Monitoreo Micro-sísmico de Pruebas de Hidro-fracturamiento en Macizo Rocoso, Belmonte A.

ASIEX 2008 Pucón, CHILE, 19 - 21 Noviembre 2008 1

Monitoreo Micro-Sísmico de Pruebas de Hidro-fracturamiento en Macizo Rocoso

Arturo Belmonte, Ph.D, Francisco Arévalo, Miguel Espinoza & Patricio Jorquiera

GeoBlast S.A. (ASP Blastronics / GeoE-Tech)

RESUMEN: Pre-acondicionar un macizo de roca implica realizar una intervención en ésta de tal forma de modificar sus propiedades físicas degradándolas para que la roca pueda ser extraída con facilidad. En otros términos, es transformar un macizo rocoso con características de primario en secundario. Se han desarrollado dos tecnologías de pre-acondicionamiento: Debilitamiento Dinámico con Explosivos (DDE) y Fracturamiento Hidráulico (FH). Ambas tecnologías introducen fracturas en la roca. El objetivo de aplicar estas técnicas es (a) aumentar la productividad a través del incremento y mejoramiento de la fragmentación y del flujo de material hacia puntos de extracción, (b) disminuir los costos actuales de producción, (c) reducir la frecuencia de bolones y colgaduras en zanjas de producción, (d) reducir la distribución granulométrica y (e) controlar y reducir el riesgo de oc urrencia de estallidos de roca.

1.- INTRODUCCIÓN

Un desafío que se han propuesto grandes compañías mineras, principalmente en Australia y Chile, es evaluar la incorporación de tecnologías de minería profunda y minería continua que se fundamentan principalmente en el pre-acondicionamiento del macizo rocoso. El objetivo es disminuir los costos asociados a la producción de mineral en roca primaria, explotada por medio del método de block caving, y a su vez, aumentar la tasa de dicha producción sin riesgo de desestabilizar la masa de roca al punto de dejar que ésta experimente fenómenos de inestabilidad tales como colgaduras y/o estallidos de roca.

Para cumplir con este objetivo, es necesario modificar la condición mecánica de la masa de roca. Una técnica aplicable consiste en degradar un volumen de macizo rocoso por medio de la generación, en forma controlada, de múltiples fracturas inyectando fluidos a alta presión en una sección aislada de una perforación tal que induzca un aumento local de los esfuerzos al punto de superar la resistencia efectiva de la roca, provocando e iniciando su fractura desde el punto de inyección. A esta tecnología se le denomina Fracturamiento Hidráulico (FH) y su objetivo se puede resumir como transformar una roca primaria en secundaria.

En este contexto, GeoBlast está desarrollando un proyecto de Innovación Empresarial Individual (CORFO-Innova) cuyo título es “Desarrollo de un Sistema de Monitoreo Microsísmico de Fracturas Hidráulicas”, que tiene como objetivo determinar con suficiente precisión la geometría de las fracturas hidráulicas. La inyección de agua a alta presión produce múltiples quiebres de la roca en el borde de crecimiento de una fractura y cada quiebre genera ondas sísmicas de alta frecuencia y baja energía, es decir cada quiebre constituye un evento sísmico que se conoce más bien como evento microsísmico por su pequeño tamaño. Estas ondas sísmicas se propagan por la roca y pueden ser detectadas por varios sensores en distintos puntos con lo que se puede determinar la localización del origen de evento microsísmico y por lo tanto también se determinan los puntos en los que se quiebra la roca y se extienden las fracturas.

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2.- HIDROFRACTURAMIENTO

En la década del 60 se comenzó a introducir la metodología del hidro-fracturamiento con el objeto de generar grietas en el macizo rocoso mediante la inyección de agua a muy alta presión (20-30 MPa). Esta tecnología tuvo su origen en la explotación petrolífera donde el objetivo era mejorar la recuperación del petróleo al aumentar la permeabilidad de la roca, y por tanto, el flujo de salida en los pozos cuando el petróleo se encuentra retenido en las capas de arenisca. Posteriormente, a fines de la década de los 90, se empezó a utilizar la tecnología del hidro-fracturamiento en la minería del carbón, y ahora también en las explotaciones subterráneas de cobre.

Su aplicación en minería subterránea responde a la necesidad de reducir los costos, mejorar la productividad y atenuar los riesgos involucrados en la explotación de mineral a través del método de block caving (método de hundimiento, Figura 1). Este último consiste en efectuar la extracción del material fragmentado desde la parte inferior del bloque, entre los niveles de hundimiento y producción, por medio de buzones (bateas o zanjas) y galerías de recepción del material. Así se espera que por efecto gravitacional se produzca el hundimiento paulatino del yacimiento a medida que el material va siendo extraído desde niveles inferiores. Originalmente el método de hundimiento fue aplicado a rocas de baja dureza y alta fragilidad sin presentar los problemas que actualmente se debe resolver al enfrentar rocas más competentes y duras.

Figura 1: El bosquejo muestra el Método de Block Caving o Hundimiento.

Para la aplicación exitosa del FH se requiere asegurar que la generación y propagación de fracturas, desde el punto de inyección, cubra el volumen de interés (Figura 2). Para esto es imperativo conocer tanto la geometría como el alcance máximo horizontal y vertical del fracturamiento; aunque puede no ser prioritario, será de interés también conocer la velocidad y magnitud del proceso de propagación. Aunque para esto existen técnicas de terreno como el reconocimiento de la intersección de las fracturas con perforaciones que las atraviesan, la precisión requerida ha llevado a proponer el uso del monitoreo micro-sísmico de las fracturas que se generan en la roca durante el proceso de quiebre a medida que avanza el plano de fractura hidráulica.

