. • Apesar das centenas de anos de experiência, foi somente nestas últimas décadas que a mecânica de rochas passou a ser reconhecida como uma disciplina regular dos programas de engenharia, a partir de 1960. • A partir de então foi possível fazer estudo de casos individuais, tais como a implantação no maciço rochoso de fundações, poços, furos de sondagem, cavernas e taludes. Introdução • Rochas são materiais sólidos consolidados, formados naturalmente por agregados de matéria mineral ou minérios, que se apresentam em grandes massas ou fragmentos. • As principais propriedades que distinguem uma rocha de um solo são a coesão interna e a resistência a tração. • A rocha é um material bastante distinto de outros materiais da engenharia, por isso os projetos em rochas são bastante especiais. • A mecânica das rochas se desenvolveu mais lentamente que a mecânica dos solos, pelo simples fato de a rocha ser considerada mais competente que o solo e gerar menor número de problemas com fundações ou estruturas. • A mecânica das rochas tem como finalidade estudar as propriedades e o comportamento dos maciços rochosos submetidos a tensões ou variações das suas condições iniciais. Campos de Aplicação da Mecânica das Rochas • Os projetos de engenharia de rochas podem ser agrupados em sete categorias a) Fundações: as rochas são um excelente material de fundação, mas podem ser fraturados e alterados. b) Taludes: a mecânica das rochas pode identificar o risco de ruptura do talude rochoso, seja por tombamento, flexão, em cunha ou em plano; c) Túneis e poços: a estabilidade de túneis e poços depende da estrutura da rocha, estado de tensões, regime de fluxo subterrâneo e técnica de construção; d) Cavernas: o projeto de construção de grandes cavernas é influenciado pela presença e distribuição das fraturas do maciço rochoso; e) Mineração: a mecânica das rochas influi sobre os métodos de mineração, com a finalidade de se obter uma maior extração de minério, utilizando-se um mínimo de suporte artificial das galerias; f) Energia geotérmica: a produção de energia geotérmica é obtida pela percolação de água, injetada no furo, através das fraturas da rocha-reservatório naturalmente aquecida e a posterior recuperação por outro furo de sondagem. g) Armazenamento de rejeitos radioativos: o isolamento dos materiais radioativos em relação à biosfera requer o estudo das fraturas do maciço, capacidade de absorção das superfícies das fraturas, tensões in situ, condições de fluxo, temperatura e tempo. Definições e propriedades • Rochas: são todos os materiais geológicos sólidos consolidados, constituídos por minerais. Apresenta descontinuidade à escala ultramicroscópica da ordem de 10-8 mm, microscópica da ordem de mm e macroscópica da ordem de mm-cm. • Rocha intacta: é a porção da massa rochosa, livre de descontinuidades, sobre a qual se verificam propriedades de resistência mecânica do material rochoso. • Rocha frágil: é aquela que apresenta ruptura frágil. Esta é definida a partir do ponto em que a capacidade de resistir às cargas diminui simultaneamente com aumentos de deformação. • Rocha dúctil: um material é dito dúctil quando ele pode apresentar deformações permanentes sem perder sua capacidade de resistência. • Coesão: refere-se à força que une as partículas das rochas. Definições e propriedades • Dureza: é a resistência oferecida pela rocha à penetração de uma ferramenta. • Elasticidade: é a mudança de forma ou volume de uma rocha, quando submetida a forças externas, retornando, em seguida, às condições iniciais, quando retiradas as forças que causaram a deformação. • Plasticidade: é a propriedade que tem a rocha de tomar qualquer forma, quando submetida a forças externas, e conservar esta forma, mesmo depois de removida a causa da deformação. • Tensão: é uma grandeza física derivada de outra grandeza, a força. Não podem ser medidas diretamente, mas estimadas pelos seus efeitos, a deformação. • A tensão em um ponto é também denominada estado de tensão ou simplesmente tensão, é uma grandeza (tensorial) que permite a descrição do vetor tensão, em qualquer plano contendo o ponto considerado. • As tensões em uma rocha podem ser: tensão natural ou induzida. Definições e propriedades • Material rochoso: é o material constituinte dos blocos de rocha, delimitados pelas descontinuidades do maciço rochoso. • Maciço rochoso: a concepção de maciço rochoso confunde-se com a própria definição de rocha: é o material sólido da crosta. Nessa acepção, o maciço rochoso ou massa rochosa inclui, além do tipo litológico, todas as suas descontinuidades. • Deformação: são os movimentos de massas rochosas que causam mudança