S.N.P. PETROM S.A.
ICTP Campina
a sondelor de cercetare geologica
Modulul: caracterizarea conditiilor geologico-fizice la forarea sondelor din punct de vedere al gradientilor de presiune si fisurare
Submodulul: metode si posibilitati de evaluare a gradientilor de presiune si fisurare
1. PRESIUNI ANORMALE, DEFINITII, CAUZE SI ORIGINEA PRESIUNILOR ANORMALE
Presiunea hidrostatica reprezinta presiunea unei coloane de fluid.
Inaltimea si forma acestei coloane nu afecteaza valoarea gradientului de presiune hidrostatica. Acesta este totusi influentat de concentratia in saruri dizolvate in fluidul respectiv, eventualele gaze si variatia gradientului geotermic.
In practica de foraj se utilizeaza urmatoarele valori de gradienti:
- 1,00 at - / 10 m - pentru formatiuni cu apa dulce sau slab salina (salcie)
- 1,075 at - / 10 m - pentru formatiuni cu apa salina
In cazul unor ape de formatiune cu salinitate crescuta, valorile gradientilor corespunzatori presiunii hidrostatice pot ajunge la 1,10 - 1,15 at / 10 m sau chiar 1,18 at / 10 m.
In general prezenta apelor saline si hipersaline se datoreaza prezentei unor formatiuni salifere in interiorul secventei lito-stratigrafice din bazinul de sedimentare (chiar daca acesta nu a fost pusa in evidenta pe structura)
Presiunea litostatica (de ingropare - engl. "overburden pressure") reprezinta presiunea exercitata la nivelul unei anumite formatiuni (strat, complex de strate, etc.) de catre stiva de pachete (formatiuni) acoperitoare.
Pe baza datelor obtinute prin determinari experimentale, s-a obtinut o valoare a gradintului litostatic de 2,31 at / 10 m.
Aceasta valoare corespunde unei forte de apasare exercitata de o formatiune cu greutate specifica medie (globala) roca - fluid de 2,31 g / cm³.
In general se accepta ca presiunea litostatica inregistreaza o crestere uniforma cu adancimea, iar experienta a indicat faptul ca gradientul litostatic maxim ( lit. max.) poate ajunge pana la valori de 3,12 at / 10 m (rama unui bazin de sedimentare "ingropat").
Mai recent pentru o mai corecta determin 12512n1320m are a gradientului a gradientului de fisurare a fost introdus conceptul gradientului litostatic variabil.
Presiunea formatiei reprezinta presiunea fluidelor (apa, titei, gaze, etc.) aflate in porii formatiei.
Presiunea normala este egala cu presiunea unei coloane de apa de la suprafata pana la nivelul formatiunii respective. Abaterile (in sens pozitiv sau negativ) valorilor de presiune fata de cele definite ca normale, reprezinta anomalii (pozitive sau negative) de presiune.
In continuare se vor exprima unele consideratiuni legate de presiunile anormale, a caror existenta la nivelul formatiunilor traversate influenteaza (uneori in mare masura) saparea sondei.
Presiuni subnormale (abatere negativa) -in Romania fenomenul nu a fost metodic studiat dar s-au semnalat de exemplu astfel de presiuni in exteriorul bazinului Transilvaniei, masivele eruptive tertiare. Conditii pentru generarea de presiuni subnormale (negative) pot apare in zone unde nivelul (subteran) apei subterane este foarte coborat. In astfel de zone, gradientul (normal) de presiune se determina de la acel nivel (coborat) al apei in jos, rezultand valori mai mici decat cele normale (hidrostatice). Acest caz poate fi intalnit in unele formatiuni mio-pliocene din Depresiunea Precarpatica si Platforma Moesica (mai putin in zonele de flis din Moldova). Formatiuni cu presiuni anormal de mici apar de asemenea legate de unele rezervoare preponderent lenticulare, nisipoase, asociate unor sisturi argiloase din zonele intens erodate. O posibila explicatie a acestei situatii este aceea ca eroziunea ar fi putut provoca o reducere a presiunii fluidelor din spatiul poros (nu si permeabil) al argilelor, iar aceasta reducere de presiune este transmisa, din aproape in aproape, rocilor rezervor adiacente. Reducerea presiunilor din argile se poate datora si cresterii volumului poros datorita adsorbtiei apei la nivel molecular de catre principalele minerale argiloase (caolit, illit si, in special, montmorillonit); o alta cantitate de apa este adsorbita in procesul de transformare a mineralelor argiloase, care apar datorita scaderii temperaturii formatiei, aceasta scadere fiind la randul ei determinata de scaderea presiunii litostatice. Astfel de situatii pot fi intalnite in Depresiunea Getica (Helvetianul si Oligocenul situate sub nivelurile de eroziune cunoscute) si in Platforma Moesica (in special Triasicul inferior si Paleozoicul detritic masiv), la adancimi care variaza in limite largi (1000 - 1500m).