Avance Socavación

A Nivel de Acarreo

Nivel de Hundimiento

Nivel de Producción~15 m

~26 m

Batea

Pique de

Traspaso

CalleZanja

Galería

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Figura 2: Esquema muestra múltiples fracturas hidráulicas .

3.- MONITOREO MICRO-SÍSMICO

El concepto de micro-sismo está basado en la sismología de terremotos. De la misma forma que un temblor natural, un micro-sismo emite ondas elásticas (ondas compresionales P y de cizalle S) desde el punto donde se produce el rompimiento de roca (foco sísmico), pero a diferencia de un sismo tectónico cuya magnitud usualmente es mayor a 1, se espera que los micro-sismos asociados al FH presenten magnitudes entre -3 y -1. Eventos sísmicos tan pequeños como éstos liberan energía elástica a frecuencias suficientemente altas como para caer dentro del rango de frecuencias de emisión acústica (1 Khz. – 15 Khz.).

La energía elástica liberada viaja en forma de ondas P y S a las velocidades que el medio rocoso determine, y en la medida que exista un sistema de sensores de movimiento, unidad de adquisición de datos y software de procesamiento, dicha energía puede ser detectada, registrada y procesada. Con esta información es posible determinar el hipocentro y magnitud del evento sísmico; a medida que múltiples localizaciones son determinadas se puede estimar la geometría asociada con la fractura hidráulica monitoreada y su alcance. Se estima que el proceso de hidro-fracturamiento puede generar hasta un orden de 100 eventos/seg.

Por las características expuestas se requiere, para un adecuado monitoreo de micro-sismicidad asociada al FH, no sólo contar con sensores particularmente sensibles y de alta frecuencia (usualmente acelerómetros), sino también con una unidad de adquisición de datos que posea una tasa de muestreo particularmente alta (48 Khz.) y la posibilidad de registrar continuamente.

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4.- EJECUCIÓN DEL FH

Para la ejecución del FH se requiere realizar perforaciones desde las cuales se generan las fracturas (pozo de inyección). A lo largo de una longitud pre-establecida en cada uno de los pozos designados para el FH, se inyecta agua a alta presión cada cierta distancia (1.5 a 2.5 m) creando fracturas y forzando a que éstas se extiendan produciendo eventos micro-sísmicos asociados al mecanismo de ruptura de la roca. Teóricamente, se espera que la geometría de una fractura quede alineada de manera perpendicular a la dirección del esfuerzo mínimo (σ3). Sin embargo, debido a heterogeneidades naturales existentes en el volumen de roca, esto puede variar. De aquí la importancia del monitoreo micro-sísmico del fracturamiento y su geometría .

El proceso de bombeo hidráulico requiere de un permanente control. La experiencia acumulada indica que la presión de quiebre debiera ser igual al esfuerzo mínimo más un 10% del valor UCS de la roca, es decir, un valor que puede variar entorno a los 40 MPa para una roca competente. La sección donde se produce la inyección de agua se encuentra “encerrada” por dos “packers” que son llenados con agua hasta alcanzar una presión que debiera ser igual, al menos, a la presión de quiebre más 3 a 5 MPa. El flujo de inyección es un valor que puede variar entre 200 a 400 litros/minuto. En el primer caso se han alcanzado radios de fracturamiento de hasta 20-30 m durante 15 minutos de inyección; en el segundo caso se han alcanzado hasta 80 m de radio durante 30 minutos de inyección.

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5.- CONCLUSIONES

El fracturamiento hidráulico se entiende como una técnica asociada al proceso de pre-acondicionamiento de un macizo rocoso que podría entregar grandes beneficios a la gran minería cuyo proceso de explotación se basa en el método de block caving en roca competente: mayor productividad, reducción de costos, mejoramiento de la granulometría y disminución de riesgos de inestabilidad como los son colgaduras y estallidos de roca.

Debido a las heterogeneidades propias de la roca, en términos de la orientación del estado de esfuerzos, así como de las incógnitas que rodean el proceso mismo de fracturamiento, se hace necesario conocer la geometría y el alcance de las fracturas. Para ello el monitoreo micro-sísmico del fracturamiento hidráulico aparece como una herramienta geofísica relevante, la cual a su vez, encierra desafíos de gran interés para la sismología y la teoría de fracturas.

El diseño de una prueba monitoreo de fracturamiento hidráulico debe considerar varios factores que apuntan, por una parte, a contar con un sistema de registro y procesamiento de datos adecuado dada la baja magnitud y alta tasa de ocurrencia de eventos sísmicos, y por otra parte, a establecer parámetros de inyección de agua a presiones y flujo que se correspondan con la roca y estados de esfuerzos presente. Ambos factores pueden incidir en la relación señal/ruido que finalmente determina el nivel de complejidad del análisis de la información sísmica, es decir, la lectura de ondas asociada con la ruptura simultánea y continua de rocas.

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REFERENCIAS

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Emissions Hydraulic Fracture Treatments using Coherent Array Processing. Livermore National Laboratory.

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Texas. Boletín de la Sociedad de Sismología de Estados Unidos, Vol. 94, No. 5, pp.1817-1830.

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[8] Warpinski, N.R, Uhl J. E. y Engler B.P. Review of Hydraulic Fracture Mapping Using Advanced Accelerometer Based Receiver Systems. Sandia National Laboratorios Albuquerque, NM 87185.