EVOLUÇÃO DAS PROPRIEDADES
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- Malu Cesário Santana
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1 EVOLUÇÃO DAS PROPRIEDADES ELÁSTICAS DE ROCHAS RESERVATÓRIO COM ESTADOS DE TENSÃO IN SITU Projecto de Engenharia de Petróleos 1º Semestre 2014 Marco Marques (Aluno n.º 74778)
2 ÍNDICE Introdução Objectivos Comportamento mecânico dos materiais rochosos Ensaio Triaxial Ensaios ultra-sons Bender Elements Proposta planeamento do trabalho 1 Bibliografia Inicial
3 INTRODUÇÃO Uma das evoluções mais aguardadas para as metodologias de inversão sísmica é a integração do comportamento geomecânico dos materiais, nomeadamente: A variação das suas propriedades elásticas (Módulo de Young e coeficiente de Poisson); Porosidade; Permeabilidade; Medição de ondas volumétricas (S e P). Na generalidade dos casos não é possível determinar com precisão a deformabilidade ou a resistência de um maciço a partir de ensaios em laboratório, isto porque, os provetes não são representativos dos maciços devido às suas dimensões, contudo segundo (Resende, 2003) à medida que aumenta a profundidade o peso próprio do maciço sobrejacente provoca o fecho das fissuras, fazendo com que a deformabilidade do maciço tenda para a da rocha. 2
4 OBJECTIVOS: O objectivo pretendido alcançar com a realização desta dissertação é o seguinte: Indução nas amostras rochosas estados de tensão e saturação semelhantes aos encontrados nos reservatórios e nessas condições caracterizar a resposta dinâmica elástica das amostras. Ambiciona-se assim definir leis de comportamento geomecânico que possam informar os modelos de inversão sísmica, tornando as suas respostas mais realistas e para tal propõe-se efectuar as seguintes medições: Medição de propriedades mecânicas dos provetes, tais como módulo de Young (E) e coeficiente de Poisson (ν); Desenvolver um procedimento experimental que torne possível medir ondas P e S longo do provete no interior da câmara triaxial através de ensaios de ultra-sons com montagens de transdutores piezoeléctricos ou bender elements, 3
5 COMPORTAMENTO MATERIAIS ROCHOSOS: Um corpo sob a acção de solicitações eternas, sofre deformações, que apresentam comportamentos mecânicos distintos. Podem ser recuperáveis, isto é, quando os esforços que provocaram a deformação são retirados, o corpo retoma a sua forma e posição original (deformação elástica) em que segundo elasticidade linear, o esforço será proporcional à deformação σ = E ε. A partir do ponto 3 a aproximação elástica linear deixa de ser válida, a deformação é parcialmente restituída, permanecendo ainda uma deformação (denominada plástica). Se a carga é reaplicada neste mesmo corpo, verifica-se um novo padrão, onde o limite de elasticidade é a maior e nesse caso diz-se que houve endurecimento do material. Alguns materiais têm a capacidade de se deformar elasticamente e esta tendência é caracterizada por um conjunto de módulos elásticos, de acordo com a forma como são medidos e segundo a direcção em que são medidos. 4
6 COMPORTAMENTO MATERIAIS ROCHOSOS: Seguidamente dá-se uma breve definição do que é o módulo de Young ou elasticidade e do coeficiente de Poisson. Módulo de Young: Caracteriza a rigidez de uma determinado corpo e é capacidade desse corpo resistir á compressão imposta pela compressão uniaxial. E = σ ZZ ε ZZ Coeficiente de Poisson: É um parâmetro adimensional que mede o rácio da expansão transversal de um corpo em relação á sua compressão longitudinal ν = ε xx ε ZZ 5
7 COMPORTAMENTO MATERIAIS ROCHOSOS: O Valor de (E; ν) podem também ser obtidos através da velocidade das ondas sísmicas propagadas no provete. Da teoria da elasticidade, sabemos que a v p está relacionada com o módulo de elasticidade pela seguinte relação: E s = ρ. v p Neste caso passa a ser designado por módulo dinâmico e não deve ser confundido com o módulo de elasticidade obtido através de testes de compressão estáticos. O valor de E s é um pouco superior do que o valor de E. Se tivermos o valor de V s é também possível obter-se o módulo de Poisson sísmico. ν s = 1 2 v s v p 2 1 v s v p 2 2 6
8 ENSAIO TRIAXIAL: Figura 1- Esquema tipo de uma câmara triaxial 7
9 ENSAIO TRIAXIAL: O principal objectivo do ensaio triaxial tradicional é: Determinação dos parâmetros de resistência de amostras de rochas; O nome triaxial quer dizer que se pretende controlar as três tensões principais (σ 1, σ 2 e σ 3) e que, portanto, se pode analisar um estado generalizado de tensões; No entanto, não são ensaios triaxiais no seu sentido real pois são efectuados em amostras cilíndricas e tiram partido da sua simetria radial, pelo que apenas se aplica uma tensão axial (corresponde à tensão principal σ 1 = σ a ) e uma tensão radial (tensões intermédias σ 2 = σ 3 = σ r ). 8