Se evidentiaza cazul Meotianului din zona structurilor Negreni - Optasi - Ciesti - Tomsanca - Gliganu, pentru care s-a confirmat un gradient de presiune initiala de 0,60 at / 10m.
Presiuni anormal de mici pot apare si in unele sedimente neogene, in acumularile de hidrocarburi, explicate prin diferenta de densitate a mineralelor care alcatuiesc formatiunea, reflectata in modul de aranjare a acestora in timpul sedimentarii.
Trebuie mentionat cazul frecvent de aparitie a presiunile subnormale in cazul formatiunilor exploatate (colectoare), in cazul acestora masurandu-se valori ale gradientilor de 0,5 - 0,2 at / 10 m (cel mai bun exemplu fiind colectoarele mio-pliocene din Muntenia si unele de la nivelul Oligocenului de flis din Moldova.
Presiuni anormal de mari (abatere pozitiva)
Este acceptat ca anomaliile pozitive de presiune s-au format in timpul procesului de compactizare a rocilor sedimentare - diageneza. Prin ingroparea in adancimea scoartei terestre (efecte tectonice, de cutare, eruptive, etc.) la nivelul unei formatiuni, presiunea exercitata de stratele acoperitoare, direct proportionala in adancimea de referinta si influentata si de greutatea specifica a sedimentelor acoperitoare, duce la o compactizare a sedimentelor luate ca "martor". Este evident ca in timpul procesului de compactizare, odata cu cresterea efortului geostatic, porozitatea rocilor se reduce; prin urmare, fluidul existent in porii unei formatiuni este expulzat ("stors") ulterior prin compactizare. In cazul in care fluidul expulzat nu gaseste formatiuni adiacente de care sa poata fi preluat, respectiv formatiunea care s-a compactizat (poros-permeabila) este "incadrata" de strate impermeabile, acesta devine suprapresurizat.
Astfel de presiuni anormale apar asadar acolo unde greutatea stratelor de deasupra este preluata nu numai de matricea rocii, o parte din aceasta greutate fiind suportata de fluidele din porii rocii. Limita maxima a valorii gradientului de presiune ar fi de asteptat sa corespunda valorii de 2,31 at / 10 m, data de greutatea medie a stratelor acoperitoare. Cu toate acestea experienta de foraj a aratat posibilitatea aparitiei unor valori superiori in anumite zone in care presiunea litostatica mare si rezistenta interna a rocii duc la aparitia unor gradienti de presiune mai mari de aceasta valoare (zonele fiind numite "poduri de presiune").
Cauzele care provoaca aceste anomalii pozitive, sunt foarte diverse si e imposibil de stabilit influenta fiecarei cauze in parte in realizarea anomaliilor de presiune foarte mare. In continuare unele dintre aceste cauze vor fi evidentiate pe scurt:
Viteza rapida de sedimentare: sedimentarea rapida a unor formatiuni argiloase si nisipoase cu grosimea argilelor mult mai mare decat a intercalatiilor nisipoase (Sarmatianul transgresiv de pe marginea nordica a Platformei Moesice).
