FM03 MODELO DE MADURACIÓN PARA PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN

DOCUMENTO SOPORTE DE DECISIÓN –DSD- FASE 1

Fecha: 30/04/2011

Datos Generales

Frente: ARENAMIENTO Realizado por: VICTOR HUGO RONDON CORDERO, MIGUEL ANGEL FUENTES BONILLA Tipo de Producto: Informe Técnico: ___x_____ Tesis: ________ Tipo de Tema: Tema de continuidad: _______ Tema Nuevo: ____X____

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Revisión Bibliográfica

Nombre como mínimo 4 revistas especializadas que hayan hecho publicaciones sobre el tema (referenciadas en los últimos 5 años), mencione los artículos con el aporte que cada uno de ellos proporciona. “A confinement and deformation dependent angle model for rock” De la entidad ARMA (American Rock Mechanics Association) publicó este artículo el 27 de junio de 2010, el cual se refiere a un movimiento del ángulo de dilatación en torno al confinamiento de los esfuerzos y a la deformación de corte plástica. Dicho modelo que propone este artículo es usado para determinar la relación de la deformación volumétrica axial entorno a diferentes muestras de roca. Aunque este modelo se basa en la aplicación del comportamiento de las rocas en túneles, las cuales son sometidas a diferentes fuerzas de compresión, tensión y fricción. Las fallas y fracturas en las rocas están estrechamente asociadas a la dilatación de la roca el cual son fenómenos estrechamente relacionados a lo que conoce como micro-grietas. La dilatación presenta el verdadero comportamiento de la roca el cual ahí una estrecha relación con el proceso de fractura. Los parámetros más ampliamente usados en la medición del fenómeno de dilatación existente en las rocas es el ángulo de dilatancia (Ψ), el cual se obtiene de pruebas de compresión triaxial. Cuando las muestras son sometidas a diferentes análisis, se ha llegado a la conclusión que el comportamiento o el fenómeno de dilatación mostrado en las rocas, están estrechamente relacionado a la presión de confinamiento y a los parámetros plásticos del material. Además de esto el índice de dilatación mostrado por Yuan y Harrison el cual es definido como la razón aparente del ángulo de dilatación. Esto es condicional si el comportamiento de dilatación de la roca es lineal. Se introduce un parámetro de re-ablandamiento denominado η, este parámetro es nulo en la región elástica, si es mayor o menor a cero nos muestra características de acuerdo al posterior umbral en donde están siendo sometidas a esfuerzos de confinamiento, este umbral al que se refiere es el pico más alto en que una muestra sometida a diferentes presiones de confinamiento puede alcanzar. Para determinar este parámetro el artículo nos da dos maneras, una es función de variables internas referentes al proceso de re-ablandamiento de la muestra, la segunda es mediante el incremento de la deformación plástica. Para graficar el comportamiento del ángulo de dilatancia referente a las pruebas realizadas muestras de diferentes tipos de arena, el ángulo de dilatancia está en función del esfuerzo axial y los coeficientes a, b, y c son coeficientes de ajuste de la prueba.

Ψ= ab(exp(-b*yp)-exp(-cyp))/(c-b) Esta ecuación nos muestra la relación existente entre el ángulo de dilatancia y el esfuerzo axial, de diferentes tipos de arena. A su vez dichos coeficientes de ajuste están en función de parámetros como el esfuerzo axial y valores para cada tipo de arena. Dilatancy and the formation and evolution of desintegración zones in the vecinity of heterogeneities in a rock mass Publicado en agosto 5 de 2009, por L. A. Nazarova and L. A. Nazarov. Este trabajo trata sobre estructuras mineras. Principalmente se estudia el comportamiento de las rocas en donde se usan teorías de dilatancia elasto-plástica para considerar origen y evolución de masas de rocas en la vecindad de la minas. No se enfatiza en el tema de arena pero basa su explicación en el factor de dilatancia determinante en la desintegración y estabilización de zonas de crecimiento. The Roles of Material Dilatancy in Post Failure Borehole Stability Analysis for Underbalanced Drilling Wells in Shale - A Sensitivity Analysis, Department of Petroleum Engineering and Applied Geophysics, NTNU, Este artículo fue presentado en AAPG Hedberg Conference, December 5-10, 2010, Austin, Texas. Y sus autores fueron M. A. Islam, P. Skalle, O. K. Søreide, y O. M. Nes: Department of Petroleum Engineering and Applied Geophysics, NTNU, Norway. En el cual me da a conocer la aplicabilidad de la dilatancia en la estabilidad del pozo en perforación underbalance, que es una técnica que se está utilizando recientemente en varios pozos en el mundo. En este artículo se muestra un software mediante elementos finitos el cual aproxima el comportamiento de un material altamente aniso-trópico relacionado a la dilatación y al rendimiento. Principalmente lo que se habla en este artículo es sobre la relación existente entre el confinamiento, la deformación y la dilatancia en una prueba de esfuerzos aplicada a una determinada muestra de arena. Esta relación existente es de vital importancia para el conocimiento de la inestabilidad del borehole y el tiempo de demora de un lodo en una perforación underbalance. La simulación que se muestra en este artículo es de gran importancia para la aplicación del fenómeno de dilatancia de un material con respecto al diseño o plan para escoger el lodo optimo. Inverse analysis–based interpretation of sand behavior from triaxial compression tests subjected to full end restraint Presentado públicamente en el 26 de junio del 2009, por NRC research press. En este artículo se describe gran parte de un marco teórico referente al comportamiento de la arena. Un modelo constitutivo que describa dicho comportamiento con un sin número de tensiones ye esfuerzos para abarcar problemas de ingeniería o geotecnia, entre ellos el comportamiento del materia referente al stress-dilatancy. El artículo va encaminado a mostrarnos sobre las pruebas que se realizan, equipos y métodos necesarios para dicho objetivo. Habla sobre la preparación de la muestra, dimensión y las partes que el software especializo puede analizar. Las pruebas que se realizaron tuvieron muestras de distintos tipos de arena, en los cuales encontramos las de baja, alta y mediana densidad.

