Pentru rezolvarea cu succes a oricarei probleme, aceasta trebuie mai întâi definita si descrisa, apoi se pot formula si investiga solutiile potentiale pentru a gasi cea mai buna rezolvare.
Aceeasi logica ar trebui folosita pentru rezolvarea unor probleme de controlul nisipului. Din pacate, cel ce face investigatiile nu poate sa se deplaseze jos în gaura de sonda pentru a obtine o descriere detaliata a problemei. Va puteti, totusi, familiariza cu informatiile privind caracteristicile zacamintelor colectoare de hidrocarburi cum ar fi mediile de depunere, caracteristicile fizice si chimice ale nisipului si argilelor, proprietatile specifice ale rocilor-magazin si cauzele producerii de nisip, informatii ce pot fi obtinute din literatura de specialitate sau din diverse masuratori geofizice si de laborator. Armati cu aceste informatii, veti reusi mult mai bine sa controlati eficient nisipul.
Scopul acestui capitol este de a va pune la dispozitie informatiile de baza asupra caracteristicilor formatiunilor de gresii si nisipuri colectoare de hidrocarburi, formatiuni des întâlnite si în tara noastra, gresii sau nisipuri care initial sunt mai mult sau mai putin cimentate, dar care se pot degrada si mai mult în timpul exploatarii hidrocarburilor.
Gresiile se formeaza într-o gama larga de conditii si sunt alcatuite din componente relativ stabile, bine cimentate între ele, mai putin pasibile de schimbari fizice si chimice decât zacamintele de carbonati. întelegerea modului cum s-au depus initial nisipurile ce intra în alcatuirea gresiilor poate adesea lamuri asupra proprietatilor acestora, iar aceasta lamurire poate ajuta la determinaarea celei mai bune tehnici de controlul nisipului pentru un anumit zacamânt. Mai jos sunt enumerate principalele medii de depunere a nisipurilor prin care s-au format initial gresiile.
Nisipuri eoliene de desert - Grosimea poate fi mare, similara cu actualul desert Sahara, de pâna la 300 metri (1000 ft) si nisipurile de dune, Permian Rotliegendes în zacamântul de gaze Leman din partea de sud a Marii Nordului, care au o grosime de 200 metri (650 ft). întinderea laterala poate fi de asemenea extrem de mare. De obicei acest tip de nisip este bine sortat, uniform, cu granule bine rotunjite, cu porozitate si permeabilitate mare.
Nisipuri de platou marin - Domeniu extrem de larg, de grosimi ma 18118i822s ri de zacamânt si dimensiuni laterale mari, datorita unor forte de depunere mereu schimbatoare si a directiilor acestora. Variatia dimensiunii granulelor si sortarea, respectiv neuniformitatea, produc o mare variatie a porozitatii si permeabilitatii stratelor.
Plaje, bariere si coaste paralele cu tarmul - Aceste tipuri de depuneri au de obicei o latime de 10 pâna la 20 m (30- 65 ft) si o lungime de pâna la 4 km (2,5 mile) cu o grosime a stratului de mai multi metri. Sortarea granulelor variaza, acestea devenind de obicei mai mari si mai bine sortate, spre partea de sus a depunerii. Conybeare reda în literatura de specialitate, 18 exemple de bariere sau coaste (bare) similare, cu o grosime medie de 20 metri, latimea de 4,4 kilometri si lungimea de 42 kilometri, cu porozitati variabile de 15-25% si permeabilitati de 50-2000 md.
Nisipuri de coasta expusa mareelor si de estuar - Acestea sunt în mod tipic depozitate de curenti inversi si sunt dominate de curenti namolosi. Astfel, porozitatile si permeabilitatile mici fac din aceste tipuri de nisipuri formatiuni slab cimentate si slab productive de hidrocarburi.
Nisipuri fluviale - Acestea sunt un rezultat al depunerii provenite de la fluvii si de la luncile inundabile ale acestora, aceste depuneri variaza mult ca grosime, latime si adâncime. Astfel de nisipuri cuprind în mod tipic de la 6 la 75 metri (20-240 ft) grosime, 250 metri pâna la 20 kilometri latime (825 ft-12 mile) si 6 pâna la 160 kilometri (3,5- 96 mile) lungime, cu porozitati variind între 10-25% si permeabilitati de 60-2000 md.