Activitatea tectonica: in urma proceselor tectonice de faliere, cutare, alunecari laterale, intruziuni salifere diapire, cutremure, etc. (Doggerul si Triasicul inferior de la Mitrofani si Spineni, Triasicul superior de la Bibesti-Bulbuceni, Paleogenul Depresiunii Precarpatice, etc.)
Se poate afirma ca aceste doua cauze pot fi catalogate ca "principale", in functie de specificul zonal putand interveni si cauze suplimentare dintre care de mentionat sunt:
-nivelul piezometric al fluidului (efectul de arteziana) colectoarele sunt alimentate de formatiuni situate la adancimi mari in bazinele de sedimentare, la marginea acestora
-structura colectorului (rezervorului): in roci colectoare izolate (lentiliforme, anticlinale, situate la adancimi mari) presiunea normala (sau chiar subnormala0 a formatiei corespunzatoare zonei situate la adancimea cea mai mare va fi "transmisa" spre zona aflata la adancime mai mica (capete de strat) unde pot apare presiuni anormale. In cazul anticlinalelor, in prezenta hidrocarburilor pot fi intalnite presiuni anormale, deoarece conditiile pentru presiunea hidrostatica normala s-au pastrat atat la contactul apa / titei, cat si sub aceasta
-sedimentarea regionala a sarii: constituind un bun izolant, la nivel regional, formatiunile aflate sub ea nu au posibilitatea expulzarii apei, ramanand astfel neconsolidate in raport cu varsta geologica si devenind suprapresurizate (ex. sisturi argiloase situate sub masive de sare, zona neogena a Depresiunii Precarpatice - formatiuni helvetiene si oligocene situate imediat sub orizonturi salifere tortoniene, respectiv aquitariene).
-represurizarea formatiunilor de suprafata (depozite oligocene in Depresiunea Getica si depozite helvetiene din subzona mio-pliocena a Munteniei.
-paleo-presiuni (helvetianul de la Margineni)
-noroiul vulcanic este un indicator important al prezentei unor zacaminte de hidrocarburi (structura Berca ar putea oferi astfel de presiuni)
-fenomenul osmotic: fenomenul poate apare cand doua solutii de concentratii diferite sunt separate de o membrana semitransparenta (unele zone din Depresiunea Precarpatica.
2. Estimarea gradientilor de presiune pe baza prelucrarii datelor investigatiilor geofizice
Pentru evaluarea gradientilor de presiune a fluidelor din porii formatiunilor traversate se utilizeaza toata gama de investigatii geofizice care se executa in gaura de sonda.
In vederea determinarii cantitative sunt folosite cu predilectie curbele de rezistivitate de pe diagrafiile: electric standard, electric PGAC (curba de 64 inch), inductiv, acustic de viteza si de densitate (densilog).
Pentru verificarea (calitativa) a existentei anomaliilor de presiune se mai poate utiliza carotajul radioactiv (curba Gama natural si curba Neutron-Neutron).
Pentru determinarea gradientilor de presiune, trebuie parcurse mai multe etape:
-identificarea formatiunilor (marne, nisipuri, gresii, calcare, etc.)
-analiza curbei (potentialul spontan): stabilirea "liniei de baza a marnelor"
In mod normal exista o diferenta clara (pe curba PS) intre un nisip si o marna; daca nisipul contine gaze, se remarca o deplasare (abatere) cu 3 - 5 mV a curbei (fata de linia marnelor) pe un interval de 1,5 - 10 m deasupra nisipului care contine gaz sau condensat; aceasta nu este valabil daca nisipul contine titei.
-analiza curbelor de rezistivitate si a altor diagrafii: se citesc valorile de rezistivitate ( si conductivitate) corespunzatoare intervalelor marnoase cu grosimi de 5 - 7 m (compacte). In cazul in care marnele selectate contin intercalatii nisipoase sau calcaroase, valorile de rezistivitate sau conductivitatea corespunzatoare, citite pe diagrafia electrica, ce vor fi folosite la construirea "dreptei de compactizare", pot fi eronate.
