Conferencia 50 Aniversario Sociedad Venezolana de Geotecnia “Estado de la Práctica” en Honor a Gustavo Luís Pérez Guerra

Experiencias en Exploración Geotécnica Costa Afuera

en Venezuela

Parra Rosales, José German

GEOHIDRA Consultores C.A. Caracas, Venezuela

Email: jgparra@geohidra.com

RESUMEN

Aunque la geotecnia en aguas someras de las costas venezolanas tiene una larga historia, es sólo en los últimos años que se han acometido proyectos de exploración geotécnica en aguas con profundidades mayores a los 40 m, utilizando toma de muestras de pared delgada (nominalmente imperturbadas) y ensayos CPTU. Se describen alguna de las experiencias recientes en este tipo de exploración, las capacidades disponibles en el país y algunas consideraciones particulares que aplican a este tipo de trabajos.

1. INTRODUCCIÓN

El presente artículo incluye una breve descripción de algunos de los principales métodos de exploración geotécnica recientemente utilizados en la caracterización del fondo y subfondo marino en áreas de interés para el desarrollo de infraestructura de producción de hidrocarburos en las costas venezolanas.

Actualmente se encuentran en etapa de exploración o desarrollo varios bloques ubicados tanto en el Golfo de Venezuela, como al noreste y sureste de las aguas territoriales venezolanas, en los límites con Trinidad y Tobago. Las profundidades de agua en los sitios de interés varían entre 40 y 50 m (Golfo de Venezuela) hasta los 800 m (Plataforma Deltana). Dado el amplio intervalo de profundidades de agua, el tipo de infraestructura de perforación, producción y procesamiento que podría ser desarrollado varía entre plataformas fijas apoyadas en el fondo marino tipo jackets; estructuras de concreto estabilizadas por peso propio (concrete gravity based platforms), plataformas fijas flotantes ancladas al fondo marino o incluso equipos y cabezales de pozos directamente apoyados en el fondo marino. La Fig. 1 muestra una visualización del tipo de infraestructura típica para desarrollos en estos intervalos de profundidad.

La exploración geotécnica en aguas someras (profundidades de agua menores a unos 30 m) tiene una larga historia en el país, tal y como se evidencia al apreciar la infraestructura portuaria a lo largo de nuestras costas o la infraestructura de producción petrolera ubicada en el Lago de Maracaibo y desarrollada desde los años 20. La mayoría de los programas de investigación geotécnica ejecutados en esos casos se han hecho desde plataformas autoelevadizas apoyadas en el fondo (jackups, Fig. 2) o desde gabarras ancladas. Las máquinas de perforación y los sistemas de muestreo y ensayos in situ utilizados han sido los mismos que se emplean en trabajos en tierra

firme: en particular el uso del ensayo de penetración estándar (SPT) y la recuperación de muestras perturbadas. Que sea del conocimiento de los autores, sólo en contadas excepciones, y sólo desde plataformas fijas tipo jackup, se ha ejecutado la toma de muestras nominalmente imperturbadas tipo tubo empujado de pared delgada (Shelby) o el uso del ensayo de penetración de cono (CPTU). La ejecución de este tipo de muestreo o ensayos conlleva dificultades adicionales, las cuales junto con los métodos necesarios para resolverlas se exponen en las secciones siguientes.

Fig. 1. Visualización del tipo de infraestructura costa afuera para explotación de hidrocarburos

Fig. 2. Exploración geotécnica con equipo terrestre a bordo de un jackup, en aguas someras del

Golfo de Paria.

2. OBJETIVOS Y PARTICULARIDADES DE UNA EXPLORACIÓN GEOTÉCNICA PARA EL DESARROLLO DE INFRAESTRUCTURA

COSTA AFUERA El objetivo general de un programa de exploración geotécnica Costa Afuera es el mismo que el de una exploración en tierra firme, a saber la caracterización del perfil litológico con miras a la selección y diseño del tipo de fundación y la identificación y mitigación de riesgos de origen geológico o geotécnico que puedan poner en peligro la infraestructura a ser desarrollada.

A pesar de ellos existen varias particularidades que deben ser destacadas, entre ellas se pueden citar las siguientes:

-La plataforma de perforación, típicamente un barco especializado, está en constante movimiento debido a la acción del oleaje y el viento. Esto implica que, sin medidas especiales, es prácticamente imposible empujar a velocidad controlada un muestreador de pared delgada (Shelby) o un cono para ejecutar ensayo CPTU. Para el primer caso sería inaceptable un movimiento irregular o cíclico del muestreador. Para el caso del CPTU las normas internacionales [ISSMFE, 1989] exigen la penetración del cono a una velocidad controlada de 20 mm/s con una tolerancia del orden de 5 mm/s, independientemente del movimiento de la plataforma utilizada para la perforación.