de forma, orientação, volume e/ou posição, devido à aplicação de forças tectônicas ou forças atectônicas (principalmente as gravitacionais). • Resistência de um material é a capacidade de absorver a tensão sem sofrer deformação (ruptura, por exemplo, como nos ensaios de laboratório). • Homogeneidade ou heterogeneidade: das rochas e dos maciços está relacionadas à constância ou a variação espacial de suas propriedades mecânicas no volume considerado. • Isotropia ou anisotropia: relativas à constância ou à variação de suas propriedades mecânicas de acordo com a direção dos grãos minerais ou a história de tensão, no volume considerado. Definições e propriedades Maciço rochoso Em síntese, pode-se dizer que os maciços rochosos são essencialmente heterogêneos, anisotrópicos e descontínuos, e sua complexidade resulta da evolução geológica a que foram submetidos. A escala da porção do maciço analisada em um estudo qualquer que se define a condição do meio, conforme ilustra a figura. Geomecânica na Indústria do Petróleo • A mecânica das rochas utiliza os princípios de continuidade, mecânica dos sólidos e geologia para quantificar a resposta de uma rocha a fatores induzidos pelo homem. • O estado atual dos conhecimentos de mecânica de rochas permite apenas limitadas correlações entre as previsões teóricas e resultados empíricos. • A mecânica de rochas para petróleo diz respeito a deformação, compactação, fratura, colapso e falhamento de formações rochosas causados pela perfuração e produção. • A perfuração e a completação de poços em uma formação originalmente estável pode produzir uma série de fenômenos que resultam na instabilidade do poço. Geomecânica na Indústria do Petróleo • Estabilidade de poços; • Operações de fraturamento hidráulico; • Produção de areia; • Reativação de falhas; • Reservatórios fraturados; • Subsidência. Por que estudar tensão em rochas? • Um engenheiro precisa compreender as quatro seguintes características fundamentais de tensões em rochas: Um estado pré-existente de tensão (tensão in situ)existe no subsolo; precisamos entendê-lo e estudá-lo. Uma mudança dramática do estado de tensão existente pode ocorrer devido as atividades de engenharia de petróleo, tais como a perfuração. A maioria dos critérios de análise de engenharia esta relacionada com a deformabilidade ou com a resistência da rocha. A tensão não pode ser expressa por um escalar quando se está tratando com uma perfuração tridimensional real. Tensão • Quando um corpo é submetido a um carregamento externo, forças internas são induzidas. • A tensão, σ, é definida como sendo a relação entre o valor da força F e a área definida por uma determinada seção. Esta definição pode ser entendida como a tensão média que atua no plano. • Uma tensão, assim como uma força, pode ser decomposta por duas componentes, sendo: σ, tensão normal ao plano e τ, tensão cisalhante, paralela ao plano. • As tensões normais podem ser tanto de compressão, assumidas como positivas, quanto de tração, que serão consideradas negativas. Estado tridimensional de tensão • Para se ter uma descrição completa do estado de tensão em um ponto é necessário identificar as tensões relacionadas a três planos orientados ortogonalmente. • As nove componentes do estado tridimensional de tensões podem ser representados em uma matriz 3 x 3, construindo o chamado tensor de tensões. • Em geral as componentes de tensão variam de ponto para ponto em um corpo, entretanto essas variações não são arbitrárias, pois são governadas pelas condições de equilíbrio. • Para que um corpo permaneça em equilíbrio o somatório das forças e momentos na direção x, y e z devem ser iguais a zero. Estado tridimensional de tensão • Tensão é um termo complexo devido a seis razões principais: Ela possui nove componentes dos quais seis são independentes. Seus valores podem tem propriedades pontuais. Seus valores dependem da orientação em relação a um conjunto de eixos de referência. Seis dos nove componentes podem se tornar zero em uma determinada orientação. Ela tem três componentes principais. Exemplo 1 a) Verifique se um maciço rochoso submetido ao estado de tensão descrito abaixo está em equilíbrio? A, B e C são constantes e as forças de campo foram consideradas nulas. Dados: σx = - Axy τxy= (A/2).