La fractura hidráulica es un método empleado en la actualidad para aumentar la permeabilidad en reservorios no convencionales, y es realizada a partir de la inyección de grandes caudales de agua y aditivos, causando un consumo energético relativamente alto (Rezaee, 2015). Debido a que el comportamiento mecánico de la fractura es función de diversas variables (Sondergeld et al.2010), tales como saturación de agua, composición mineralógica de las rocas y propiedades mecánicas, es necesario la caracterización de dicho comportamiento a partir de algún enfoque. En este trabajo se aborda a la tenacidad a la fractura como parámetro para describir el comportamiento mecánico, y fue medida a partir de experimentos realizados en un dispositivo que, mediante un esquema de carga hidráulico, un fluido de “inyección” transmite la carga en muestras pre-fisuradas (probetas).
Se probaron distintos fluidos y condiciones (saturadas totalmente, saturación parcial, secas) para analizar la influencia del contenido de fluidos sobre la tenacidad. Esto fue consumado en muestras de rocas cuyo contenido de minerales fue principalmente calcita, con cantidades menores de arcillas y otros silicatos (cuarzo, feldespato).Sección: Instituto Malvinas.Facultad de Ingenierí

Antinao Fuentealba, Fabián J.

Barragán, Martín H.

Bianchi, Gustavo L.

Otegui,, José L.