-Los costos y tiempo de movilización de una embarcación geotécnica, junto con el equipo y personal especializado, hacen impráctico el complementar la información geotécnica adquirida con movilizaciones adicionales y posteriores al sitio. Ello implica que la exploración geotécnica debe ser cuidadosamente planificada para garantizar el uso eficiente de los recursos y que la información adquirida sea suficientemente exhaustiva. En la práctica todo esto trae como consecuencia la necesidad de tomar un número considerable de muestras de pared delgada (nominalmente inalteradas) y de ensayos in situ. En la práctica internacional [NORSOK, 2001] es muy poco común la ejecución del ensayo SPT, por su poca repetibilidad y por los problemas pérdida de energía a altas profundidades, por lo que prácticamente la totalidad de los ensayos in situ se basa en CPTU. En algunos casos se ejecuta alternativamente veleta de fondo. En Venezuela las experiencias recientes han estado centradas en el uso del CPTU.

-Uso extensivo de ensayos in situ para intentar compensar el efecto sobre las propiedades geomecánicas de la fuerte descarga que sufren las muestras de suelos finos al ser llevadas a superficie o la perturbación inevitable de las muestras granulares Esta descarga tiene dos componentes: la disminución del confinamiento efectivo (común a la exploración en tierra) y la disminución de la alta presión hidrostática. Si hay presencia de gas disuelto (de origen bio o termogénico) en el fluido de poros, la disminución brusca de la presión hidrostática puede causar burbujeo interno y expansión y daño a la muestra. Para el caso del Golfo de Paria se han observado expansiones de hasta un 15%. Como complemento a esta situación se han desarrollado métodos para diseño de fundaciones [Jardine, et al, 2005] que utilizan directamente las lecturas del CPTU sin ser necesaria la estimación de propiedades geomecánicas típicas.

-Son muy limitadas las posibilidades de intervención o mejoramiento del material de fundación, por lo que hay que seleccionar y diseñar las fundaciones con las propiedades del material in situ. Esto implica la necesidad de caracterizar cuidadosamente los primeros metros del fondo marino, típicamente constituidos por sedimentos arcillosos muy blandos o arenas sueltas, sobre los que deben apoyarse las fundaciones temporales de las plataformas o las fundaciones permanentes de los equipos submarinos (placas o cajones cilíndricos huecos).

-La exploración geotécnica debe ser complementada con levantamientos de geofísica marina de alta resolución. Estos levantamientos juegan un papel análogo a los levantamientos topográficos, las fotografías aéreas, los mapas geológicos y los levantamientos geológicos de superficie en la investigación terrestre. Dada su importancia y relevancia para la identificación de riesgos se describen brevemente en la próxima sección.

Con relación al alcance de una exploración geotécnica y a los objetivos específicos asociados a la infraestructura costa afuera, típicamente se han ejecutado estudios para los siguientes casos:

i) Caracterización del fondo y subfondo marino para el diseño de las fundaciones temporales tipo placa (mudmats, Fig. 3) de las plataformas fijas tipo jackets y para las fundaciones permanentes tipo pilote. Para el primer caso la penetración puede ser del orden de 3 a 7 m en arcillas blandas normalmente consolidadas. Para las fundaciones de pilotes hincados es común profundidades de hasta 110 m y diámetros de hasta 2.5 m. Las profundidades de exploración llegan típicamente a 120 m por debajo del fondo marino y en ocasiones hasta 200 m. El muestreo y los ensayos CPTU preferiblemente se hacen cada uno en una perforación, con separación entre ellas de unos 10 m. Típicamente en los primeros 50 m el muestreo y los ensayos son continuos, y a continuación espaciados a cada 3 a 5 m hasta el fondo de la perforación.

MUDMATSMUDMATS

Fig. 3. Fundaciones temporales de un jacket a punto de ser movilizado al sitio.

ii) Evaluación de las condiciones de anclaje y selección del tipo de anclas para unidades móviles flotantes de perforación o para unidades fijas de producción. En la selección del tipo de ancla y la predicción de su desempeño en la vida operativa de la instalación influyen no sólo las condiciones meteorológicas y oceanográficas sino también las condiciones geotécnicas del fondo marino. Un fondo de arcillas blandas requiere un tipo de ancla distinto a un fondo de arenas densas o con afloramientos de material bioclástico cementado [Le Tirant, Meunier, 1990].

