Macondo-Porendruck- und Spannungsprofil

Die Überlagerungsspannung wird durch Integration des Gewichts der Wassersäule und des Gewichts des darüber liegenden Sediments berechnet. Wir kombinieren Dichteprotokolldaten aus nahegelegenen Bohrlöchern in Bereichen des Macondo-Bohrlochs, in denen keine Dichtedaten erfasst wurden. Die Logs werden korrigiert, um Auswaschungen im Bohrloch und das Vorhandensein von Kohlenwasserstoffen zu berücksichtigen. Wenn keine Dichtedaten verfügbar sind, wird eine Geschwindigkeits-zu-Dichte-Transformation durchgeführt31. Wenn weder Dichte- noch Geschwindigkeitsdaten vorhanden sind, wird eine exponentielle Interpolation zwischen der Dichte oberhalb und unterhalb des Intervalls verwendet12.

In der Industrie werden routinemäßig Porendruckmessungen durchgeführt und Flüssigkeitsproben aus relativ durchlässigen Formationen mit Wireline-Tools (z. B. Modular Formation Dynamics TesterTM, MDT) und direkt aus dem Bohrstrang (GeotapTM) entnommen. Im Macondo-Bohrloch zeichnete BP 21 Drücke in vier Sandsteinen an der Basis des Bohrlochs zwischen 17.600 und 18.150 Fuß (5.364 und 5.532 m) auf (Abb. 2a, Kreise). 70 MDT-Drücke wurden in neun Sandsteinen zwischen 2.700 und 3.800 m (8.900 und 12.500 ft) (Abb. 2a, Quadrate) in der Texaco-Bohrung 252-1 aufgezeichnet, die sich 1,27 Meilen (2,04 km) südwestlich der Macondo-Bohrung befindet. Diese MDT-Messungen wurden auf den Standort des Macondo-Bohrlochs korrigiert, wobei von einer kontinuierlichen Stratigraphie parallel zum Meeresboden ausgegangen wird32.

Wir bestimmen den Porendruck auch durch Flüssigkeitszuflüsse in das Bohrloch (Kicks) und erhöhte Gaswerte, die in der einströmenden Bohrspülung festgestellt wurden. Kicks und hohe Gaswerte treten auf, wenn der Porendruck den hydraulischen Druck der Bohrspülung im freigelegten Bohrloch übersteigt. Sechs solcher Ereignisse traten während der Bohrarbeiten auf (Abb. 2, 3 und 5, offene Dreiecke). Anhand der Bohrdaten vor, während und nach einem Ereignis können wir den Ort und den Porendruck abschätzen.

Zu den Bohrdaten gehören die Lage der Sandsteine, die Länge des freiliegenden Bohrlochs, der Gasgehalt der eintretenden Spülung, das Gewicht der Oberflächenspülung, die äquivalente statische Dichte, die äquivalente zirkulierende Dichte und der Druck des geschlossenen Bohrgestänges. Das äquivalente Spülungsgewicht ist eine andere Art, den Druck auszudrücken, indem man die durchschnittliche Dichte der Bohrspülung vom Bohrlochboden bis zu einer Stelle im Bohrloch verwendet. Die äquivalente statische Dichte ist der Druck im Bohrloch, ausgedrückt als äquivalentes Spülungsgewicht, wenn die Spülungspumpen ausgeschaltet sind und somit keine Zirkulation stattfindet. Die äquivalente zirkulierende Dichte ist der Bohrlochdruck, ausgedrückt als äquivalentes Spülungsgewicht, während die Bohrspülung zirkuliert. Die zirkulierende Dichte ist aufgrund der durch die Spülungszirkulation verursachten Reibung größer als die äquivalente statische Dichte.