Realice una breve descripción de trabajos de grado y/o exposiciones de carácter académico de instituciones, relacionadas con el tema de investigación El profesor Fernando Rodríguez Roa, profesor titular de ingeniería de geotecnia de la pontificia universidad de chile, y Edgar Giovanny Diaz S. MSc., Universidad Nacional de Colombia, realizaron una presentación en el VI congreso de geotecnia sobre ángulo de dilatancia en modelos elasto-plásticos perfectos. Ellos se basaron en la ley de deformación y tensión inicial: elástica lineal y no lineal, criterios de superficie de rotura, regla de flujo plástico y superficie de potencial plástico. En la Tesis de grado: CALIBRACIÓN DEL CAM CLAY PARA SUELOS DEL POSTPAMPEANO, del Departamentos de Estabilidad y Construcciones Facultad de Ingeniería – UBA. Hace una gran descripción de este modelo, que es uno de los más importantes para el cálculo de la dilatancia y el respectivo ángulo. Finite element analysis of the behavior of nonlinear soil continua including dilatancy by Dorairaja Raghu. Es una tesis para optar el título de doctor. El método de elementos infinitos fue utilizado para abordar dos problemas principales en la deformación de un sólido, en ellas como la deformación al aplicar una carga en una arena seca. El segundo abarca los problemas que se generan cuando una arcilla es sometida a cargas externas. Unas nuevas variaciones del modelo de Rowe`s de la teoría de dilatancia fue formulada para considerar la dilatancia del corte en la densidad de arenas. Este nuevo enfoque que se le daba al modelo de Rowe`s concordaba con datos de laboratorio. Mencione al menos 3 libros que traten sobre el tema de interés y presente en un breve resumen las temáticas. El libro “Experimental unsaturated soil mechanics” T Shanz, 2007, Volume 112, Part III, 119-135. La temática en la que se basa este libro es esfuerzo y dilatancia, además se basa en un artículo de Eduardo Alonso, uno de los autores más importante en lo que concierne a la mecánica de rocas. El objetivo de este libro es comprender el comportamiento de suelos no saturados. Es de gran importancia conocer nuevos conceptos referentes a la dinámica de rocas para poderlos aplicar a hechos prácticos de ingeniería. Se realizan diferentes estudios para comprender el comportamiento de una variedad de materiales hidro-mecánicos cohesivos. El libro “Structural Fundations Manual for low-rise buildings” de M. F. ATKINSON, segunda edición. En la pagina página 82, describe los diferentes tipos de arena según su densidad clasificadas como loose (sueltas) o densas. Además de eso describen características especiales referentes a las arenas. Este libro incluye teoría y práctica referente a problemas relacionados con cimentación en el suelo.

