modelo geomecânico aplicado à análise de estabilidade de poços
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Mecânica das Rochas para Recursos Naturais e Infraestrutura
SBMR 2014 – Conferência Especializada ISRM 09-13 Setembro 2014
© CBMR/ABMS e ISRM, 2014
SBMR 2014
Modelo Geomecânico Aplicado à Análise de Estabilidade de
Poços
Sandra M. Rosero
PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, [email protected]
Sergio A. B. da Fontoura
PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, [email protected]
Vivian R. Marchesi
PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, [email protected]
Clemente J. C. Gonçalves
Petrobras, Rio de Janeiro, Brasil, [email protected]
RESUMO: As recentes metodologias desenvolvidas pela indústria do petróleo avaliam problemas e
eventos de perfuração e integram informações relevantes de poços com modelos geológicos gerados
a partir da sísmica para a análise de instabilidade geomecânica. Frente à crescente complexidade
dos cenários de exploração, fontes de dados como Boletins Diários de Perfuração (BDP), perfis de
poços e parâmetros de perfuração têm sido amplamente identificadas, estudadas e modeladas na
literatura, uma vez que as análises de estabilidade convencionais se tornaram insuficientes para
determinar as possíveis condições de perfuração de poços. O presente trabalho apresenta um estudo
de aplicação da metodologia proposta para avaliar sua eficácia no entendimento do campo e
otimização de projetos de poços. A distribuição espacial dos eventos e problemas de perfuração nos
modelos geológicos é uma das principais contribuições obtidas após a aplicação da modelagem
geomecânica (MEM), pois permite identificar onde, quando, e porque esses problemas de
instabilidade tendem a ocorrer. Esses resultados permitiram obter um acelerado conhecimento
geomecânico do campo como um todo para minimizar a ocorrência de eventos de perfuração
inesperados e diminuir o Tempo Não-Produtivo (TNP).
PALAVRAS-CHAVE: Modelo Geomecânico, Estabilidade de poços, Tempo Não-Produtivo.
1 INTRODUÇÃO
Maiores dificuldades operacionais tem sido
enfrentadas na perfuração de poços de petróleo
à medida que os cenários de perfuração têm
aumentado seu nível de complexidade. Estas
dificuldades têm exigido o desenvolvimento de
projetos em condições técnicas e
economicamente desafiadoras. Frente a essas
novas condições dos campos explorados, as
análises de estabilidade convencionais se
tornaram insuficientes em função da sua
limitação na compreensão de ambientes mais
heterogêneos e estruturalmente complexos.
Nesse sentido, o trabalho aqui apresentado é
desenvolvido no conceito de modelo
geomecânico (MEM-Mechanical Earth Model).
Este conceito foi apresentado na década dos 90,
como um dos resultados práticos do estudo de
estabilidade do campo Cusiana (Colômbia) por
Plumb et al. (2000).
Neste trabalho, se propõe uma metodologia
para construir um MEM a partir da análise de
problemas e eventos de perfuração relacionados
à instabilidade geomecânica, em geral
responsáveis pela geração de Tempo Não-
Produtivo (TNP) excessivo e elevados custos
econômicos. O MEM apresentado integra a
análise dos dados de perfuração, isto é, Boletins
Diários de Perfuração (BDPs) e perfis de poços,
com modelos geológicos gerados a partir da
sísmica do campo estudado.
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2 ORIGEM DO CONCEITO DA
MODELAGEM GEOMECÂNICA (MEM)
No princípio dos anos 90, foi identificada uma
forte instabilidade no Campo Cusiana,
pertencente à Bacia dos Llanos, localizado na
região tectonicamente ativa da Cordilheira
Leste da Colômbia. Grandes quantidades de
cavings, prisões de coluna e repasses intensos
devidos à presença de breakouts, wash-outs e
fechamento foram alguns dos problemas
observados nos poços analisados. A severidade
desses problemas gerou TNP excessivo e custos
extremamente elevados (Plumb et al., 2000;
Last et al., 1995).
Diante das condições adversas de
estabilidade influenciadas pelo ambiente
tectônico e, devido ao limitado conhecimento
geomecânico do campo, uma equipe
interdisciplinar de especialistas foi criada e
encarregada de compilar informações que
auxiliassem na compreensão desses problemas.
Com o tempo, essas informações se
converteram na base de dados básicos para a
construção do MEM (Plumb et al., 2000; Last et
al., 1995).