Der Frakturdruck ist der Bohrlochdruck, der zum hydraulischen Aufbrechen der Formation erforderlich ist. Er liegt in der Regel in der Nähe der regionalen geringsten Hauptspannung, kann jedoch durch Spannungsstörungen aufgrund der Bohrlochgeometrie und der Kohäsionsfestigkeit des Gesteins beeinflusst werden. Der Bruchdruck wird an vier Stellen unterhalb des 9 7/8″-Liners begrenzt (Abb. 5). Die statischen und dynamischen Bohrdrücke im Bohrloch, die vor, während und nach jedem Spülungsverlust auftreten, werden zur Interpretation des Bruchdrucks verwendet (Abb. 5, braune Dreiecke). Wir definieren die obere Grenze des Bruchdrucks mit der äquivalenten Zirkulationsdichte zu Beginn der Verluste und die untere Grenze mit dem höchsten statischen oder dynamischen Druck, bei dem das Bohrloch vor oder nach dem Verlustereignis stabil ist (siehe Ref. 32 für eine ausführliche Erläuterung). Es wird allgemein angenommen, dass die In-situ-Spannung von Tonstein höher ist als die von Sandstein25 , so dass davon ausgegangen wird, dass der Verlustort in dem Sandstein liegt, der sich zum Zeitpunkt des Verlustereignisses am nächsten zum Bohrer befindet. Der Bruchdruck wird auch mit dem 9 7/8″-Formationsintegritätstest FIT (Abb. 5, braunes Quadrat) bestimmt. Nach dem Herausbohren aus dem zementierten Linerschuh wurde der Druck auf die freiliegende Formation bis über die Überlagerungsspannung erhöht, ohne dass es zu einem Flüssigkeitsverlust kam. Dieses Testergebnis liefert einen weiteren Beweis dafür, dass die nachfolgenden Verluste tiefer, im M56-Lagerstättenintervall, auftraten.

Porendruck im Tonstein

Die rasche Ablagerung dieses Materials mit geringer Durchlässigkeit ist die Hauptquelle für den Überdruck im Golf von Mexiko33. Es ist nicht praktikabel, den Druck in diesen gering durchlässigen Schlammsteinen direkt zu messen. Stattdessen wird der Porendruck im Schlammstein üblicherweise anhand des Verdichtungszustands (Porosität) des Gesteins geschätzt, der in der Regel durch den spezifischen Widerstand, die Dichte oder die Geschwindigkeit gemessen wird34,35. Bei diesem Ansatz wird eine Korrelation zwischen einem dieser petrophysikalischen Näherungswerte und der effektiven Vertikalspannung, \({\sigma ^{\prime} }_{v}\), hergestellt. Sobald die Korrelation hergestellt ist, wird \({\sigma ^{\prime} }_{v}\) anhand der beobachteten Eigenschaft (z. B. Geschwindigkeit, Dichte, Widerstand) bestimmt. Sobald \({\sigma ^{\prime} }_{v}\) bestimmt ist, lässt sich der Porendruck u leicht bestimmen, wenn die Überlagerungsspannung σv bekannt ist (u = σv – \({\sigma ^{\prime} }_{v}\)).

In den neogenen Tiefwassersedimenten des Golfs von Mexiko wird der Porendruck nicht genau durch eine einzige Verdichtungskurve beschrieben. Dies liegt daran, dass tiefere, heißere und ältere Schlammsteine bei gleicher effektiver Spannung stärker verdichtet wurden als flachere Schlammsteine. Man geht davon aus, dass die Ton-Diagenese die Hauptursache für dieses Verhalten ist, und die Umwandlung von Smektit in Illit (S/I) wird als die wichtigste angesehen36,37,38. Illitischeres Material weist bei einer bestimmten effektiven Spannung eine geringere Porosität auf als smektitisches Material39,40. Wir folgen Ref. 39 und nehmen an:

Die linke Seite von Gleichung. 1 ist die Gesamtporosität, ϕ, abzüglich des Porenvolumens, das durch tongebundenes Wasser gefüllt ist, ϕm. Die Molekularstruktur von Smektit hat eine leicht hydratisierbare Zwischenschicht, Illit dagegen nicht41; daher ist das tongebundene Wasser im Illit geringer als im Smektit (ϕm,i < ϕm,s). Die rechte Seite von Gl. 1 ist ein gut etablierter Trend für die Verdichtung von Tonsteinen (z.B. Ref. 13,35) und beschreibt hier den intergranularen Porositätsverlust mit der effektiven Spannung. Es ist nicht bekannt, ob ϕ0 oder B mit dem Grad der S/I-Umwandlung variieren, daher nehmen wir an, dass sie konstant sind (ref.39)