En el libro “compactación de arenas en carreteras y aeropuertos”, de George Arquie, en la pagina 57 hace una descripción de los conceptos básicos de dilatancia, mostrando también como se comporta esta en el circulo de circulo de mohr, además de otras características importantes. La compactación es un tema de gran interés para los ingenieros de vías y carreteras, los materiales debajo de las carreteras tienden a sufrir diferentes tipos de esfuerzos, compactaciones. Es de gran importancia la relación entre las partículas que conforman los suelos desde muy densos, hasta sueltos y de baja conectividad entre ellos. El ángulo interno y de cohesión referente a la compactación del suelo y su clasificación. Además de diferentes controles de compactación, se realiza un descripción detalla referente a diferentes tipos de suelo, entre ellos las arenas cuya compactación con diferentes densidades y esfuerzos imitan la mayoría de suelos de estudio. “Fracture in compression of brittle solids, national materials advisory board commission on engineering and technical system”, National research council, Dr. Donald 1. McPherson (Retired) Mr. William D. Manly, Senior Vice President, Cabot. La fragilidad y poca consolidación de los diferentes materiales (sólidos) son analizadas desde diferentes mecanismos. Los modelos mecánicos son relacionados al desarrollo de la teoría de dilatación plasticidad que han sido ampliamente aplicada en la tecnología en concreto. Esta investigación fue guiada por el departamento de defensa de los Estados Unidos de América y la National Aeronautics Space Administration (NASA). Nombre al menos 2 expertos consultados y describa su aporte. Existen diferentes autores los cuales han trabajado en el fenómeno de dilatancia. Entre ellos encontramos M. D. Bolton, el en su publicación hace referencia a la aclaración de diferentes conceptos referentes del fenómeno de dilatancia. Además de eso propone un índice de dilatación para predecir el comportamiento de las arenas y fracturas con datos disponibles. En numerosos artículos recientes de investigación, muchos autores citan a M. D. Bolton en sus referencias. Rowe introdujo una nueva teoría de gran importancia para el concepto de fenómeno de dilatancia, este autor introdujo el concepto de ángulo de fricción, ya que debido a un fuerza que causaba una deformación, se realizaba un trabajo y la energía producida en este proceso tomaba el valor de una constante K, donde la relaciona directamente al ángulo de fricción del suelo. Enuncie algún grupo de investigación, asociación científica o institución que incursione en el tema de investigación, especificando la línea que lo contiene y los avances logrados en el tema. En el tema del fenómeno de dilatancia es tratado por el grupo de investigación de la universidad del Cambridge,en massachussets, laboratory investigation of diltancy and motion of faul surface at low confining pressures”. Se ha trabajado con pruebas de los diferentes modelos de dilatancia para saber el comportamiento de la roca, además de los diferentes tipos de test que son necesarios para el cálculo de esta, en un artículo encontrado de este grupo se puede observar que se

hacen pruebas midiendo los diferentes parámetros necesarios para la aplicación de los modelos. Nombre los autores más importantes, dentro del campo de estudio

Un autor muy relevante en el tema de la investigación relacionado a los modelos del fenómeno de dilatancia es Eduardo E. Alonso, el cual publicó numerosos artículos, entre ellos podemos encontrar “A model to estimate the dilatancy angle of rock masses” publicado en el 2005. Su aporte está relacionado con el pobre enfoque que le dan al fenómeno de dilatancia posterior a la fractura de la roca, en una prueba de presión de conifnamiento. Basado en datos experimentales, se estima el ángulo de dilatancia. Este modelo presenta una gran ventaja ya que solo necesita un parámetro para determinarla, aunque necesita dependientemente datos de confinamiento de esfuerzos y plasticidad. En el segundo artículo “Dilatancy of Coarse Granular Aggregates” su teoría de dilatancia relacionada a experimentos realizados en un prueba triaxial en la cual se dieron diferentes razones de dilatancia a 25 especies de piedra caliza. En dicha investigación se toman diferentes modelos incluidos los de Cam-Clay, Cam-Clay modificado y otros autores que posteriormente hicieron sus aportes con respecto al modelo teórico de dilatancia como Cui and Delage (1998), Li and Dafalias (2000).

Autores como Michael Jefferies (1993), realizó estudios sobre arenas, esfuerzo y dilatancia en arenas muy sueltas. Trabaja la parte experimental sobre arenas poco consolidadas y parte fundamental de este proyecto de investigación se basa en el segmento experimenta sobre el modelo que más se adapte a resultados empíricos. Michael Jefferies realiza experimentos los cuales trabaja un amplio rango de esfuerzos y densidades.

Si conoce algún investigador que haya estudiado el tema en un contexto similar. Nómbrelo. Akira Mori y Mashito Tamura, ellos en su artículo “Effects of dilatancy on permeability in sands stabilized by chemical grout” Abordan el tema sobre la influencia que el fenómeno de dilatancia tiene sobre la permeabilidad en las rocas de arena. Es de gran importancia ya que se realizan una serie de experimentos los cuales emprenden el tema de dilatancia en relación con permeabilidad y una especie de lechada química utilizada para determinar dicho comportamiento. El objetivo de este estudio es determinar una variedad de factores relacionados al comportamiento de la permeabilidad relacionado a diferentes tipos de cizallamiento. Ellos realizan investigaciones cuyo objetivo es determinar distintos valores de permeabilidad al utilizar una establecida lechada en donde están relacionados, con diferentes volúmenes de deformación, en donde la muestra es sometida a una prueba de esfuerzos triaxial.