Como consequência dos bons resultados
obtidos após a aplicação do MEM no campo
Cusiana, a metodologia passou a ser aplicada
em outros campos. Alguns dos benefícios
observados após a aplicação progressiva das
recomendações sugeridas pelo MEM foram a
redução de eventos inesperados de perfuração,
diminuição do TNP e o aprendizado
geomecânico do campo mais rápido.
2.1 Eventos de perfuração e NPT
Segundo Chipindu (2010) citado por Cerqueira
(1997), “problema é qualquer resultado
indesejável de uma atividade ou processo” e
“para qualquer estudo de problemas o mais
importante é saber identificar sua natureza
(tipo) e como se manifesta (sintomas)”.
Rabelo (2008) considerou que os eventos
podem ser tratados como anormalidades, pois
podem evidenciar a ocorrência de problemas
geomecânicos. Repasses realizados com
frequência e arrastes elevados da coluna de
perfuração são alguns exemplos destes
problemas.
Na literatura, os eventos e problemas de
perfuração têm sido amplamente identificados,
estudados e modelados. Chipindu (2010),
Rabelo (2008), Miura et al. (2009) e Tavares
(2006) são alguns dos autores que
desenvolveram metodologias para identificar,
descrever, classificar e tratar eventos e
problemas de instabilidade a partir de dados de
perfuração.
Miura et al. (2009) propõem classificação
por ocorrências em: dificuldade de avanço
(DA), dificuldade de manobra (DM) e prisão
(P). Tavares (2006) propôs classificação do
agente causador em: fluido de perfuração,
geometria do poço, características da formação
e parâmetros mecânicos. Rabelo (2008)
classificou fatores associados a causas de
natureza geomecânica. Chipindu (2010)
analisou o comportamento de alguns parâmetros
mecânicos e hidráulicos associados com
informações como litologia, tectonismo e outras
causas operacionais que auxiliam na sua
identificação.
Em geral, esses tipos de problema têm
impactos no tempo de perfuração e
consequências econômicas elevadas. Esse
tempo extra não programado é chamado de
(TNP). Moazzeni et al. (2010) conceitua como
TNP o “tempo no qual a perfuração cessa ou a
taxa de penetração é muito baixa”.
2.2 Casos históricos da aplicação do MEM
para a análise de estabilidade de poços
Uma das aplicações do MEM é a previsão mais
acurada da estabilidade de poços, que ajude a
reduzir os riscos de perfuração.
Fontana et al. (2007) observaram problemas
de instabilidade de poço, semelhantes aos
ocorridos em Cusiana, em um campo localizado
na Bacia Austral no Sul da Argentina. Nesta
locação foi observada a formação de cavings
em folhelhos microfraturados, que acarretou
prisão de coluna e arrastes elevados, tendo
como consequência um TNP igual a 25% do
tempo de perfuração originalmente programado.
O MEM aplicado a este campo permitiu
compreender as causas e os mecanismos da
instabilidade e sugerir três estratégias de
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mitigação: diminuição do peso do fluido de
perfuração, utilização de aditivos inibidores no
fluido de perfuração e, modificação dos
componentes da coluna de perfuração. Na
Figura 1, pode-se observar considerável
melhora no controle de caliper em poço na
Bacia Austral após a aplicação do MEM.
Figura 1. Acompanhamento do perfil caliper para a
avaliação da integridade das paredes dos poços
(Modificada de Fontana et al., 2007).
Araujo et al. (2009) estenderam a aplicação
do MEM a poços de gás na bacia de Neuquén,
Argentina. Esse MEM foi construído usando
perfis do poço, dentre eles o de imagem,
informações dos BDPs, medidas de pressão de
poros e resultados de testes de micro
fraturamento.
Na Figura 2(a) é ilustrado o gráfico de
profundidade versus tempo de perfuração do
poço X (Pré-MEM). Operações de repasses e
pescaria foram necessários para mitigar
problemas de fechamento do poço e prisões de
coluna. Estes problemas ocorreram em função
de uso de fluido de perfuração com peso
insuficiente. O perfil caliper apresentou uma
boa correlação em profundidade com os
problemas observados. Figura 2(b) é ilustrado o
gráfico de profundidade versus tempo de
perfuração do poço Y (Pós-MEM). Partindo-se
das recomendações do MEM criado para o
campo foi possível perfurar o poço com peso de
fluido ajustado e poucos eventos de fechamento
de poço, prisão de coluna e influxo de gás
foram registrados. Como consequência das
melhorias implantadas houve redução
significativa no TNP.