Canalele nisipoase create lânga delte tind sa fie mai drepte decât cele formate în alte zone, nisipurile având o granulatie mai grosiera în general si în special în partea de sus a depunerilor.
Conuri aluvionare - Aceste depuneri se gasesc în mod tipic la baza unui lant muntos unde s-au depus aluviunile. Depunerea poate avea 3000 m grosime (9.900 ft), variind ca dimensiune a granulei de la pietris la argila, respectiv de la grosier la foarte fin. Formatiunile de turbidite ca cele din California de vest au fost depuse prin evenimente catastrofice.
Datorita unei mari varietati a mediilor de depunere, gresiile si nisipurile au proprietati foarte diferite, nu numai de la un zacamânt la altul, dar si în cadrul aceluiasi zacamânt. Ca urmare, esantioanele mici de carote, de numai câtiva milimetrii grosime nu reprezinta descrieri satisfacatoare ale gresiilor deoarece proprietatile rocilor se pot modifica mai mult pe lateral decât pe verticala.
Geologul poate defini nisipul de formatiune ca material granular cu un domeniu al dimensiunii diametrului particulei cuprins între 2-0,0625 mm, siltul (aluviune, mâl), cu un diametru între 0,004-0,0625 mm, iar particulele mai mici de 0,004 mm reprezentând dimensiunile argilelor.
Granulele de nisip din sondele de titei si gaze pot fi de orice dimensiune mai mare decât o particula fina mobila . Particulele fine mobile sunt acele particule suficient de mici care pot curge odata cu fluidele prin canalele porilor din gresie, ceea ce înseamna ca dimensiunile lor sunt diferite în fiecare zacamânt, dar în mod obisnuit sunt mai mici de 0,004 mm (4 microni).
Nisipul este de obicei compus din cuart (SiO2) în proportie de 45-82% si din alte minerale, respectiv calcita, mica, dolomita etc. Exista si nisipuri carbonatice, dar acestea sunt rare.
Rezistentele formatiunilor grezoase si nisipoase sunt afectate de compactare, textura (împletirea unor granule cu forme neregulate) si de agentii de cimentare. Agentii de cimentare sunt cei mai importanti, deoarece producerea nisipului este de obicei provocata de absenta sau prezenta discontinua a agentilor naturali de cimentare. Cele mai obisnuite materiale naturale de cimentare la gresiile tari sunt cele silicioase, calcitice, dolomitice,feruginoase, etc.
Problemele de producerea nisipului pot aparea acolo unde aceste minerale lipsesc, se afla în concentratie foarte mica sau apar ca particule discrete (separate), nu ca agenti lianti. Alte materiale, cum ar fi argilele si feldspatul, contribuie la taria gresiilor, dar în mod normal nu sunt suficient de tari si sunt prea sensibile la diversele tipuri de fluide si saturatii ale acestora, pentru a constitui agenti de cimentare foarte buni.
Prezenta agentilor de cimentare reduce comunicatiile dintre pori si respectiv permeabilitatea gresiei. si invers, gresia slab consolidata are în mod obisnuit o porozitate si o permeabilitate foarte mare din cauza absentei agentilor de cimentare. Totusi, nu exista o buna corelare între rezistenta la compresiune si permeabilitatea gresiilor, unele formatiuni grezoase cu permeabilitate foarte mica au rezistente (tarii) foarte mici din cauza argilelor si altor materiale moi, care nu cimenteaza suficient granulele de nisip, dar care umplu porii matricei colectoare.
Aproape toate formatiunile de gresii si nisipuri productive contin într-o anumita proportie argile si particule fine detritice. Argilele pot fi atasate de granulele de nisip, intercalate în formatiunea grezoasa sau aranjate liber în intercalatii sau în interstitii si pot avea un efect major asupra permeabilitatii formatiunii datorita formelor acestora lamelare sau fibroase precum si a zonelor mari de suprafata.