iii) Evaluación de la penetración y estabilidad lateral de las patas de unidades de perforación tipo jackups. Estas unidades son ampliamente utilizadas en profundidades menores a 100 m. Según [HSE, 2004] más del 50% de los accidentes operacionales en estas unidades se deben a problemas asociados con las condiciones geotécnicas en los sitios de apoyo de las fundaciones de patas. Estas fundaciones (spudcans) tienen diámetros de entre 10 y 15 m y pueden ejercer presiones de contacto típicas del orden de 400 a 500 KPa. Entre los problemas de índole geotécnica se tienen: punzonado de estratos de arenas que suprayacen estratos de arcillas de menor resistencia, deslizamiento lateral o falla de capacidad portante en caso de acciones extremas por tormentas, penetración excesiva y dificultades de desmovilización en perfiles profundos de arcilla blanda. Para estos casos el alcance de la exploración debiera incluir al menos dos perforaciones en los sitios estimados de ubicación de las patas, y en ocasiones tres o cuatro perforaciones, de al menos 50 m de profundidad, con muestreo y ensayo CPTU continuo.

iv) Evaluación de la interacción tubería-suelo para gasoductos y oleoductos e identificación de los riesgos geológicos y geotécnicos a lo largo del trazado. Las tuberías para el transporte de gas o petróleo son un componente vital de los sistemas de producción. Estas tuberías están sujetas a la acción conjunta del flujo presurizado, cambios de temperatura y acciones hidrodinámicas por

las corrientes, las cuales en conjunto producen movimientos laterales y axiales que son en parte resistidos por la interacción mecánica con el fondo marino. Adicionalmente las tuberías están sujetas a los riesgos geológicos descritos en el punto siguiente. Para estos casos típicamente se especifica una exploración de profundidad somera, de al menos unos 10 m de profundidad, cada 1 Km o en cada sitio de cambio significativo de litología o identificación de un rasgo geológico de interés.

v) Identificación y mitigación o prevención de riesgos geológicos y geotécnicos. En muchos sitios el fondo marino dista mucho de ser una superficie plana y sin rasgos de interés. Tal y como se indica en la Fig. 4, en varias zonas de las costas venezolanas se conjugan variables geológicas y geotécnicas tales como altas tasa de sedimentación, emanaciones de gas bio y termogénico, tectónica activa y alta amenaza sísmica, y morfología abrupta del fondo para dar lugar a diversas amenazas geológicas y geotécnicas tales como: deslizamientos submarinos, volcanes de lodo y gas, pockmarcks o depresiones debidas a escapes de gas, gas somero presurizado, licuefacción de estratos de material granular suelto, afloramientos de material bioclástico calcáreo, estratos someros subconsolidados, fallas activas, etc. En la Fig 5 se muestra un ejemplo de un volcán de lodo de 70 m de alto identificado al sureste de las aguas territoriales venezolanas. La exploración geotécnica, junto con los levantamientos geofísicos de alta resolución, son las principales fuentes de información para identificar estos riesgos, cuantificar su peligrosidad (de ser posible probabilísticamente), y diseñar medidas de prevención o mitigación, como por ejemplo relocalizando instalaciones o rutas de tubería o diseñando componentes para que resistan acciones extremas tales como deslizamientos.

Tsunami

Gas somero, Hidratos

Volcanes Lodo

Zonas sobrepresurizadas

Flujo detritos

Diapirismo

Reventonest

τ

Deslizamientos

fondo

Escapes gas, pockmarks

Oleaje

Sismos

t

τ

Tsunami

Gas somero, Hidratos

Volcanes Lodo

Zonas sobrepresurizadas

Flujo detritosFlujo detritos

Diapirismo

Reventonest

τ

Deslizamientos

fondoDeslizamientos

fondo

Escapes gas, pockmarks

Oleaje

Sismos

t

τ

Fig 4. Visualización de Geohazards (cortesía Instituto Geotécnico Noruego). Fig. 5. Volcán de lodo identificado al sureste de las aguas territoriales venezolanas.

3. LEVANTAMIENTOS GEOFÍSICOS MARINOS DE ALTA RESOLUCIÓN

Tal y como se mencionó en la sección anterior, la exploración geotécnica costa afuera es complementada con levantamientos de geofísica marina de reflexión de alta resolución. Estos levantamientos juegan un papel análogo a los levantamientos topográficos, las fotografías aéreas, los mapas geológicos y los levantamientos geológicos de superficie en la investigación terrestre. El principio básico de la adquisición de información geofísica se basa en la emisión, por una

fuente de ondas acústicas, de pulsos de presión desde una fuente conectada al casco de una embarcación o remolcada a cierta distancia de ésta. Las ondas de compresión (ondas P) viajan en el agua y son reflejadas tanto por el fondo marino como por cualquier interfase que presente un cambio de impedancia acústica. Estas reflexiones son recogidas por uno (sistema monocanal) o varios (sistemas multicanal) hidrófonos remolcados por la embarcación. Los registros de estas reflexiones, convenientemente procesados, son presentados en forma de un perfil acústico En la Fig. 6 se muestra una configuración típica para este tipo de adquisición que ha sido utilizada en numerosas ocasiones en aguas territoriales venezolanas.