Situatiile in care nu se pot utiliza curbele PS sunt:
-cand gaura de sonda este tubata
-cand fluidul de foraj are salinitate mare
-cand fluidul de foraj este pe baza de produse petroliere.
In aceste cazuri se foloseste curba Gama, stiut fiind ca radioactivitatea marnelor este mai mare decat a formatiunilor inconjuratoare (sedimentare).
Carotajul de densitate (care masoara direct densitatea marnei) poate fi cel mai eficace in localizarea formatiunilor cu presiuni anormale - o reducere semnificativa a densitatilor poate fi cauzata de continutul mai mare in apa al marnelor suprapresurizate.
In aceast context, o combinatie de gama cu carotaj de densitate este foarte eficienta, mai ales cand fluidul de foraj folosit la traversarea intervalului investigat este pe baza de produse petroliere.
3. METODE DE ESTIMARE A GRADIENTILOR DE PRESIUNE FOLOSIND CORELATII ALE REGIMULUI DE FORAJ SI VITEZEI DE AVANSARE
METODE EXPONENTULUI "d" si "dc" (corectat)
Prin folosirea diagrafiilor geofizice se pot determina atat presiunile fluidelor din porii rocilor (localizarea zonelor cu presiuni anormale) si presiunile la care rocile incep sa se fisureze 9formarea unui sistem fisural secundar), precum si alte proprietati litologice, structurale si stratigrafice ale formatiunilor traversate la foraj, dar toate aceste metode permit estimari ale presiunilor din porii formatiunilor dupa traversarea acestora.
Estimarea presiunilor formatiunilor in timpul forajului, pe masura ce sapa avanseaza, este un factor hotarator in luarea cu rapiditate a deciziilor la sonda, mai ales pe structuri mai putin cunoscute, unde pot apare neconcordante fata de proiect, atat in ceea ce priveste localizarea unor anomalii de presiune cat si privind valoarea acestora, estimate pe baza datelor din eventuale sonde de corelare. S-a evidentiat asadar necesitatea dezvoltarii unei metode care sa faca o legatura intre parametrii de foraj si gradientii de presiune.
Studiile au aratat ca, la saparea unui interval marnos, in conditii in care parametrii principali de foraj (apasare pe sapa, turatie, tip de sapa, debit si greutate specifica a fluidului de foraj, etc.) au valori constante, viteza mecanica de avansare urmeaza o tendinta de scadere cu adancimea, cauzata de cresterea densitatii rocii, determinata de marirea gradului de compactizare si cresterea presiunii diferentiale in zona talpii sondei.
La saparea unei sonde, mentinerea constanta a regimului de lucru este dificil de realizat, chiar si numai pe intervale scurte de pauza, aparand frecvente variatii ale vitezei de avansare datorate nu aparitiei unor eventuale anomalii de presiune ci inconstantei parametrilor de foraj.
Pentru a putea interpreta variatiile vitezei mecanice din punct de vedere al diferentialului de presiune din zona talpii s-a pus problema "normalizarii" acestei viteze tinandu-se seama de posibilele schimbari ale variabilelor importante: apasarea pe sapa, turatia si diametrul sapei. Astfel s-a dezvoltat metoda cunoscuta sub numele de "tehnica exponentului - "d" sau "dc" pentru estimarea gradientilor de presiune in timpul forajului"
Exponentul "d" este derivat din relatia pentru determinarea vitezei mecanice de avansare a sapei:
Vm =Kf * N℮ * (W / Ds)d , unde
Vm = viteza mecanica (medie) de avansare [ m / h ]
Kf = coeficientul de forabilitate
N = turatia sapei [ rot / min ]
= exponentul turatiei
W = apasarea pe sapa [ tf ]
Ds = diametrul sapei [ mm ]
d = exponentul apasarii specifice
Determinarea exponentului "d" se poate face pornind de la presupunerea ca avem un coeficient de forabilitate relativ constant si unitar (Kf ) si viteza mecanica variaza liniar cu turatia ( ). Atata timp cat variatiile Kf si N sunt relativ reduse, practica a demonstrat ca rezultatele sunt acceptabile, obtinandu-se relatia:
0,05464 * Vm
log ----- ----- -------------
N
d
0,665 * W
log ----- ----- -------------
Ds
Reprezentarea exponentului "d" pe hartie semilogaritmica (avand in ordonata adancimea si in abscisa exponentul "d") arata, pentru intervale cu presiuni normale, o crestere liniara a valorilor acestuia cu adancimea. Panta acestei drepte de tendinta a cresterii exponentului "d" cu adancimea prezinta o oarecare variatie in functie de structura si formatiunea geologica, dar aceasta variatie este relativ redusa, permitand extinderea metodei fara a se diminua calitatea interpretarii.