întelegerea proprietatilor masurabile ale unei formatiuni de gresii si nisipuri este benefica atunci când se discuta tratamentele pentru controlul nisipului. Multi din acesti termeni vor fi folositi în discutii ulterioare si este necesara întelegerea lor, respectiv a (1) porozitatii, (2) permeabilitatii, (3) saturatiei, (4) permeabilitatii relative si (5) umectabilitatii.
1. Porozitatea - O masura a spatiului fara solide dintr-un zacamânt unde lichidele sau gazele se pot acumula. Porozitatea gresiilor descreste când sortarea este mai slaba (o distributie mai larga a dimensiunii granulei de nisip), umplutura este mai strânsa (etansa) si exista mai mult material de cimentare. Gresiile cu porozitate mare tind sa aiba o permeabilitate mare, dar aceasta nu este o relatie valabila, de exemplu, sisturile (argilele sistoase) au în mod obisnuit o porozitate mare, dar o permeabilitate foarte mica. Conceptul ca porozitatea este legata de rezistenta la compresiune nu este nici el valabil. Volumul de agenti naturali de cimentare si felul în care acesti agenti sunt distribuiti în pori afecteaza în mod general permeabilitatea si rezistenta mult mai mult decât porozitatea.
2. Permeabilitatea - O masura a capacitatii unui mediu poros de a lasa sa circule fluidele.
Permeabilitatea nisipurilor descreste odata cu sortarea mai slaba, umplerea mai etansa, cimentarea mai pronuntata si dimensiunile mai mici ale granulelor de nisip. Rezistenta gresiei este legata doar în mod general de permeabilitate. Totusi, exista esantioane, respectiv probe de carote foarte slabe cu permeabilitati mari de pâna la 1 Darcy sau mici de pâna la mai putin de 1 millidarcy.
Permeabilitatea gresiei este cea mai mare de-a lungul planurilor de stratificatie si în directia curgerii paralele cu stratificatia. Permeabilitatea orizontala este în mod obisnuit mult mai mare decât permeabilitatea verticala datorita unor bariere de permeabilitate provocate de planurile de stratificatie, filoanele de sisturi sau argila. Straturile mai groase de gresii tind sa aiba permeabilitati mai mari decât straturile subtiri de gresii.
3. Saturatia - O masura a distributiei totale de fluide în cadrul spatiilor poroase. O saturatie în apa de 40% înseamna ca 40% din spatiul de pori este ocupat cu apa, iar restul 60% din spatiul de pori este ocupat de alte fluide sau gaze. Saturatiile minime în apa ale nisipurilor colectoare de hidrocarburi sunt rareori mai mici de 10%, dar în mod obisnuit au valori de 15%-50%, unele cantitati mici de argile putând mari semnificativ aceste cifre. Nisipurile argiloase pot produce titei fara apa la saturatii ale apei de pâna la 65%.
4. Permeabilitatea relativa - Datorita tendintei naturale a nisipurilor de a fi umectate de apa, permeabilitatea fata de titei este mai mare decât permeabilitatea fata de apa. Pe masura cresterii saturatiei în apa, creste permeabilitatea fata de apa si descreste permeabilitatea fata de titei.
Motivul simplu pentru acest fapt este ca titeiul este respins de apa care acopera intim suprafetele matricei colectoare astfel ca titeiul tinde sa ramâna în centrul spatiilor de pori si curge cu putina rezistenta sau frecare prin canalele matricei. Apa este atrasa de suprafetele initial umezite de apa, astfel încât fortele de frecare rezista la debitul de curgere al apei.
Fenomenul opus este adevarat când nisipul este umectat initial de titei.
5. Umectarea cu titei sau cu apa - Majoritatea formatiunilor colectoare de hidrocarburi ce contin titei si gaze sunt initial, în mod natural umectate de apa si trebuie sa se presupuna ca sunt umectate de apa daca nu se indica altfel în testele de carota. Formatiunile pot fi initial umectate si de titei sau umectate numai partial de titei prin natura activa a suprafetei unor titeiuri brute.