Sánchez Camus, Ariel

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EXPERIMENTOS DE TENACIDAD A LA FRACTURA EN ROCAS SALE, EFECTOS DE 
LA QUÍMICA DEL FLUIDO EN KIC 
Barragán, MartínH., Antinao Fuentealba, Fabián.J, Bianchi, Gustavo.L. Otegui, José L., 
Sánchez Camus, Ariel
DIEA, Departamento de Aeronáutica, Facultad de ingeniería. Universidad Nacional de La 
Plata. 1 y 47 – (1900) La Plata, Buenos Aires, Argentina. 
Martin_barragan7@hotmail.com;antinao.f.j@gmail.com.
INTRODUCCIÓN
La fractura hidráulica es un método empleado en la actualidad para aumentar la 
permeabilidad en reservorios no convencionales, y es realizada a partir de la inyección de 
grandes caudales de agua y aditivos, causando un consumo energético relativamente alto 
(Rezaee, 2015). Debido a que el comportamiento mecánico de la fractura es función de 
diversas variables (Sondergeld et al.2010), tales como saturación de agua, composición 
mineralógica de las rocas y propiedades mecánicas, es necesario la caracterización de 
dicho comportamiento a partir de algún enfoque. En este trabajo se aborda a la tenacidad a 
la fractura como parámetro para describir el comportamiento mecánico, y fue medida a partir 
de experimentos realizados en un dispositivo que, mediante un esquema de carga 
hidráulico, un fluido de “inyección” transmite la carga en muestras pre-fisuradas (probetas). 
De esta forma, la presión del fluido induce tensiones en las caras de la fisura que causan la 
apertura de esta en modo Icomo se ve en la Fig. 2. Se probaron distintos fluidos y 
condiciones (saturadas totalmente, saturación parcial, secas) para analizar la influencia del 
contenido de fluidos sobre la tenacidad. Esto fue consumado en muestras de rocas cuyo 
contenido de minerales fue principalmente calcita, con cantidades menores de arcillas y 
otros silicatos (cuarzo, feldespato).
Efecto de los fluidos sobre la tenacidad a la fractura
Existen mecanismos que causan un deterioro general en la magnitud de algunas 
propiedades mecánicas de las rocas bajo la influencia de distintos fluidos contenidos en las 
mismas. Según  Van Eeckhout (1976), quién estudió el efecto de la humedad, se distinguen 
principalmente cuatro mecanismos: reducción de la energía de fractura, disminución de la 
tensión capilar, incremento de la presión poral, y corrosión bajo tensión.
Fig.2: Esquema de carga 
hidráulica sobre la entalla.
Fig.1: Máquina utilizada para 
los ensayos
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En general, es verificado que el efecto de la saturación de las muestras de roca frente a 
distintos fluidos, causa una merma en la tenacidad a la fractura, la que a su vez, es 
dependiente de la geometría de la probeta (Aliha , 2017), de la mineralogía, nivel de 
saturación y tipo de fluido (Guha Roy, 2017; Zhou et al., 2018).
MÉTODOS
Condiciones de los ensayos 
El diseño de los experimentos se orientó a maximizar los efectos producidos por los fluidos 
en lo que a la tenacidad se refiere, por lo que la elección de los mismos se realizó en función 
del hipotético efecto sobre la variación volumétrica de las arcillas mediante el contacto con 
soluciones acuosas(Rezaee, 2015; Zhang, 2017). Además, se considera el posible efecto de 
la disolución química sobre las muestras por la presencia de calcita(Ciantiaet al., 2013; 
Oryemet al.,  2015).Se seleccionaron cuatro fluidos para el análisis de la tenacidad, cuyos 
resultados fueron comparados con las probetas secas. Además, se incluyó la condición de 
saturación parcial en humedad ambiente imperante en el laboratorio.
 Fluido 2-API: solución salina con un 2% en peso de cloruro de potasio. Esta 
conforma un fluido ampliamente usado en las operaciones de producción de petróleo 
y gas, cuyo propósito es evitar el hinchamiento de arcillas.
 Agua destilada: Contrariamente a la solución 2-API, se seleccionó para maximizar el 
deterioro de las rocas y el hinchamiento de arcillas.
 Alcohol isopropílico, kerosene: Se supuso que, al ser componentes orgánicos, no 
existirían reacciones químicas.
 Saturación parcial en humedad ambiental: Se desea analizar el efecto de las 
tensiones capilares debido a la saturación parcial, comprobada en ensayos de 
compresión porSchmitt et al.(1994). 
Muestreo de los afloramientos
Los bloques o unidades de rocas puestas a prueba fueron extraídos desde los afloramientos 
ubicados en la zona de “Sierra de la Vaca Muerta”, en el sector sur de la cuenca Neuquina, 
en la localidad denominada “Los Catutos”(Spallettiet al., 2015). El análisis de difracción de 
rayos X confirma la presencia de calcita y cuarzo, como componentes mayoritarios, y en 
menor porcentaje, arcilla y feldestapato.
Preparación de las muestras
Se mecanizaron las probetas a partir de los bloques o unidades de roca mediante el empleo 
de sierra e hilo diamantado. Este último permitió el mecanizado de la entalla, y así se 
obtuvieron probetas de 1,5” de diámetro y 40 mm de altura aproximadamente. Se controló la 
masa de las muestras mediante balanza, tanto en la saturación en los distintos fluidos, como 
durante el secado en horno. Los tiempos de saturación y secado fueron de 24 hs, intervalo 
de tiempo el que se comprobó una invariancia del peso de las muestras en ambas 
condiciones (saturación o secado total).Luego de la etapa de preparación, las muestras se 
sometieron a los respectivos ensayos de tenacidad a la fractura, obteniéndose en cada uno 
de ellos, la presión de rotura mediante un manómetro. A continuación, se midieron las 
entallas mediante un microscopio estereoscópico sobre la superficie de fractura. En total se 
probaron 5 bloques (S300, S400, S500, S1600, S2200), presentándose 5 series distintas de 
probetas.
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Cálculo de tenacidad a la fractura
La tenacidad a la fractura (𝐾𝐾𝐾𝐾𝐼𝐼𝐼𝐼𝐶𝐶𝐶𝐶) tiene como forma general la indicada en la siguiente
ecuación:
Siendo F el factor geométrico, 𝑎𝑎𝑎𝑎 la longitud de la fisura, y 𝜎𝜎𝜎𝜎 la tensión (tracción) nominal 
externa, aplicada lejos del vértice de la fisura. Para la geometría en cuestión, empleamos la 
siguiente igualdad para el cálculo, haciendo uso del método de superposición para la 
tenacidad a la fractura, en régimen lineal elástico: 
El factor Fces calculado de la siguiente forma (Toribio et al. 2009), 
RESULTADOS Y DISCUSION
Fig.3: Preparación de las probetas para los ensayos. a) Esquema del mecanizado de probetas; 
b) Terminación final de la entalla mediante hilo diamantado; c) Probetas obtenidas para los 
ensayos. Se observan las entallas mecanizadas.
a b c
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A continuación  se muestra en la Fig. 4A, los resultados de los ensayos para cuatro bloques 
diferentes, en condiciones de saturación parcial en humedad ambiente. En la Fig. 4B, se 