Figura 2. (a) Experiência de perfuração do poço X Pré-
MEM (Modificada de Araujo et al., 2009). (b)
Experiência de perfuração do poço Y Pós-MEM
(Modificada de Araujo et al., 2009).
3 METODOLOGIA PROPOSTA
A Figura 3 ilustra a metodologia proposta neste
trabalho para a construção do MEM. A mesma é
estruturada em três etapas: auditoria dos poços
de correlação, retroanálise e modelagem.
A fase da auditoria de dados é a primeira
etapa a ser realizada. Nela, a revisão do
histórico da perfuração objetiva identificar e
pré-classificar os eventos e problemas de
perfuração relacionados à instabilidade
geomecânica dos poços analisados.
Na fase da retroanálise individual, e quando
possível coletiva, uma primeira avaliação do
comportamento geomecânico é obtida.
Inicialmente, como peça fundamental de
qualquer análise geomecânica da análise Post
Mortem, a reconstrução do histórico de
perfuração é registrada em gráficos de
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profundidade versus tempo. Nesse gráfico, os
eventos e problemas de instabilidade
identificados são apresentados em função da
profundidade perfurada, atividades no poço,
fluido de perfuração entre outros (conforme a
Figura 2(a) e Figura 2(b)). Ao lado deste gráfico
é plotado o perfil de caliper visando facilitar a
avaliação da condição das paredes dos poços
através da identificação das zonas de
instabilidade geradas pelos mecanismos de
ruptura. Assim, valida-se a interpretação da
análise geomecânica. Nesse gráfico, nem
sempre é apresentado de forma rigorosa o
tempo programado de perfuração, pois o efeito
do TNP também se vê nele refletido.
Figura 3. Etapas da metodologia proposta para a
construção do MEM.
Outro gráfico de profundidade com relação
à inclinação do poço é construído para mapear
os eventos e problemas de instabilidade em
função da trajetória do poço. O objetivo é
avaliar a possível influência do ganho do ângulo
do poço como um possível fator de
instabilidade.
Diagramas de Pareto podem ser usados em
cada poço para estimar quantitativamente a
frequência da ocorrência dos problemas
analisados. Essa análise permite identificar as
anormalidades mais recorrentes e detectar os
problemas mais críticos. A partir desses
resultados, uma análise coletiva também é
recomendada, com o intuito de avaliar se esses
problemas críticos ocorrem de forma simultânea
em todos os poços ou se são casos isolados.
Sugere-se o estudo do TNP em gráficos de
“pizza” ou circular. Consideram-se TNP apenas
o tempo gerado pelos eventos e problemas de
instabilidade. No primeiro gráfico, analisa-se a
distribuição do tempo gasto, em termos de
horas acumuladas, das principais atividades da
perfuração. No entanto, dado que ele representa
implicitamente tanto o tempo operacional (TO)
quanto o TNP, é construído um segundo gráfico
que determina a proporção de cada um deles.
Um terceiro gráfico é também elaborado para
representar de forma detalhada a distribuição
desses TNP por atividade de perfuração.
Findas as análises dos BDPs, dados de perfis
dos poços analisados e correlações disponíveis
na literatura são usados para determinar as
condições de estabilidade. Esta análise pode ser
realizada usando o simulador SEST©
(criado
pelo Grupo de Tecnologia e Engenharia de
Petróleo – GTEP/PUC-RIO em conjunto com a
PETROBRAS). Essa análise visa a obtenção da
janela operacional para o peso do fluido de
perfuração contemplando pressão de poros,
tensões in situ e gradientes de colapsos e
fratura. Problemas e eventos de instabilidade
também são usados para calibrar e validar as
interpretações das análises de estabilidade.
Na fase da modelagem tridimensional, o
estudo é realizado através de software de
modelagem, para integrar espacialmente os
eventos de instabilidade com modelos
geológicos gerados a partir da sísmica do
campo, com o objetivo de aprimorar o
conhecimento geomecânico do mesmo.