Umectabilitatea initiala a formatiunii poate fi schimbata zonal si la un moment dat prin actiunea unor agentii activi de suprafata continuti de fluidele ce curg prin zacamânt, sau continuti de fluidele injectate în formatiune în mod voit pentru schimbarea acesteia.
Se pare ca nu exista o adâncime universala, general valabila, sub care nu se mai întâlnesc probleme de nisip, deoarece probleme generate de producerea nisipului s-au întâlnit si în sonde cu o adâncime de pâna la 14.000 feet (>4000 m). Rezistenta formatiunii deriva în primul rând din materialul de cimentare naturala care face legatura dintre granulele de nisip si apoi din compactarea si textura rocii colectoare. Fortele de coeziune si prezenta apei imobile din porii formatiunii contribuie cu o cantitate aproape neglijabila la rezistenta acesteia. O parte din formatiunile slab consolidate sunt mentinute un timp îndelungat fara sa se foarfece, datorita fortelor rezultate prin compactare, datorita texturii matricei colectoare si a fortelor de coeziune dintre granulele componente si abia mai târziu pot necesita un tratament pentru controlul nisipului.
Tensiunile dezvoltate la nivelul formatiunii productive de hidrocarburi care pot contribui la producerea nisipului sunt generate de mai multi factori dintre care se mentioneaza:
presiunea diferentiala de fund;
fortele de antrenare, respectiv vitezele de curgere ale fluidelor de zacamânt;
declinul presiunii fluidelor din pori;
apasarea stratelor superioare formatiunii productive, respectiv presiunile litostatice;
schimbarile de tensiune prin actiuni de foraj si tectonice sau prin alte actiuni.
Producerea de nisip în unele zacaminte poate fi sensibila la debit, deoarece exista un debit de productie sub care nu se va produce nisip. Totusi, acest debit redus de productie poate fi neeconomic, deoarece unele nisipuri de formatiune pot produce nisip la cea mai mica miscare a fluidului. Formatiunile mai putin deformabile pot produce initial fara nisip, dar pot începe mai târziu sa produca nisip, dupa ce presiunea din pori descreste sau dupa ce începe producerea de apa.
Problemele de producere a nisipului încep adesea sau devin mai grave atunci când începe producerea apei de zacamânt, fapt ce conduce la urmatoarele situatii:
1. Productia marita de fluid total (debit brut) pentru mentinerea debitelor de productie titei sau gaze (debite nete) face sa creasca puterea de antrenare a nisipului din vecinatatea sondei.
2. Dizolvarea sau înmuierea (degradarea fizico-chimica ) materialului natural de cimentare.
3. Fortele de antrenare marite datorita debitului bifazic si mobilitatii fazei umectante.
4. Dezechilibrarea fortelor de coeziune, care în mod obisnuit tind sa mentina granulele de nisip împreuna, atunci când faza de apa devine mobila si saturatia acesteia creste permanent.
Este important sa avem un concept asupra modului cum arata nisipul de formatiune si a felului cum se comporta la talpa sondei. Exista o mare varietate de gresii, respectiv nisipuri de formatiune, încât identificarea corecta a tipului de gresie sau de nisip va ajuta la determinarea modului de tratare a acestora, respectiv la controlul eficient al nisipului. în ultimii ani a aparut necesitatea, dovedita si utila, de clasificare a nisipurilor de formatie în trei mari categorii, în functie de rezistenta acestora la actiunea factorilor din mediul de zacamânt .
Nisip miscator este un termen adesea aplicat unor nisipuri de formatiune complet neconsolidate. Acest tip de nisip nu are agent efectiv de cimentare si este mentinut coerent (aparent sub forma consolidata) doar prin mici forte de coeziune si prin compactare. Este greu de forat prin acest tip de formatiune, deoarece formatiunea se prabuseste usor în gaura de sonda. Producerea de nisip începe imediat cu producerea de fluid deoarece nisipul este antrenat usor de titei, apa sau gaze.