observan los resultados de tenacidad frente a distintas condiciones de saturación, para un 
solo bloque de probetas.
La metodología experimental empleada tiene la ventaja de suministrar una numerosa 
cantidad de datos de tenacidad a la fractura. Los resultados muestran una clara tendencia al 
decremento en la tenacidad a la fractura frente a los distintos fluidos, tal cual lo evidencian
varios autores (Nara et al. 2006, 2011; Roy et al. 2017; Zhang et al. 2017). Respecto a las 
muestras no saturadas y considerando los valores medios, los fluidos 2-API y agua destilada 
causaron una disminución de aproximadamente el 70% en la tenacidad, mientras que este 
porcentaje es del 25% para el alcohol y el kerosene. 
Atendiendo a los posibles mecanismos del deterioro de diversas propiedades mecánicas 
sugeridos por Van Eeckhout, (1976), y teniendo en cuenta los componentes mineralógicos 
de las muestras, se sugieren los siguientes hipótesis.
I) Presión poral: debido a que las muestras fueron saturadas a presión atmosférica y 
durante 24 hs., cualquier hipotético aumento de presión interna en los poros es equilibrado 
con el entorno, pues existió tiempo suficiente para la difusión de fluido.
II) Corrosión bajo tensión: ya sea que tratemos con rocas sedimentarias o ígneas 
(Nara et al. 2006, 2011), la tenacidad a la fractura decrece con la presencia de agua por 
efecto de la corrosión. Nara et al. (2006) investigaron la tenacidad a la fractura subcrítica de 
rocas con alto contenido de silice y arcillas. Este es un fenómeno que puede ocurrir debido a 
la composición de las muestras y a que el tiempo de interacción entre estas y el fluido es 
relativamente largo. 
III) Tensiones capilares: La presencia de fluidos dentro de los espacios porales 
genera tensiones capilares, cuyo campo tensional producido es distinto al efectuado en 
rocas secas, según lo comprueba AL-Bazali (2013). Se conoce que en condiciones de 
saturación parcial, se produce una presión capilar negativa que tiene el efecto de la presión 
confinante en la resistencia a la compresión, esto es, aumenta su magnitud (Schmitt et al.
1994). Además, rocas de composición similar y con tamaños porales relativamente 
pequeños, presentan mayores magnitudes de presiones capilares respecto a aquellas con 
poros de mayor tamaño (Schmitt et al. 1994). Para rocas completamente saturadas, el 
efecto de la presión capilar desaparece. Considerando globalmente los resultados de la (Fig 
4A, todas las muestras afectadas por saturación parcial en humedad ambiente tienen una 
Fig.4: Diagrama de cajas comparativos de tenacidad a la fractura; “N” es el número de ensayos 
por cada serie o condición. A) Condición de saturación parcial en humedad ambiental (4 bloques). 
B) Condición de saturación en distintos fluidos y sin saturar, sobre un solo bloque muestra. 
A B 
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tenacidad comparable a la obtenida en la condición seca (Fig 4 B). Estos resultados se 
explican por la tensión residual de compresión que se genera en los espacios porales y 
particularmente en la punta de la fractura. No obstante, esta hipótesis debe confirmarse 
mediante la medición de los tamaños poralesy porosidad de las muestras.
Observando los resultados de las muestras saturadas totalmente en alcohol y 
kerosene, evidentemente existe un efecto no explicado por esta hipótesis, pues en éstas la 
saturación era completa.
IV) Deterioro físicoquímico por disolución de carbonatos: Ciantia et al., (2013) y
Oryem et al.(2015) modelan y realizan experimentos en rocas principalmente carbonáticas 
altamente porosas, y postulan que la reducción en la resistencia mecánica obtenida es 
producto de la disolución de carbonatos, considerando escalas de tiempo superiores a las 
1000 hs bajo la interacción de fluidos orgánicos (butanota, acetona) y agua, despreciando 
este mecanismo para escalas cortas de tiempo. No ha sido comprobada la existencia de 
disolución durante el tiempo de saturación de las muestras (24 hs) en dichas pruebas, por lo 
que no se desecha esta hipótesis.
Teniendo en cuenta estos mecanismos, y considerando un contenido mínimo de 
arcillas, es probable que los efectos de hinchamiento de arcillas y tensiones capilares se 
hallen superpuestos. Es decir, por un lado, la modificación de las tensiones capilares frente 
a la presencia de fluidos porales en rocas parcialmente saturadas puede influir en el 
comportamiento mecánico de la roca, independientemente de la cantidad de arcillas. Por 
otra parte, la deformación volumétrica causada por la presencia de estos minerales puede
inducir a la nucleación de microfisuras. Por tanto, la matriz de la roca tendería a perder 
rigidez mecánica, causando un “daño” o “deterioro mecánico” irreversible en esta. 
Si se toma la hipótesis de disolución de carbonatos, el efecto de hinchamiento y 
nucleación de fisuras se ve magnificado por la degradación físico-química producida en la 
matriz de la roca, causando una merma considerable en la tenacidad a la fractura.
Los fluidos orgánicos, kerosene y alcohol, no producen hinchamiento y tampoco 
reacciones químicas, pero los experimentos han demostrado que hay un debilitamiento de la 
matriz de la roca que se traduce en una relativamente baja disminución de la tenacidad. 
.
CONCLUSIONES
Se presentaron estudios experimentales con muestras de afloramientos provenientes 
de la Formación Vaca Muerta, compuesta mayoritariamente por minerales de calcita, con 
menores contenidos de cuarzo, arcillas y feldespatos. La tenacidad a la fractura (KIC) se 
determinó usando probetas entalladas de 1,5 ".
Se ha utilizado un novedoso conjunto experimental, donde el KI se aplica mediante 
una presión hidráulica en el interior de la entalla. La influencia de la composición 
mineralógica de las rocas y de la composición química de diferentes fluidos sobre la 
tenacidad aparente se discute en términos de KIC.
En general, las rocas saturadas han mostrado una disminución de la tenacidad a la 
fractura respecto a su condición seca, y la magnitud de esta disminución es dependiente del 
fluido de saturación. Agua destilada y solución salina de KCl empleados como fluidos, 
causaron una disminución de aproximadamente un 70%, mientras que la merma con alcohol 
y kerosene fue del 25%.
Los mecanismos que explican estos comportamientos no han sido dilucidados por 
completo, sin embargo, se han discernido los más importantes: presión capilar, 
hinchamiento de arcillas y disolución de carbonatos. 
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Experimentos de tenacidad a la fractura en rocas sale, efectos de la química del fluido en KIC

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