Wir kalibrieren das Modell, indem wir die effektive Spannung in den Schlammsteinen bestimmen, die an die Stellen angrenzt, an denen der Druck in den Sandsteinen gemessen wurde. Wir gehen davon aus, dass der Überdruck u* im Schlammstein gleich dem im nahe gelegenen Sandstein gemessenen u* ist (z. B. Ref. 21), und verwenden den Schlammsteindruck und das Deckgebirge zur Berechnung der effektiven Spannung (u = σv – \({\sigma ^{\prime} }_{v}\)). Als nächstes bestimmen wir die Porosität des Tonsteins an jeder Stelle aus dem Geschwindigkeitslog nach42:

wobei vma die Matrixgeschwindigkeit, v die Geschwindigkeitslogmessung und x ein empirisch abgeleiteter Exponent des akustischen Bildungsfaktors ist. Wir nehmen x = 2,19 und vma = 14.909 ft/s (4.545 m/s) an und folgen damit einem Präzedenzfall für neogene Sedimente im Golf von Mexiko21,35,42. Die flachen Standorte mit kühleren In-situ-Temperaturen haben eine höhere Porosität für eine gegebene effektive Spannung als die tieferen und wärmeren Standorte (Abb. 6). Dieser Kontrast ist am deutlichsten bei einer vertikalen effektiven Spannung von 10 MPa (1.500 psi), wo die Porosität ϕ im flachen Abschnitt 9 Porositätseinheiten größer ist (Abb. 6, grüne Symbole) als im tieferen Abschnitt (Abb. 6, rote Symbole). Wir interpretieren, dass die tieferen Sedimente tongebundenes Wasser ϕm verloren haben, da der Smektit im Tonstein mit der Vergrabung in Illit umgewandelt wurde.

Tonsteinporosität vs. effektive Spannung. Farbcodierte Symbole bezeichnen die In-situ-Temperatur für jeden Kalibrierungspunkt der Porosität und der effektiven Spannung im Tonstein. Die Punkte werden für die tongebundene Wasserporosität korrigiert (offene Symbole) und dann zur Kalibrierung von Gl. 1 (schwarze Linie) verwendet. Gestrichelte Linien zeigen die Beziehungen zwischen Porosität und effektiver Spannung für verschiedene Temperaturen (farbkodiert) und tongebundene Wasserporositäten, ϕm. Die Messungen aus dem M56 (\({\sigma ^{\prime} }_{v}\) > 2.500 psi oder 17 MPa) sind um den Kohlenwasserstoffauftrieb korrigiert. Die Porosität wird anhand der Geschwindigkeit (Gl. 2) geschätzt.

Wir nehmen an, dass der Porositätsverlust durch die Freisetzung von tongebundenem Wasser während der S/I-Umwandlung linear proportional zur Temperatur ist und dass die Umwandlung bei 70 °C beginnt und bei 110 °C ein Plateau erreicht. Dies entspricht in etwa der Hauptphase der S/I-Umwandlung43,44,45 ohne zusätzliche Einschränkungen hinsichtlich der Ablagerungsgeschichte und der chemischen Zusammensetzung46. Wir folgen Lahann39 und nehmen ϕm = 0,12 für smektitischen Schlammstein und ϕm = 0,03 für illitischen Schlammstein an. Auf der Grundlage dieser Annahmen beträgt die tongebundene Wasserporosität:

wobei T die Temperatur ist und Ts und Ti die Umwandlungsgrenztemperaturen von Smektit (70 °C) und Illit (110 °C) sind. Wir kombinieren die Gleichungen 2 und 3 und lösen für ϕ – ϕm für alle ϕ vs. \({\sigma ^{\prime} }_{v}\) Punkte in Abb. 6. Wir verwenden dann eine Regression nach dem Prinzip der kleinsten Quadrate, um Gleichung 1 einzuschränken, und finden ϕ0 = 0,22 und B = 2,9E-4 psi-1 (Abb. 6, schwarze Linie).