Exista exemple de producere necontrolata de nisip din acest tip de formatiune pe perioade lungi de mai multe decenii, relativ la o singura sonda. Exista zacaminte în Louisiana, Oklahoma, California, Alberta, Libia, Venezuela si Nigeria unde se cara pentru a fi îndepartate din amplasament tone de nisip în fiecare an. Totusi, nisipul continua sa se produca. Cavitatile sau largirea gaurii nu se pot produce, deoarece nisipul miscator permanent se rearanjeaza în cadrul limitelor formatiunii, capatând încet o structura de umplere mai rarefiata.
Sondele care produc dintr-un tip de formatiune cu nisipuri miscatoare produc în mod caracteristic cu concentratie relativ constanta de nisip în fluidele extrase. Concentratia nisipului (procentul de solide în lichid) poate fi detectata prin teste de sita sau prin dispozitive de monitorizare a nisipului. Este greu de mentinut acest tip de nisip în afara gaurii de sonda, respectiv în spatele perforaturilor suficient de mult timp, fara a introduce un filtru mecanic sau un liner în gaura, deorece se creeaza probleme deosebit de dificile pentru orice încercare de a controla nisipul.
Trebuie folosite dispozitive speciale de carotaj pentru a obtine esantioane de nisipuri miscatoare , si trebuie folosite deasemenea proceduri si dispozitive speciale de împachetare cu nisip, pentru a se realiza un control cu succes.
Un al doilea tip de nisip de formatiune este nisipul partial consolidat . Are în alcatuire câtiva agenti de cimentare prezenti în mod discontinuu ceea ce confera formatiunii un caracter slab consolidat. Din acest tip de nisip se poate preleva o carota cu ajutorul unei carotiere conventionale, dar cu o recuperare mai mica de 100%, carota sfarâmându-se usor. Uneori este posibila o completare în gaura libera cu acest tip de nisip, dar fara aplicarea unor mijloace de controlul nisipului, respectiv filtru mecanic impachetat cu nisip de cuart, gaura se poate surpa. La o completare în gaura tubata acest tip de nisip de formatiune se sfarâma si se fragmenteaza, formând mici cavitati sau adâncituri care adesea se surpa când se extrage fluidul. Astfel, în gaura de sonda ajung dopuri sau aglomerari de nisip, mici conglomerate care umplu rapid gaura sondei si blocheaza chiar si partea inferioara a tubingului.
Analizele continutului de nisip în fluidul produs de sonda arata variatii mari de la o zi la alta, deoarece nisipul se produce sporadic.
Cresterea sarcinii presiunii litostatice asupra formatiunii continua sa foarfece structura nisipoasa din spatele perforaturilor, pe masura depletarii zacamântului. Daca producerea de nisip nu este oprita, straturile de argila si argila sistoasa din vecinatatea nisipului productiv se pot de asemenea prabusi si vor crea un amestec de nisip, sist argilos si argile, greu de îndepartat din spatele coloanei. În aceasta situatie orice încercare ulterioara de a controla nisipul va avea o reusita limitata datorita amestecului format care are o permeabilitate redusa, fiind constituit din argile, sisturi si nisipuri din jurul gaurii de sonda.
Continuarea producerii de nisip din acest tip de nisip de formatiune poate conduce la deteriorarea coloanei si la aparitia altor probleme dupa ce s-au produs cantitati semnificative de nisip, astfel încât formatiunea nu mai poate rezista la câmpurile de forte ale presiunii litostatice si/sau tensiunii laterale.
Acest al treilea tip de nisip potential cu probleme este nisipul friabil sau semi-nedeformabil care este bine cimentat si din care se extrag usor carote mecanice. Carotele din acest tip de nisip apar suficient de tari (consolidate) încât nu par sa lase sa se produca nisip. Totusi, fluidele sau gazele produse erodeaza cu usurinta nisipul de la fata formatiunii atunci când curg în gaura de sonda. Completarile în gaura deschisa pot fi câteodata reusite la acest tip de formatiune deoarece debitul de fluide se întinde pe o zona mult mai mare a formatiunii, astfel încât, fortele de eroziune sunt mai mici. Acelasi efect este realizat si prin perforaturile cu densitate si diametru mare.