10 ENSAIO TRIAXIAL: Figura 2- Fotos câmara Triaxial LNEC A câmara triaxial existente no LNEC apenas trabalho com provetes de φ 51 mm ou de φ 54 mm de diâmetro com uma relação de 2,5*φ para a altura do provete. Nesta câmara triaxial apenas se conseguem medir deformações transversais nos provetes com os provetes de φ 54 mm. 9
11 ENSAIOS ULTRA SONS: Técnica de ensaio não destrutiva, cujas primeiras referências datam de 1877, quando Lord Rayleigh provou existir uma relação entre a velocidade de propagação de uma onda vibratória num dado corpo e o módulo de elasticidade do material atravessado. Técnica de ensaio baseada no princípio da propagação das ondas elásticas, segundo o qual a sua velocidade de propagação depende das propriedades elásticas do material. Esta velocidade é tanto maior quanto mais denso e rígido for o material, Através da variação da velocidade de propagação é possível detectar alterações nas características dos materiais ensaiados. Propagação das ondas ultra-sónicas faz-se a partir de pequenas deformações localizadas, a sua velocidade de propagação será tanto maior quanto maior for o módulo de elasticidade dinâmico (Bastos, 2003; Monte et al., 2007). 10
12 ENSAIOS ULTRA SONS: Factores que podem afectar os resultados: Constituição do material a ensaiar; Espessura do elemento a atravessar; Existência de descontinuidades, imperfeições, vazios e o seu estado. O ensaio consiste na colocação de dois transdutores piezoeléctricos em contacto com a superfície do material a avaliar e o transdutor emissor emite um impulso ultras sónico, que atravessa o material e é recebido pelo transdutor receptor. O tempo gasto neste percurso é medido e fornecido electronicamente pela unidade de medida central. 11
13 ENSAIOS ULTRA SONS: Figura 3- Esquema ensaio com ultra sons (método directo) 12
14 BENDER ELEMENTS (BE): São transdutores piezoeléctricos duplos utilizados para a propagação das ondas de corte, constituídos por duas placas cerâmicas finas envolvidas por uma resina epóxi rígida que simultaneamente as isola electricamente e protege do contacto directo com o material envolvente. As placas são ligadas a uma lâmina metálica central e a eléctrodos nas faces exteriores (Figura 4). 13 Figura 4- Pormenor (
15 BENDER ELEMENTS (BE): Têm a capacidade de se deformarem mecanicamente quando se introduz um potencial eléctrico, sendo simultaneamente gerado um potencial eléctrico durante essa deformação, propriedade esta que permite a sua utilização quer como receptores quer como geradores de ondas sísmicas. O procedimento de ensaio consiste em: Abrir uma pequena ranhura nas faces superior e inferior do provete e introduzir os BE; Ligar o transmissor a um gerador de funções que irá gerar uma onda polarizada, que por sua vez irá atravessar todo o provete que está a ser ensaiado até ao bender element receptor, que estará ligado a um equipamento próprio (osciloscópio ou computador) para desta forma medir o tempo que a onda demorou a atravessar o provete (Imagem 05) 14
16 BENDER ELEMENTS (BE): Figura 5 - Técnica dos BE (adaptada de Santos, 2010) 15
17 PROPOSTA PLANEAMENTO DO TRABALHO: Conclusão do estudo do estado da arte, incluindo recolha e análise de normas e procedimentos de ensaio triaxial em geomecânica e engenharia de reservatórios. Definição das condições de ensaio: escolha das amostras de rocha, fluidos para saturação, frequências de teste, definição de tensões de ensaio e plano de carga. Recolha de amostra de rocha e sua caracterização. Preparação e adaptação do equipamento de ensaio triaxial. Ensaios triaxiais. Análise de resultados. 16
18 BIBLIOGRAFIA INICIAL: Ferreira, A. (2011) - Aplicação da técnica dos bender elements em rochas. Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil, Universidade do Minho. Mavko, G., Mukerji, T., & Dvorkin, J. (2009). The Rock Physics HandBook - Tools for Seismic Analysis of Porous Media. Cambridge University Press. Djebbar Tiab Professor, Erle C. Donaldson. Petrophysics, Third Edition: Theory and Practice of Measuring Reservoir Rock and Fluid Transport D , Standard Test Method for Laboratory Determination of Pulse Velocities and Ultrasonic Elastic Constants of Rock H.Kolsky, Stress Waves in Solids Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. Vol.15, pp 53-58, Comission on Standardization of Laboratory And field tests 17
19 OBRIGADO PELA ATENÇÃO 18
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