Gegeben B und ϕ0, wird Gleichung 1 dann verwendet, um den Tonsteindruck entlang des Bohrlochs zu schätzen (Abb. 2a, blaue Linie), wobei ϕm aus Gleichung 2 berechnet wird. Um die Geschwindigkeit der Tonsteine zu berechnen, wurden die Tonsteine entlang des Bohrlochs in Abständen von 9-12 m (30-40 ft) ausgewählt und ein gleitender Mittelwert aus 5 Entnahmen auf die entsprechenden Kompressionsschallmessungen angewendet. Für jede Schlammsteinauswahl berechnen wir ϕ aus der Schlammsteingeschwindigkeit (Gl. 2) und ϕm aus der Temperatur (Gl. 3). ϕ und ϕm werden in Gleichung 1 eingesetzt, um \({\sigma ^{\prime} }_{v}\) und dann u zu lösen.

Wir wenden diese (in Macondo kalibrierte) Methode an, um den Schlammsteindruck bei 562-1 zu schätzen (Abb. 3). Die enge Übereinstimmung zwischen den geschätzten Schlammsteindrücken und den gemessenen Sandsteindrücken, unabhängig von der lokalen Kalibrierung, unterstützt die Genauigkeit unserer Methode in dieser Region. Die effektiven Spannungen bei 562-1 sind etwa 500-1.300 psi (3-9 MPa) höher als bei Macondo (außerhalb der Druckregression). Die Schallporosität des Tonsteins ist in beiden Bohrlöchern ähnlich, aber die Temperaturgradienten sind unterschiedlich. Das Macondo-Bohrloch hat einen durchschnittlichen Temperaturgradienten von 28,4 °C/km gegenüber 26,1 °C/km in 562-1. Der geringere Temperaturgradient und das tiefere Wasser in 562-1 führen zu M56-Temperaturen, die fast 20 °C niedriger sind als die M56-Temperaturen in Macondo. Die niedrigere Temperatur deutet darauf hin, dass der Schlammstein in 562-1 bei einer bestimmten Tiefe smektitischer ist als der Schlammstein in Macondo, so dass sich die Schallporositäten in höhere \({\sigma }_{v}^{\prime} \) umwandeln (Abb. 6).

Aquiferdruck

Wir bestimmen den M56-Aquiferüberdruck am Macondo-Bohrloch mit 3.386 psi (23,35 MPa), er könnte aber auch 3.436 psi (23,69 MPa) betragen. Bei der Erschließung von Galapagos ist der Überdruck des M56-Aquifers streng auf 3.433 psi (23,67 MPa) begrenzt. Die Überdrücke werden durch direkte Druckmessungen in den M56-Sandsteinen in der Macondo-Bohrung und in drei Bohrlöchern in der Galapagos-Erschließung bestimmt (Abb. 1, 7). Diese Bohrungen wurden ausgewählt, weil die Druckmessungen an beiden Standorten vor der Produktion durchgeführt wurden; daher werden die Messungen so interpretiert, dass sie die In-situ-Drucke aufzeichnen, die von der Produktion oder der Macondo-Freisetzung unbeeinflusst sind (Abb. 1, rote Kreise und gelbe Sterne). Viele der Messungen wurden in kohlenwasserstoffführenden Abschnitten durchgeführt. Um den Aquifer-Überdruck in solchen Fällen zu bestimmen, muss der Auftriebseffekt der Kohlenwasserstoffsäule entfernt werden (z. B. Ref. 18). Konkret wird der Kohlenwasserstoffdruck unter Verwendung der von MDT abgeleiteten Kohlenwasserstoffdichte bis zum Kohlenwasserstoff-Wasser-Kontakt (HWC) projiziert (Abb. 7). Für jedes Bohrloch in Macondo und Galapagos bestimmen wir die HWC, die Kohlenwasserstoff-Phasendichte und die Wasserphasendichte anhand von Log-, MDT- und seismischen Daten. Anschließend berechnen wir den Aquifer-Überdruck in Macondo und Galapagos unter Berücksichtigung der Porenwasserdichte (ua* = u – ρpwgzSS).

Druck im Vergleich zur Tiefe der M56-MDT-Messungen aus vier Bohrungen. Die Drücke in der Wasserphase für die Macondo- und Galapagos-Strukturen sind als blaue gestrichelte Linien dargestellt. Eine grüne gestrichelte Linie kennzeichnet den M56-Kohlenwasserstoffgradienten bei Macondo. Die durchgezogenen horizontalen Linien markieren die beobachteten und geschätzten Kohlenwasserstoff-Wasser-Kontakte.