Los levantamientos geofísicos de alta resolución permiten estudiar la morfología del fondo marino, establecer la continuidad lateral de los estratos identificados en la exploración geotécnica, apoyar en la selección de los sitios de implantación de la infraestructura costa afuera e identificar riesgos de origen geológico y geotécnico (geohazards).

Dependiendo de la frecuencia predominante en el pulso de presión generado por la fuente se distinguen varios tipos de sistemas [MMS, 1998]:

i) Sistemas de visualización del fondo marino: constituidos por las ecosondas monohaz y multihaz, las cuales operan en frecuencias entre 30 y 130 KHz y permiten obtener la batimetría del fondo marino. Los sistemas multihaz tienen resoluciones verticales y horizontales del orden de decímetros y permiten apreciar con mucho detalle rasgos morfológicos del fondo marino. Adicionalmente, se cuentan entre estos sistemas los sonares de barrido lateral (side scan sonars) los cuales proporcionan una “imagen” acústica de la reflectividad del fondo marino. Operan en una banda de frecuencias entre 100 y 500 KHz y normalmente no tienen una penetración mayor a unos pocos centímetros. La reflectividad en conjunto con muestras del fondo marino permite apreciar cambios litológicos de la superficie del fondo, afloramientos y rasgos morfológicos.

ii) Sistemas de penetración somera: las fuentes operan en frecuencias entre 2-16 KHz lo cual proporciona una resolución vertical entre 0.3 a 1 m. La penetración es del orden de 10 m. Ejemplo de estos sistemas son las fuentes tipo pinger. En al Fig. 7 se muestra un ejemplo de datos interpretados a partir del pinger.

iii) Sistemas de penetración intermedia: las fuentes operan en frecuencias entre 0.5 a 1.5 KHz, con una resolución vertical entre 1 y 5 m. La penetración es del orden de 100 m, aunque depende de los contrastes de impedancia acústica de los estratos. Ejemplo de estos sistemas son las fuentes tipo boomer o sparker.

Fig. 6 Configuración típica de adquisición de geofísica de alta resolución.

Fig. 7. Mapa isópaco del espesor de arcilla muy blanda que suprayace a un estrato de arena, obtenido a partir de pinger (penetrador somero). Golfo de Venezuela (Geohidra/Incostas)

iv) Sistemas de penetración profunda con adquisición multicanal: las fuentes, típicamente cañones de aire, operan en frecuencias entre 50 y 200 HZ, con resolución vertical entre 5 y 30 m y penetraciones del orden de 1 km. Se utilizan principalmente para identificar estructuras geológicas y riesgos para la perforación de explotación de hidrocarburos.

4. MÉTODOS DE EXPLORACIÓN GEOTÉCNICA

Siguiendo lo establecido por las Normas Noruegas [NORSOK, 2001], los métodos de exploración geotécnica utilizados en recientes campañas en las costas venezolanas pueden clasificarse de acuerdo con lo presentado en la Tabla 1.

Tabla 1. Métodos de exploración geotécnica aplicados en aguas venezolanas para proyectos de explotación de hidrocarburos

Desde el fondo marino, sin perforar

Desde el fondo de una perforación entubada

Muestreo Dardo gravitacional

Dardo gravitacional con pistón

Muestreador de pared delgada de 75*1000 mm, empujado, con o sin pistón

Muestreador de pared delgada de 75*1000 mm, hincado con martillo wireline

Muestreador de tubo doble de 50*1500 mm, rotado para recuperación de núcleo

Ensayos in situ Unidad CPTU submarina semi autónoma. Posibilidad de hinca de Barra-T o esfera

Unidad CPTU wireline acoplada al fondo de la tubería, tipo Wison APV.

Unidad CPTU sísmica, con dos geófonos para ensayo tipo downhole con martillo submarino en fondo marino

4.1 Exploración desde el fondo marino, sin perforar

4.1.1 Muestreo con dardo gravitacional

El muestro con dardo gravitacional se ha hecho en trabajos de caracterización geotécnica somera, para estudios de tendido de tuberías y cables submarinos. El muestreador es muy sencillo y consiste en un peso conectado a una tubería que aloja un liner o muestreador. En la parte superior se acoplan unas aletas para garantizar la caída vertical del dardo. En el extremo superior del liner se ubica una válvula que permite salida del agua mientras el muestreador penetra en el suelo, pero que se cierra una vez termina el muestreo y comienza la recuperación del dardo, minimizando la pérdida de muestra en el viaje hacia la superficie.

Este tipo de muestreador aunque útil y relativamente sencillo de operar tiene varias desventajas. Entre ellas: i) es difícil controlar la velocidad de caída por lo que dependiendo del dispositivo utilizado para bajar el muestreador éste puede entrar a una velocidad mayor a la deseada y desplazar en lugar de muestrear los materiales blandos; ii) la fricción dentro del liner durante la hinca puede producir perturbación considerable a la muestra, principalmente la compresión excesiva de muestras de material blando.