(B²-y²) + Cz τxz= - Cy σy= σz= τyz = 0 b) O corpo encontra-se representado em um estado bidimensional ou tridimensional de tensões? Estado plano de tensão (Bidimensional) • No estado plano de tensões são considerados apenas as tensões que atuam em um determinado plano, representando assim uma situação em que a tensão na direção ortogonal ao plano pode ser desprezada. • A magnitude da tensão cisalhante no plano x atuando na direção y é igual à da tensão cisalhante no plano y atuando na direção x. Esta relação resulta do equilíbrio rotacional do elemento. • Em alguns caso é conveniente reorientar os sistema de coordenadas de forma que o eixo x e o eixo y correspondam as direções de interesse. • Estas relações são importantes quando se conhece o estado de tensão em um sistema, e se deseja conhecê-lo em outro sistema coordenado de interesse. Exemplo 2 • Existe uma condição de estado plano de tensão em uma rocha sob carregamento, onde as tensões têm magnitudes e direções como dado a seguir: Dados: σx= -6600 psi, σy=1700 psi e τxy= -2700 psi a) Faça a representação do elemento no estado plano de tensões? b) Determine as tensões agindo no mesmo elemento quando orientado em um ângulo de 45º no sentido horário em relação ao elemento original? c) Determine as tensões principais? Tensões principais, média e desviatória • Entre as tensões normais, a maior tensão que atua no elemento é representado por σ1, a mínima tensão representada por σ3, e para o estado tridimensional de tensão temos a tensão intermediaria, representada por σ2. • Da mesma forma que existem os planos principais de tensões, também existem planos em que a tensão cisalhante é máxima. • É importante lembrar que geralmente existe tensão normal no plano da tensão cisalhante máxima, e essa tensão é igual a tensão média (σmed). • As tensões normais são responsáveis pela variação de volume de um sólido. Já as tensões cisalhantes são responsáveis pela distorção (mudança de sua forma). Tensões média e desviatória • Um estado de tensão existente pode ser decomposto como a soma da tensão média e outro termo que é conhecido como tensão desviatória. • Pode-se observar que não existem tensões de cisalhamento no estado de tensão hidrostático; • As tensões de cisalhamento surgem quando as tensões principais são diferentes; • Um fluido sob compressão está em equilíbrio hidrostático; • Um fluído em repouso não pode transmitir tensões de cisalhamento. Exemplo 3 • A matriz a seguir define um estado bidimensional de tensão em um bloco de rocha. • a) Faça a representação do objeto no estado plano e determine as tensões principais? • b) Decomponha a matriz de tensão em uma parte hidrostática e uma parte desviatória? • Obs: as tensões são dadas em ksi. Círculo de Mohr de Tensões • O circulo de Mohr representa de forma gráfica todas as equações de transformação de tensão apresentadas anteriormente. • O círculo de Mohr é expresso por meio de um sistema de coordenadas em que as abscissas são tensões normais e as ordenadas são tensões cisalhantes. • A construção do círculo de Mohr pode ser feita facilmente, caso sejam conhecidas as duas tensões principais, já que as tensões cisalhantes são nulas. • Outra forma de construção do círculo de Mohr é quando se conhecem as tensões normais e de cisalhamento em dois planos quaisquer. Exemplo 4 • Sobre os 3 pares de faces de uma amostra cúbica de rocha com aresta de 100 mm são aplicadas forças normais e uniformes de 5 kN, 10 kN e 20 kN. Com base nas informações, determine: a) As tensões principais correspondentes e desenhe o círculo de Mohr correspondente? b) Qual é o valor da máxima tensão de cisalhamento atuante? c) Qual a orientação do plano sobre o qual a tensão de cisalhamento máxima atua? Exemplo 5 • Uma determinada formação rochosa encontra-se em um estado de tensão onde σx= 10000 psi, σy=7000 psi e τxy=5000 psi, determine através de equações e graficamente: a) As tensões principais e suas direções? b) As tensões σx’, σy’ e τx’y’? Tensões efetivas • Na mecânica clássica a tensão está associada a sólidos maciços, isto é, não porosos. • Os efeitos das tensões aplicadas são alterados pela presença de pressão de poros, que atua em todas as direções dentro da rocha, ajudando suportar ou aliviar as tensões aplicadas (poroelasticidade). • Terzaghi introduziu os princípios das tensões efetivas e Biot expandiu esta teoria considerando que a pressão de poros poderia afetar também a deformação das rochas. • O conceito de tensão efetiva é aplicado para todas as tensões normais e não pode ser estendido para tensões cisalhantes visto que fluido em repouso não transmite este tipo de tensão. Tensões efetivas Deformações e deslocamentos • A deformação de um corpo resulta em sua movimentação, a partir de uma configuração original, para uma nova configuração deformada, ocasionando uma mudança relativa dos pontos do corpo. • A deformação de um corpo envolve mudanças no seu formato, podendo ser alongado, comprimido ou sofrer distorções. • Em contraste à deformação, temos os movimentos de