Titulo Descriptivo del Problema

EVALUACIÓN DE LOS MODELOS DEL FENÓMENO DE DILATANCIA

DURANTE LA PRODUCCIÓN DE ARENA

Formulación de Objetivos

Objetivo General:

Comparar los distintos modelos del fenómeno de dilatancia existentes en el estado del arte, corroborándolos con datos experimentales generados en la bibliografía.

Objetivos Específicos:

• Revisar la información que describa el fenómeno de dilatancia en los problemas de producción de arena.

• Analizar los diferentes modelos planteados para la descripción del fenómeno de dilatancia.

• Evaluar los diferentes los modelos que describen el comportamiento de dilatancia con datos experimentales.

• Comparar datos experimentales con los modelos matemáticos propuestos por diferentes autores sobre el fenómeno de dilatancia.

• Determinar el modelo que mejor se ajuste a los datos existentes en el estado del arte.

Justificación

¿Para qué? El proyecto es de gran importancia ya que buscara el mejor modelo teórico del fenómeno de dilatancia que se adapte consistentemente a datos experimentales. ¿Qué se busca con la investigación? El proyecto de investigación abarca muchos modelos teóricos en lo que concierne al fenómeno de dilatancia. Examinando cada modelo, el proyecto buscara el que mejor se adapte a datos experimentales que se hayan realizado, para determinar la validez y la generalidad que tiene algún método del fenómeno de dilatancia respecto a dichos datos. ¿A quién beneficia? Este proyecto de investigación cuyo objetivo es determinar el modelo teórico del fenómeno de dilatancia que más se adapte a datos experimentales reales beneficiara al instituto colombiano del petróleo (ICP) y demás entidades interesadas en tener cierto conocimiento respecto al tema de dilatancia durante la producción de arena.

Planteamiento de Preguntas

Formulación del problema

• ¿Cuál es el modelo matemático que mejor describe el fenómeno de dilatancia y pueda predecir dicho fenómeno aplicado a datos experimentales?

Sistematización del Problema

1. ¿Han habido correlaciones y comparaciones entre los diferentes modelos propuestos que describen el fenómeno de dilatancia en Colombia?

2. ¿Cuáles han sido los resultados experimentales referentes al fenómeno de dilatancia?

3. ¿Qué impacto generaría la utilización de un modelo acertado en lo que concierne al fenómeno de dilatancia?

Delimitación del Problema (Alcance)

Este proyecto tiene como alcance, definir cuál es el modelo más consistente para evaluar y modelar el fenómeno de dilatancia asociado a la producción de arena. El tiempo en que el proyecto de investigación se desarrollara son 6 meses.

FM04 MODELO DE MADURACIÓN PARA PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN

SANCIÓN DEL PROYECTO FASE I

Fecha: 30 DE ABRIL DE 2011

DATOS GENERALES

Frente: Arenamiento Realizado por : Victor Hugo Rondon Cordero, Miguel Angel Fuentes Bonilla Título del Proyecto:MODELOS DEL FENÓMENO DE DILATANCIA DURANTE LA PRODUCCIÓN DE ARENA (DISEÑO CONCEPTUAL DEL MODELO TEORICO)

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Criterios de Evaluación Excelente

91-100 Bueno 81-90

Aceptable 61-80

Deficiente 41-60

Malo 0-40

Total puntos criterio

Búsqueda y Revisión Bibliográfica: las fuentes y los aportes consultados son de utilidad para el desarrollo de la investigación. (15p)

Titulo descriptivo del problema:

expresa en forma resumida y clara el contenido de la investigación. (13p)

Objetivos de la investigación: su

formulación es clara, precisa y coherente con el tema. Expresa los aspectos que se pretenden conocer. (21p)

Planteamiento de preguntas:

responden al objetivo de la investigación y precisa el problema a estudiar. (16p)

Justificación: explica el por qué se

realizará el estudio, así como sus posibles aportes. Es de beneficio para el grupo. (17p)

Delimitación del problema: es

coherente la limitación del tema (tiempo, lugar y enfoque) con los recursos disponibles. (10p)

Interés del problema: es investigable, responde a situaciones, tales como: vacío en el conocimiento, resultados contradictorios o explicación de un hecho. (8p)

95

100

97

100

95

93

85

Total Puntos Fase 95.71

EVALUACIÓN Reevaluar: < 85p. ___ Avanzar: >= 85p _X

OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES:

EVALUÓ: Jenny Mabel Carvajal Jiménez