Pe baza de observatii s-a constatat ca daca se poate face o corectie a exponentului "d" tinandu-se seama de greutatea specifica a fluidului de foraj, reprezentarea valorii corectate "dc pune mai bine in evidenta intrarea in zonele cu presiuni anormale, ducand si la cresterea gradului de incredere in estimarea cantitativa a marimii presiunilor din porii formatiunilor traversate.
Aceasta corectie se face dupa relatia:
1,07
dc = d -----------
γn
unde γn este greutatea specifica a fluidului de foraj [ g / cm³ ]
Pe masura ce forajul avanseaza, se urmareste daca valorile lui "d" (respectiv "dc cresc conform liniilor de tendinta trasate anterior. Acolo unde se observa o reducere a acestor valori ( abateri spre stanga liniilor de tendinta) se apreciaza intrarea intr-o zona cu anomalie pozitiva de presiune. Evident, cu cat tendinta de abatere este mai mare cu atat valoarea presiunii anormale este mai mare, estimarea acestei presiuni facandu-se cu relatia:
dcc
γp γlit (γlit - γp)*(------)
dcn
unde gradientul presiunii normale γpn si cel al presiunii litostatice γlit sunt specifice fiecarei zone geologice, fiind variabili si cu adancimea.
Pentru obtinerea unor rezultate concludente in estimarea valorilor gradientilor de presiune in timpul forajului cu metoda exponentului "d" (dc) trebuie avute in vedere urmatoarele:
-urmarirea atenta a forajului si inregistrarea corecta a datelor care intra in calculul exponentului "d" (dc
-diferentialul de presiune (ΔP =Pn - Pp, unde Pn = presiunea hidrostatica a fluidului de foraj, iar Pp = presiunea fluidelor din pori in zona talpii sondei sa nu fie mai mare de aproximativ 70 kgf / cm² (γn sa nu fie supradimensionat), deoarece peste aceasta limita schimbarile de apasare si turatie nu modifica sensibil viteza mecanica de avansare;
-apasarea pe sapa sa nu fie prea mica; valoarea ei trebuie sa depaseasca rezistenta de prag a rocii, pentru a realiza dizlocarea volumetrica.
Trebuie avut in vedere ca folosirea unui fluid cu greutatea specifica γn prea mare conduce la estimarea unor valori ale presiunilor din pori mai mari decat cele corecte, deoarece o valoare mare a γn duce la determinarea de valori reduse pentru "dc", valori ce se departeaza de la linia de tendinta normala.
De retinut ca si in cazul acestei metode, ca si in cazul metodelor care au la baza informatii din diagrafii de sonda, exponentii "d" si "dc" se interpreteaza numai pentru intervalele marnoase, cu forabilitate relativ constanta.
Cunoasterea gradientului presiunii din pori permite evaluarea gradientului presiunii de fisurare hidraulica atunci cand se cunosc (din tabele) valorile coeficientului Poisson ( ) corespunzator fiecarui tip de roca, cu relatia:
γfis γp (γlit - γp)*(-------)
1- υ
Aceasta estimare joaca un rol hotarator in luarea deciziilor pentru prevenirea si combaterea pierderilor de circulatie.
Evaluarea gradientului presiunii de fisurare hidraulica este foarte importanta mai ales in zona de sub siul fiecarei coloane tubate.
|