corpo rígido, que são apenas deslocamentos sem implicar qualquer alteração no formato do corpo. •Para o caso tridimensional de tensões, as deformações normais e cisalhantes estão relacionados a deslocamentos, a qual é chamada de relação deformação-deslocamento. Deformações e deslocamentos Ensaios de compressão Comportamento Tensão-Deformação Comportamento Tensão-Deformação Rochas frágeis e rochas dúcteis • O conceito de rochas frágeis e rochas dúcteis é bastante relativo. Rochas frágeis exibem pouca deformação plástica antes da ruptura. • O comportamento frágil geralmente é encontrado em granitos, arenitos cimentados e calcários. • Rochas dúcteis exibem substancial deformação plástica antes de se romperem, isto é, elas conseguem suportar um carregamento após alguma deformação. • O tipo de comportamento dúctil é encontrado em folhelhos, algumas margas, arenitos não cimentados e halita. • Deve-se lembrar que na comparação entre rochas frágeis e rochas dúcteis estamos abordando a deformação plástica da curva tensão- deformação. Logo, as rochas ditas frágeis podem apresentar limites elásticos e/ou tensões máximas maiores que rochas ditas dúcteis. Rochas frágeis e rochas dúcteis Teoria da elasticidade linear • Lei de Hooke: para um material com comportamento linear- elástico, existe uma relação linear entre tensão e deformação. • A deformação axial de uma amostra de rocha, reduzindo seu comprimento, causa uma deformação radial na amostra, aumentando seu diâmetro. Esta relação entre as duas deformações é dada pelo coeficiente de Poisson. • O coeficiente de Poisson mede a expansão lateral relativa a uma contração longitudinal, quantificando quanto uma tensão aplicada em uma direção é sentida na direção ortogonal a esta. • Um elemento bidimensional, sujeito a cisalhamento puro, sofrendo apenas variação em sua forma e não em suas dimensões, podemos descrever o seu comportamento pelas lei de Hooke para cisalhamento. Teoria da elasticidade linear Exemplo 6 • Para o gráfico σ x ε obtidos a partir de ensaios de compressão uniaxial em amostras de rocha, determine a resistência à compressão uniaxial (σC ), o módulo de elasticidade (E) e o coeficiente de Poisson (ν) e o módulo de cisalhamento (G).. Estimativa das constantes elásticas no campo • Assumindo a rocha como homogênea, isotrópica e elástica, as constantes E, G e ν podem ser estimadas no campo, de forma dinâmica, utilizando as velocidades compressional e cisalhante das ondas nas rochas. • Sabemos que as hipóteses de homogeneidade, isotropia e elasticidade linear são um pouco irreais, pois é pouco provável que as rochas tenham essas características. No entanto, a maioria dos estudos realizados tem por base essas hipóteses. • Uma consequência é que as propriedades calculadas de forma dinâmica possuem valores maiores que as propriedades elásticas estimadas de forma estática, principalmente em rochas fraturadas. Critérios de ruptura • A análise de ruptura de materiais rochosos é geralmente realizada comparando-se as tensões internas com a resistência do material. • Para a perfuração de um poço, o objetivo não á apenas determinar o estado de tensão atuando na rocha, mas sim determinar o estado de tensão que pode levar a falha da rocha. • Como visto anteriormente, um estado de tensões pode ser representado por sua tensões principais. • Há muitos critérios de ruptura para todos os tipos de materiais. No entanto, a escolha do critério de ruptura baseia- se na ductilidade ou fragilidade do material sob análise. Critérios de ruptura • Existem vários mecanismos que podem causar problemas de instabilidade do poço e em suas proximidades, tais como: Ruptura por tração, fazendo a formação se dividir; Ruptura por cisalhamento sem deformação plástica apreciável; Deformação plástica, que pode causar o colapso dos poros; Ruptura por fluência que pode causar o fechamento do poço durante a perfuração; Colapso dos poros ou ruptura ampla, que pode acontecer durante a produção. Falha de rochas • Pressão de colapso: é a pressão que leva a falha da rocha por cisalhamento, ou seja, sob tensões de compressão. A ruptura por cisalhamento poderá ocorrer tanto devido a um baixo peso de fluido de perfuração, levando a uma falha por colapso inferior, quanto devido a um peso de fluido excessivo, ocorrendo uma falha por colapso superior. • Pressão de fratura: é a pressão que leva a falha da rocha por tração. Da mesma forma que acontece para o colapso da formação, a fratura pode ocorrer tanto em função da utilização de um baixo peso de fluido de perfuração, levando a uma falha devido a fratura inferior, quanto por alto peso de fluido de perfuração, ocorrendo uma