A área da modelagem deve ser delimitada
em função de horizontes estratigráficos e
entorno do campo, de forma a cobrir
espacialmente as informações analisadas (topo:
fundo do mar; base: embasamento ou limite
inferior do reservatório). Contemplando a
possibilidade da interconexão espacial dos
eventos e problemas de instabilidade,
horizontes lito-estratigráficos foram traçados
para identificar as denominadas "zonas de
instabilidade”. Em função dessas zonas e de sua
correlação com os perfis, parâmetros de
perfuração e coluna litológica dos poços
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analisados, se pretende avaliar onde, quando, e
por que esses problemas de instabilidade
tendem a ocorrer. Na Figura 4, tomada da
literatura, se apresenta este procedimento.
Figura 4. Correlação dos horizontes litológicos entre
poços. (Tomada de Pereira de Lima, 2005).
Ao usar dados de sísmica do campo, uma
melhor interpretação das zonas de instabilidade
identificadas pode ser obtida, em função da
análise do comportamento entre os poços. Na
Figura 5 é apresentado um esquema geral para a
construção tridimensional do MEM combinando
os perfis de poços com os horizontes geológicos
e sísmicos.
Figura 5. Etapas da construção do modelo 3D (Tomada
de Sayers et al., 2006).
4 CASO DE ESTUDO E ANÁLISE DE
RESULTADOS
A metodologia proposta foi utilizada na análise
de quatro poços: P-001, P-002 e P-003, e P-004.
Os primeiros três poços são verticais e o quarto
é direcional. Para esta análise foram compilados
dados dos BDPs e perfis dos quatro poços. A
litologia dos poços analisados é composta,
basicamente, por intercalações de folhelhos,
marga e argilito, sendo o reservatório um
arenito.
Os BDPs foram analisados, identificando-se
ocorrência com relevância para a análise de
instabilidades mecânicas de poços. As
ocorrências foram classificadas em dois grupos:
eventos anormais (repasses, topadas e arrastes)
e problemas (fechamento e alargamento de
poço e operações de pescaria).
Em cada poço analisado, realizou-se a
reconstrução do histórico da perfuração em
gráficos de profundidade versus tempo de
perfuração. Nesses gráficos, foram
correlacionados os eventos e problemas de
instabilidade, com a coluna litológica, trajetória,
fluido de perfuração e perfil de caliper.
Observou-se que a maioria desses eventos e
problemas ocorreu em sequências de folhelho.
Na Figura 6, apresenta-se o histórico da
perfuração do poço direcional P-004, no qual
foi identificada a maioria dos problemas
observados que causaram o maior TNP.
Figura 6. Correlação da litologia, trajetória, perfil caliper
e gráfico de profundidade versus tempo de perfuração do
poço P-004.
Na Figura 7, apresenta-se o mapeamento
desses problemas ao longo da trajetória do poço
P-004. Identificaram-se zonas de instabilidade
em que mais de um tipo de problema ocorrem
de forma simultânea. Além disso, observou-se
que a uma inclinação pequena do poço, esses
problemas começam a aparecer. Dessa forma,
verificou-se a influência do ganho do ângulo do
poço como um possível fator de instabilidade.
Diagramas de Pareto foram construídos para
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cada poço analisado. Na Figura 8, apresentam-
se os eventos de instabilidade que ocorreram no
poço P-004. Os repasses foram as operações
com mais frequência e foram realizados para
condicionar o poço em função da ocorrência de
fechamentos. Na Figura 9, uma análise coletiva
também foi realizada comparando os resultados
dos poços analisados. Como esperado, os
repasses foram as operações realizadas com
maior frequência.
Figura 7. Problemas de instabilidade ao longo da
trajetória do poço P-004.
Figura 8. Diagrama de Pareto poço P-004.
Figura 9. Diagrama de Pareto poços analisados. Análise
coletiva.
Dos resultados obtidos da análise do TNP nos
poços analisados, observou-se na maioria dos
casos, que a maior contribuição para o TNP
corresponde especificamente à ocorrência de
eventos de repasse e arrastes da coluna. Na
Figura 10, apresenta-se a análise do TNP do
poço P-004.
Figura 10. (a) Atividades principais do poço P-004. (b)
Discriminação do TO e do TNP do poço. (c) Detalhe dos
eventos de instabilidade que contribuem no TNP.
Realizada a análise dos dados contidos nos
BDPs, foram usados os perfis de caliper, tempo
de trânsito e gamma ray, assim como, as
correlações disponíveis na literatura para iniciar
as análises de estabilidade dos poços estudados.
A partir dos perfis de densidade e tempo de
trânsito, os gradientes de sobrecarga e de
pressão de poros foram estimados. Não houve
indícios de possíveis zonas anormalmente
pressurizadas. As propriedades mecânicas das
rochas foram estimadas usando as correlações
da literatura, em função dos perfis de tempo de
trânsito compressional e cisalhante.