Este ceva obisnuit pentru formatiunile friabile ca o sonda sa produca cu nisip în suspensie câteva ore/zi sau zile/luna si apoi producerea nisipului sa ajunga la o simpla urma. Acest lucru se produce deoarece se formeaza cavitati mari în spatele coloanei, care prezinta zone din ce în ce mai mari ca suprafata prin care fluidele pot curge. Fortele de antrenare la nivelul suprafetei marite a nisipului sunt reduse, astfel încât nisipul nu mai este erodat din formatiune. Se produc viituri (antrenari rapide) de nisip de fiecare data când se schimba regimul de curgere, respectiv o duza sau când productia este întrerupta sau repornita, dar daca se mentin conditii constante de debit, productia de nisip va fi zero sau aproape nedetectabila.
Pe masura ce se schimba conditiile de exploatare, cum ar fi o presiune redusa a porilor, debite mai mari de productie sau producerea de apa în cantitati mari, este posibil sa înceapa din nou producerea nisipului. În cazul nisipurilor friabile exista pericolul unei prabusiri catastrofice a formatiunii în cazul când cavitatea devine suficient de mare. O astfel de prabusire poate duce si la avarierea coloanei de exploatare a sondei.
Identificarea unui tip de nisip de formatiune trebuie facuta cu toate dovezile disponibile.
Daca sunt disponibile carote mecanice, acestea sunt de obicei cea mai buna sursa de informatii. Exista adesea sectiuni care lipsesc din carote, ceea ce indica fie faptul ca operatiile de carotaj nu au fost bune, fie ca exista sectiuni de nisip neconsolidat în gaura de sonda care au cazut în afara carotierei.
Esantioanele de nisip obtinute prin lacarit si produs asigura putine informatii deoarece cocoloasele sau bucatile de nisip consolidat indica un anumit grad de consolidare la talpa sondei, iar absenta acestora înseamna ca nisipul de formatiune poate sau nu poate fi consolidat.
Monitorizarea concentratiei nisipului în fluidele produse va indica un nisip miscator în cazul când continutul de nisip este relativ constant, un nisip partial consolidat daca continutul de nisip fluctueaza, si un nisip friabil când concentratia de nisip în fluidul extras se dimineuaza pâna ajunge aproape de zero. Tehnicile de diagrafiere, ce vor fi descrise mai departe, sunt de asemenea disponibile pentru a furniza rezistentele relative ale diverselor strate din formatiune.
Trebuie sa recunoastem, totusi, ca în cadrul oricarui zacamânt sau oricarei sonde vor exista tipuri diferite de nisip si chiar este posibil ca într-o sonda intervalele perforate sa deschida în acelasi timp strate caracteristice fiecarui tip de nisip comentat mai sus.
Producerea neîntrerupta de nisip din formatiune poate conduce la rezultate dezastruoase.
Sonda se poate pierde în totalitate datorita deteriorarii coloanei sau poate aparea o reducere a productivitatii datorita actiunii combinate a formarii de nisip, argila si sisturi argiloase.
Daca este evidenta aparitia nisipului si acumularea acestuia în coloana de exploatare a sondei atunci sonda trebuie tratata imediat.
Singurul moment când mai putem astepta este atunci când e vorba de o formatiune cu nisip de tip friabil (sfarâmicios). Dar si în acest caz, sonda trebuie tratata înainte de prabusirea totala a acoperisului cavitatii formate în spatele perforaturilor în timpul exploatarii fluidelor, desi prevederea acestui moment este dificil de realizat.
Problema care se pune în mod normal este: Exista metode disponibile pentru a prevedea daca o sonda va produce sau nu nisip? Raspunsul este Da , pe plan mondial existând pachetul de programe SAND 3 D al lui Conoco care poate prognoza presiunea diferentiala critica din zacamânt la care începe producerea nisipului formatiunii slab consolidata.
Acest program simuleaza zacamântul din apropierea gaurii de sonda, geometria completarii sondei, presiunea diferentiala, depletarea zacamântului si produce o înfasuratoare a cedarii (a prabusirii) boltii din jurul perforaturilor sondei.
Programul anticipeaza producerea nisipului în limita unei erori rezonabile.
|