A fin de solventar algunas de estas desventajas se han desarrollado dardos gravitacionales con sistemas de disparador y pistón fijo (Fig. 8). Estos dardos tienen liners de entre 75 y 100 mm de diámetro, peso de hasta 2500 kg y longitudes de hasta 10 m (en el Golfo de Paria en aguas trinitarias se ha probado con longitudes de hasta 15 m, internacionalmente hasta 50 m). El mecanismo disparador garantiza la caída desde una altura predefinida del dardo, permitiendo ajustar la energía de hinca de un modo aproximado y adaptado a la naturaleza del fondo. El mecanismo de pistón fijo crea una succión en el tope de la muestra, mientras avanza el liner, que resulta en una disminución neta de la fricción entre el liner y la muestra, lo cual minimiza la perturbación por compresión. En la Fig. 8 se indica un esquema del muestreador y en la Fig. 9 el

esquema de su operación. Adicionalmente se acopla un dispositivo de localización acústica (tipo USBL) que permite la localización de la posición final del dardo con relación a un receptor fijo al casco de la embarcación.

Los liners con muestras recuperadas se cortan en secciones manejables (de 1 a 2 m) para su posterior evaluación.

Fig. 8. Esquema de un Dardo gravitacional con pistón. Fig 9. Proceso de recuperación de muestra (http://www.mnhn.fr)

4.1.2 Ensayo in situ con unidad submarina de CPTU

El principal método de ensayo in situ de los suelos del fondo marino es el ensayo de penetración de cono [NORSOK 2001, ISSMFE 1989]. Básicamente, la prueba consiste en medir la resistencia a la penetración de un cono estándar de 10 cm2 de área de base y 60º de ángulo en el vértice, el cual penetra a una velocidad constante de 20 mm/s. Adicionalmente, se mide la presión de poros generada durante la penetración y la resistencia a la fricción a lo largo de un tramo de camisa de 15000 mm2 de área e igual diámetro que el cono, ubicado por encima de la pieza cónica.

Las unidades submarinas autocontenidas consisten en una estructura abierta que contiene en su interior un sistema de motores eléctricos o hidráulicos que empujan pares de ruedas diametralmente opuestas contra la barra que tiene el cono conectado en su extremo inferior. Estas ruedas al girar, por fricción, empujan la barra para que penetre el suelo sobre el que apoya la unidad. La velocidad de giro es controlada para garantizar la velocidad de penetración de 20 mm/s. La instrumentación del cono mide la penetración, la resistencia de fricción, la resistencia de penetración de la punta, la presión de poros y la inclinación en dos planos verticales ortogonales. Tanto la energía eléctrica que activa los motores como las señales con los datos registrados son transmitidos en tiempo real a la cubierta del buque vía un cable umbilical.

La máxima longitud de barra utilizada en las costas venezolanas ha sido de 10 m, aunque a nivel internacional se han utilizado exitosamente hasta 50 m de barra. El máximo empuje es típicamente entre 40 y 100 KN y el peso mínimo de la unidad de unos 2500 kgf (sumergido). Para lograr mayores empujes es necesario colocar contrapesos para proveer la reacción necesaria.

La unidad se baja al fondo marino por medio de un winche, preferiblemente autocompensado, el cual permite mantener una tensión constante en la línea de bajada e izamiento, independiente del movimiento vertical del buque. Aunque es posible la utilización de grúas de suficiente capacidad, es preferible desplazar la unidad en la popa, hacia el mar, por medio de un pórtico en A que gira alrededor de un eje horizontal por su base y permite trasladar la unidad desde cubierta hasta el agua a una distancia razonablemente alejada del borde del barco y mantenerse en esa posición mientras se baja el equipo. Adicionalmente, se instala en la unidad un sistema de localización acústica para determinar con precisión la posición relativa del equipo en el fondo marino con relación al barco. Al ser la conexión entre la unidad y el buque muy flexible, las tolerancias en el posicionamiento del barco alrededor del punto en el que se ubica el equipo son relativamente altas, del orden de hasta 20% de la profundidad en aguas someras. La máxima profundidad de operación del equipo es de 2500 m, aunque normalmente la limitación viene dada por la capacidad de los winches. En la Fig. 10 se muestra la unidad tipo Roson manufacturada por la casa AP Van den Berg, la cual ha sido utilizada exitosamente en el Golfo de Paria, adyacente al pórtico “A” utilizado para su colocación. En la Fig. 11 se muestra un ejemplo de registro obtenido.