A tensão vertical foi a primeira a ser
determinada. As tensões horizontais foram
estimadas considerando, a partir da teoria de
elasticidade, a bacia como relaxada. O cálculo
foi realizado em função do coeficiente de
Poisson que estabelece a relação entre a tensão
vertical e a horizontal menor igual a maior.
Caso disponíveis, dados de LOT (Leakoff test)
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podem ser usados para estimar a tensão
horizontal mínima. Na Figura 11, observa-se a
que a tensão horizontal mínima estimada em
função do coeficiente de Poisson se aproxima
bastante da estimativa através do LOT
registrado no poço P-004. Define-se assim, o
limite superior da janela operacional.
Por último, obteve-se a determinação dos
gradientes de colapso e fratura. Esses gradientes
representam os limites de estabilidade em
função dos mecanismos de ruptura, por
cisalhamento ou fratura nas paredes dos poços.
Em função do maior valor entre os
gradientes de colapso inferior e pressão de
poros e da tensão horizontal mínima, foi
definida a janela operacional para determinar o
intervalo possível da variação do peso de fluido
de perfuração de forma a manter a integridade
do poço. Os eventos e problemas observados
também são integrados para validar as
interpretações das análises de estabilidade. Na
Figura 11, a janela operacional obtida para o
poço P-004 mostra arrombamentos
consideráveis no perfil caliper causados
possivelmente ao fato de que o gradiente de
colapso inferior se apresenta maior que o peso
do fluido de perfuração.
Figura 11. Módulo de Gradientes – Janela Operacional do
poço P-004.
Utilizando o simulador PETREL©
, os
eventos e problemas observados foram
integrados ao modelo geológico. Horizontes
estratigráficos foram traçados em função da
correlação desses problemas com os perfis dos
poços e a coluna litológica para identificar as
possíveis zonas de instabilidade. Na Figura 12,
mostra-se a correlação entre os arrombamentos,
repasses e arrastes no poço P-004 com os perfis
e a coluna litológica nos outros poços a partir
dos horizontes estratigráficos.
Figura 12. Correlação entre os repasses e arrastes com a
coluna litológica nos poços do estudo de caso a partir dos
horizontes estratigráficos
Na Figura 13(a), apresenta-se a distribuição
espacial dos arrombamentos assim como as
superfícies de fundo do mar e base de modelo
como limites geométricos superior e inferior do
modelo. Na Figura 13(b), apresentam-se as
zonas de instabilidade delimitadas entre os
horizontes traçados em função dos
arrombamentos.
Uma vez obtidos os resultados da
modelagem geomecânica, foi possível
identificar uma zona comum de instabilidade
em que um ou vários problemas ocorrem de
maneira simultânea. Essa foi a contribuição
mais importante da análise realizada, cujas
lições aprendidas podem ser incorporadas nas
operações de novos projetos com o fim de
mitigar os riscos operacionais inesperados,
garantindo a redução do TNP.
Figura 13. (a) e (b). Representação tridimensional dos
arrombamentos nos poços do estudo de caso (Coordenadas
ficticias).
SBMR 2014
5 CONCLUSÕES
Com base nas análises apresentadas, concluiu-
se que uma das maiores contribuições às
análises de estabilidade convencionais é a
modelagem tridimensional do campo de estudo
através do MEM. Esta metodologia permite que
os eventos e problemas de instabilidade sejam
correlacionados, validados e sintetizados com
informações geológicas, geofísicas e estruturais
através de uma distribuição espacial,
destacando onde, quando, e por que eses
problemas de instabilidade na formação tendem
a ocorrer.
Em geral, poucos eventos de perfuração
inesperados, a diminuição do TNP e o acelerado
aprendizado geomecânico do campo, são alguns
dos benefícios observados após a aplicação
progressiva das recomendações sugeridas pelo
MEM para melhorar as condições de
estabilidade dos poços.
AGRADECIMENTOS
À CAPES pela concessão da bolsa de estudos.
Ao GTEP/PUC-RIO pelo apoio financeiro e
pelas condições de infraestrutura oferecidas
para o desenvolvimento deste trabalho de
mestrado. À PETROBRAS pela disponibilidade
dos dados analisados. À SCHLUMBERGER
pela disponibilidade do software PETREL©
.
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