falha por fratura superior. Critério de Mohr-Coulomb • Um dos critérios de ruptura por cisalhamento devido a compressão mais utilizados na industria do petróleo é o chamado Critério de Mohr-Coulomb. • Ele é baseado no círculo de Mohr, utilizando círculos que descrevem estado de tensão onde a falha (ruptura) da rocha tenham ocorrido. • Os valores de tensão geralmente utilizados correspondem ao pico de tensão da curva tensão-deformação. • O Critério de Mohr-Coulomb é definido pela reta tangente que toca todos os círculos de Mohr. Estes representam combinações críticas das tensões principais obtidas nos ensaios de ruptura. Exemplo 7 • Os dados abaixo são os resultados do ensaio triaxial obtido a partir de amostras de rocha calcária de 500 ft abaixo do leito marinho, na região do Golfo Pérsico. Determine a envoltória de Mohr-Coulomb com as regiões estáveis e de ruptura. Exemplo 8 • Um poço estava sendo perfurado com um fluido de peso 11 lb/gal quando foi constatado aumento do torque e cascalhos desmoronados. O poço foi interrompido e um testemunho foi recolhido e enviado para teste em um laboratório de mecânica das rochas. Os resultados dos testes realizados estão apresentados na Tabela 1, contendo as máximas tensões atingidas para as diferentes tensões confinantes utilizadas. Sabendo que um peso de fluido de 11,5 lb/gal gera um estado de tensão de σ1= 3800 psi e σ3 = 760 psi e um peso de fluido de 12,5 lb/gal gera um estado de tensão de σ1= 4500 psi e σ3= 1500 psi. Indicar dentre os dois casos qual o peso do fluido para continuar a perfuração do poço? Determine também os parâmetros elásticos da rocha testada considerando os dados do teste uniaxial representado de forma detalhado na Tabela 2 (modulo de elasticidade, modulo de rigidez e coeficiente de poisson). Determine Co e So de forma gráfica e analítica e compare os resultados. Dados da amostra: Comprimento (L): 20 cm Diâmetro (d): 6 cm Exemplo 8 (Dados) Tabela 1 – Máximos valores de σ1 para as diferentes tensões confinantes utilizadas nos testes. Exemplo 8 (Dados) Tabela 2 – Resultado do teste uniaxial. Critério de ruptura de Von-Mises • Este critério foi introduzido por Von Mises (1913) e desde então tem sido utilizado como um dos critérios de ruptura mais confiáveis para materiais de engenharia. • Ele se baseia no segundo invariante desviatório e na tensão efetiva média. • No critério de cisalhamento de Von Mises, o segundo invariante desviatório é plotado contra a tensão média efetiva para várias cargas axiais σ1 e σ3. • A curva resultante define duas regiões, uma abaixo da curva, segura e estável, e a outra acima da curva, instável e de ruptura. Exemplo 9 • Os dados abaixo são os resultados do ensaio triaxial obtido a partir de amostras de rocha calcária de 500 ft abaixo do leito marinho, na região do Golfo Pérsico e supondo uma pressão de poros de0,7 ksi. Determine a região estável e a região de ruptura usando o critério de Von Mises? Ruptura por tração • Nas rochas podem ocorrer também falhas por tração que acontecem quando a tensão sobre uma amostra torna-se negativa e maior em valor absoluto que a resistência a tração da rocha. • Diferentemente dos ensaios de resistência a compressão, a resistência a tração em rochas é difícil de ser medida diretamente, pois as rochas apresentam baixos valores de resistência à tração. • O método mais comum para se estimar a resistência a tração das rochas é o Teste Brasileiro. Consiste em um método indireto onde se aplica uma carga de compressão sobre o eixo vertical de uma amostra de rocha de comprimento geralmente igual ou inferior ao seu diâmetro. • A resistência a tração da rocha é estimada a partir do pico do carregamento de compressão, e é ela que determina o critério de falha por tração. Ruptura por tração Ruptura por tração • Para o estabelecimento do critério de ruptura por tração também pode ser utilizado a teoria de Mohr-Coulomb por sua simplicidade. Creep (Deformação) • Até agora foi omitida qualquer referência sobre a variável tempo como um parâmetro que leva à deformação das rochas. • Uma das razões de dependência da tensão ou deformação com relação ao tempo é o comportamento viscoso das rochas. • A maioria das rochas exibe uma deformação instantânea e outra posterior quando sob carregamento, desta forma são chamadas visco-elásticas. • O efeito de creep é originado do comportamento visco- elástico das rochas, e pode ser definido como uma deformação dependente do tempo que pode ocorrer em materiais sob tensão constante. Creep (Deformação) • Existem três estágios de creep de acordo com a mudança no estado de tensão.
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