Fig. 10. Unidad de CPTU submarino tipo Roson APV. Fig. 11. Registro en arcilla blanda

En fondos marinos arcillosos muy blandos la unidad de CPTU submarina permite una rápida caracterización del material. Es posible adicionar otro tipo de penetradores, tales como la barra T o la esfera (Fig. 12), los cuales tienen ventajas sobre el cono en este tipo de materiales, a saber son más precisas, menos sensibles a la corrección por presión de poros y confinamiento total y, al ser simétricas con respecto a un plano horizontal, permiten realizar ensayos de remoldeo cíclico in situ. Por el contrario, debido a la limitada capacidad de empuje, su uso es limitado en fondos arenosos más densos.

Fig 12. Penetradores adaptables a la unidad CPTU submarina.

4.2 Exploración desde el fondo de una perforación

Para el caso de exploración geotécnica a mayores profundidades por debajo del fondo marino, tales como las necesarias para el diseño de fundaciones sobre pilotes de plataformas fijas, o para la evaluación de geohazards asociados a las secciones someras de la perforación de hidrocarburos, es necesario caracterizar al menos 100 m del subfondo y en ocasiones hasta 200 m. En estos casos se hace necesario el muestreo y ensayos in situ desde el fondo de una perforación geotécnica.

La perforación geotécnica se efectúa desde una embarcación especialmente acondicionada para tal fin. Entre las características que debe poseer la embarcación se tienen:

i) Capacidad de mantener la posición en el punto explorado y durante toda la operación de perforación. Debido a la presencia de la tubería de perforación, las tolerancias en el posicionamiento son relativamente estrictas, entre 5 y 10% de la profundidad de agua. Se utilizan para ello uno de dos sistemas: anclaje en cuatro o más puntos, apropiado para profundidades de agua menores que 200 m; y posicionamiento dinámico por medio de motores laterales y sistema de control automático, con los que internacionalmente se ha perforado hasta 3000 m de profundidad. En todos los casos debe contarse con un sistema de posicionamiento basado en GPS diferencial en tiempo real.

ii) Espacio suficiente en cubierta para acomodar la máquina de perforación, los tanques de lodo, los estantes con tubería de perforación, los sistemas de compensación, las muestras recuperadas y los equipos auxiliares necesarios tales como generadores, tanques auxiliares de aire comprimido, etc.

iii) Moonpool de suficiente tamaño para poder bajar el sistema de contrapeso y otros equipos especiales desde la cubierta hasta el fondo (el moonpool es una abertura estanca desde la cubierta y a través del puntal de la embarcación, típicamente de 2*2 m).

iv) Laboratorio geotécnico para ejecutar clasificación preliminar de las muestras y algunos ensayos básicos de resistencia, tales como penetrómetro, veleta de mano o motorizada y triaxiales no consolidados no drenados (UU).

v) Alojamiento suficiente para al menos dos equipos de trabajo técnico, ya que debido al costo de los equipos movilizados la operación es de 24 horas continuas

Con relación a la máquina de perforación, sus características no difieren en mucho de las utilizadas en tierra para perforaciones de gran profundidad. La máquina debe tener una capacidad de izamiento suficiente para soportar al menos 200 m de tubería API 5 ½” y suficiente redundancia en sus componentes mecánicos. El torque se suministra a la tubería mediante una barra kelly (barra de sección cuadrada o hexagonal que atraviesa la mesa rotaria) o mediante un top drive (motor conectado directamente al tope de la tubería), a fin de permitir el desplazamiento axial de la tubería durante la perforación. La torre de perforación debe tener altura suficiente para permitir la inserción en el tope de la tubería de perforación de las herramientas de muestreo y ensayos in situ. Se recomienda que esta altura no sea menor a 20 m. Adicionalmente la torre debe tener rigidez suficiente para resistir, sin deformaciones laterales excesivas, el movimiento lateral causado por el giro alrededor del eje longitudinal del buque.

En la Fig 13 se muestra el buque geotécnico Native Spirit utilizado en la exploración geotécnica en aguas del Norte de Paria y Golfo de Venezuela, con el cual se han realizado perforaciones de hasta 120 m por debajo del fondo marino en profundidades de agua de hasta 140 m.

Fig. 13 Buque Geotécnico Native Spirit

4.2.1 Herramienta para el muestreo y ensayos in situ desde el fondo de una perforación

Del conjunto de herramientas que se puede utilizar desde un barco geotécnico, a continuación se describen aquellas utilizadas para tomar muestras empujadas en tubo de pared delgada o registros CPTU, por ser las que presentan mayores diferencias con los equipos comúnmente utilizados en tierra.

Para maximizar la eficiencia de los trabajos se utiliza para muestrear y ejecutar el ensayo CPTU una herramienta hidráulica wireline. El término implica que la herramienta es bajada por dentro de la tubería de perforación por medio de un cable umbilical el cual tiene resistencia suficiente para soportar el peso de la herramienta y además transmite la potencia hidráulica y los datos registrados por la unidad CPTU. En el fondo de la tubería de perforación, justo antes de la mecha, está acoplado un tramo especial (bottom hole assembly) que recibe a la herramienta, lográndose un acople muy resistente. Desde la superficie, vía cable umbilical, la potencia hidráulica es transmitida a la herramienta, accionándose un mecanismo que empuja al muestreador de pared delgada con pistón fijo (conceptualmente similar al descrito para los dardos gravitacionales) o a la unidad CPTU. Al terminar la penetración se activa el mecanismo de desacople y se iza la herramienta hasta la cubierta del barco. En el Buque Native Spirit se

cuenta con un sistema Wison APV manufacturado por la casa AP Van den Berg. La capacidad de empuje de la herramienta es de 100 KN para un recorrido de 1 m al empujar el muestreador de pared delgada de 75 mm de diámetro interno, o 50 KN para un recorrido de 3 m al empujar el cono. La longitud de la herramienta totalmente desplegada es de aproximadamente 9 m. La información registrada es verificada en tiempo real en cubierta. En la Fig 14 se muestra un croquis de la herramienta y en la Fig 15 una vista de la misma almacenada en posición horizontal.

Fig. 14. Esquema de una herramienta wireline Wison APV para toma de muestras de pared delgada o registros de CPTU.

EL movimiento permanente de la embarcación por la acción del oleaje trae como consecuencia dos problemas importantes durante las operaciones de perforación y muestreo: en primer lugar la componente vertical del movimiento hace que sea prácticamente imposible empujar a velocidad controlada un muestreador de pared delgada o un cono para ejecutar ensayo CPTU sin tomar medidas especiales. Para el primer caso sería inaceptable un movimiento irregular o cíclico del muestreador. Para el caso del CPTU las normas internacionales (ISSMFE, Swedish) exigen la penetración del cono a una velocidad controlada de 20 mm/s con una tolerancia del orden de 5 mm/s, independientemente del movimiento de la plataforma utilizada para la perforación. En segundo lugar, la tubería de perforación no tiene ni el peso ni la rigidez suficiente para soportar, sin pandear, la fuerza vertical hacia arriba que ejerce sobre ella, en su extremo inferior, el mecanismo que empuja el muestreador y el cono. Aunque el tramo de tubería que está dentro del suelo por debajo del fondo está razonablemente arriostrado por el suelo, el tramo entre la

Fig 15. Vista de la herramienta wireline Wison APV almacenada en posición horizontal.

cubierta y el fondo está libre y, para profundidades mayores que unas pocas decenas de metros, pandearía muy fácilmente.

La solución a ambos problemas normalmente requiere la fijación o inmovilización de la tubería con relación al fondo marino. Esto se logra bajando, antes de la tubería de perforación, un contrapeso dotado de mordazas. Una vez que el contrapeso se estabiliza en el fondo la tubería se pasa a través de él. A continuación se activan las mordazas del contrapeso y de esta manera se inmoviliza la tubería. El contrapeso debe tener peso suficiente para resistir la reacción creada por la herramienta wireline de muestreo, pero no tanto como para perturbar significativamente los primeros metros del fondo que deben ser caracterizados cuidadosamente. La Fig. 16 indica conceptualmente el propósito del contrapeso.

En general, la tubería no tiene peso ni rigidez suficiente para resistir el empuje de la herramienta

Contrapesocon mordazas

Tensión sobre el tope de la tubería

Reacción de la herramienta

En general, la tubería no tiene peso ni rigidez suficiente para resistir el empuje de la herramienta

Contrapesocon mordazas

Tensión sobre el tope de la tubería

Reacción de la herramienta

Fig.. 16. Contrapeso submarino para inmovilización de la tubería de perforación.

El contrapeso por sí sólo no resuelve el problema, ya que al estar la tubería inmovilizada todavía es posible el pandeo del tramo por encima del fondo marino, por la acción combinada de su peso propio y de las cargas laterales creadas por las corrientes submarinas. La solución a este inconveniente adicional se basa en la aplicación de una fuerza axial de tensión, en el tope de la tubería por medio de un sistema de compensación de movimiento vertical, o como también se le conoce, un sistema de tensado de línea, Fig 17 [Clark, W. 1976].

El sistema de compensación aplica una tensión prácticamente constante en el tope de la tubería inmovilizada, independientemente del movimiento vertical de la embarcación, por medio de un mecanismo que consiste básicamente en un pistón dentro de un cilindro de aire comprimido con una relación de volumen y presión de trabajo que garantiza una fuerza total sobre el pistón prácticamente constante independiente de su movimiento axial. Este mecanismo se conecta al extremo muerto de la línea que iza la tubería de perforación. Una vez que se tiene a la tubería inmovilizada y razonablemente tensa por encima del contrapeso se procede a bajar la herramienta para efectuar el muestreo o el ensayo CPTU. Al terminar éste, la herramienta se desacopla y retira, se liberan las mordazas y se avanza la perforación, para luego repertir el ciclo. El sistema de compensación puede activarse durante la perforación, ya que el torque es aplicado a la tubería vía un kelly o top drive, y ambos permiten la traslación axial de la torre de perforación relativa a la tubería.

Fig. 17. Sistema de compensación de movimiento vertical o de tensión de línea

En la Fig 18 se indica una vista esquemática del sistema completo. En la embarcación Native Spirit la capacidad de compensación es de 3 m de recorrido vertical. La variación de la carga axial es menor al 3% y la capacidad de tensión de hasta 16 ton.

Fig. 18. Esquema del sistema de perforación, contrapeso y compensación de movimiento vertical

En la Fig. 19 se muestra un ejemplo de registro CPTU. En estos casos el registro de CPTU consta de varios segmentos de 3 m, los cuales deben ser corregidos y referidos a una profundidad común, normalmente la del fondo marino. Los primeros decímetros de los registros inevitablemente reflejan el comportamiento del material perturbado por el proceso de perforación por lo que deben ser eliminados.

Adicionalmente a la toma de muestras de pared delgada o del ensayo CPTU, en ocasiones se ha utilizado el sistema de hinca de muestras de pared delgada o gruesa por medio de un martillo wireline. En estos casos el martillo se baja con una guaya y se acopla al fondo de la tubería. El martillo tiene 175 lbs de peso y una caída aproximada de 60 pulgadas. Aunque es posible utilizar el número de golpes y la penetración del muestreador como un indicativo cualitativo de la

resistencia de materiales arcillosos o de la densidad relativa de materiales granulares, existe poca literatura técnica pública con las correlaciones necesarias.

Fig. 19. Ejemplo de registro CPTU obtenido con herramienta wireline (el registro es la unión de los registros individuales adquiridos a lo largo de la perforación)

Martillo submarino

Geófonos

Martillo submarino

Geófonos

Fig. 20 Esquema del ensayo CPTU sísmico y martillo submarino.

Por último, se ha puesto a punto un sistema de ejecución de ensayo CPTU sísmico para ejecutar ensayos tipo downhole. El objetivo de estos ensayos es estimar por mediciones directas el perfil de velocidad de propagación vertical de ondas de corte polarizadas horizontalmente (SH). Para ello la unidad CPTU tiene, además de los sensores normales de fricción, punta y presión de poros, un par de geófonos biaxiales separados verticalmente un metro, los cuales miden la velocidad horizontal en dos direcciones horizontales ortogonales. La fuente de la señal sísmica es un martillo submarino que se baja al fondo marino y que, al ser activado, libera una masa que

golpea en dirección horizontal una placa. El golpe puede darse en dos sentidos opuestos (perpendiculares al plano del dibujo en la Fig. 20), lo cual facilita la interpretación de la llegada de las ondas SH a los geófonos. A partir de la diferencia de tiempo en la llegada de las ondas puede estimarse la velocidad de propagación entre los dos geófonos. Esta información es necesaria para la caracterización de la respuesta dinámica de los estratos en el régimen de deformaciones cortantes pequeñas y constituye la base para estimar espectros de respuesta sísmica del sitio a partir del análisis de la propagación vertical del movimiento sísmico. En la Fig. 20 se muestra el esquema general del ensayo y una fotografía del martillo submarino.

5. CONCLUSIONES

La exploración geotécnica Costa Afuera en Venezuela, en aguas con profundidades mayores a los 30 m, ha tenido avances recientes que se consideran significativos. Actualmente se cuenta con capacidades nacionales para ejecutar toma de muestras de pared delgada (nominalmente imperturbadas), ensayos CPTU y CPTU sísmico desde una embarcación, en profundidades de agua de hasta 200 m y hasta 200 m por debajo del fondo marino. Adicionalmente, es posible ejecutar ensayos tipo CPTU de hasta 10 m de penetración, a mucho mayores profundidades, con unidades submarinas semi autónomas activadas desde la cubierta de un buque. Esto permite cumplir con las demandas de caracterización geotécnica que requieren los proyectos de desarrollo de infraestructura costa afuera para explotación de hidrocarburos en las aguas territoriales venezolanas.

6. AGRADECIMIENTOS El autor desea agradecer a la Directiva de Geohidra Consultores y a los profesionales de la División de Geociencias, en particular a los Ings. Leumman Dos Santos, Pilar Barroeta, Jose Sgambatti, Adriana Gonzalez, Carla Serrano y Nelly Vieira por su colaboración en la recopilación de información para este artículo.

REFERENCIAS

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Clark, W. Tensioning Systems in The Technology of Offshore Drilling, Completion and Production. Ed. The petroleum publishing company, 1976.