In Macondo interpretieren wir, dass der 4-Wege-Verschluss der M56-Struktur (Abb. 1b) bis zu seinem Überlaufpunkt gefüllt war. Wir interpretieren einen strukturellen Scheitelpunkt bei 5401 m (17.720 ft), einen Sattel bei 5601 m (18.375 ft) und somit eine Säulenhöhe von 200 m (655 ft) durch Tiefenkorrektur der BP-Interpretation vor der Bohrung15. BP interpretierte, dass die seismischen Amplituden diese „Fill-to-Spill“-Interpretation für den HWC15 unterstützen. Wir berechnen den Überdruck des Aquifers, ua*, auf 3.386 psi (23,35 MPa) unter Verwendung eines Kohlenwasserstoffgradienten von 0,24 psi/ft (5,43 MPa/km) und eines Porenwassergradienten von 0,465 psi/ft (10,52 MPa/km). Es ist möglich, dass das Bauwerk nicht bis zum Überlaufen gefüllt war und der HWC daher flacher ist. LLOG-253-1 (Abb. 1, nördlichster blauer Punkt) liefert die tiefste kohlenwasserstoffhaltige Durchdringung der M56 in der Macondo-Struktur bei 5.532 m (18.150 ft), woraus sich eine Obergrenze für den Überdruck des Aquifers von 3.436 psi (23.69 MPa)

Die drei Galapagos-Erschließungsbohrungen (519-1, 519-2 und 562-1) (Abb. 1) beschränken den Aquiferdruck an dieser Stelle auf einen einzigen Wert (Abb. 7). Bei 519-1 bilden zwei vertikal gestapelte Sandsteinschichten den M56. Jeder Lappen weist einen unterschiedlichen HWC auf, aber beide haben einen ua* von 3.436 psi (23,69 MPa). 519-2 traf im M56 nur auf Wasser, was einen ua* von 3.430 psi (23,65 MPa) ergibt. Wir verwenden diese MDT-Messungen von 519-2, um die Dichte des Porenwassers in M56 auf 0,465 psi/ft (10,52 MPa/km) zu schätzen. 562-1 stieß im M56 auf Kohlenwasserstoff und drang nicht in einen HWC ein. Eine Aquiferdruckberechnung, bei der davon ausgegangen wird, dass sich die HWC direkt unter dem Sandstein befindet, ergibt einen ua* von 3.433 psi (23,67 MPa), der nahezu identisch mit den in den Bohrungen 519-1 und 519-2 beobachteten Werten ist. Wir verwenden den Durchschnittswert von 3.433 psi (23,67 MPa), um den Überdruck des Aquifers in der Galapagos-Erschließung zu beschreiben.

Temperaturprofile

Wir bestimmten die Temperaturprofile in Macondo und 562-1 anhand der Temperaturen, die bei den MDT-Porenflüssigkeitsproben aufgezeichnet wurden (Abb. 8, offene Symbole). Die Temperaturen zwischen 113,3 und 113.7 °C wurden an drei MDT-Probenahmestellen im Macondo-Bohrloch zwischen 3.965 und 3.982 m (13.008 und 13.064 ft) unter dem Meeresboden gemessen (Abb. 8, Rechtecke). Bei 562-1 wurden an vier MDT-Probenahmestellen Temperaturen zwischen 93,5 und 98,4 °C in Tiefen zwischen 3.545 und 3.754 m (11.633 und 12.316 ft) unter dem Meeresboden gemessen (Abb. 8, Rauten). Das Temperaturmodell von BP für Macondo (Abb. 8, obere schwarze Linie)8 ist 3,8 °C höher als der Durchschnitt der aufgezeichneten Temperaturen in M56 (Abb. 8, rechteckige Fehlerbalken). Wir gehen davon aus, dass dieser Unterschied auf eine Korrektur der Bohrlochkühlung zurückzuführen ist. In Macondo wurden die MDT-Messungen drei Tage nach Abschluss der Bohrungen durchgeführt, was mit dem Abstand von vier Tagen bei 562-1 vergleichbar ist. Daher wenden wir dieselbe Korrektur von 3,8 °C auf die Messungen in 562-1 an (Abb. 8, rautenförmige Fehlerbalken). Unser Temperaturmodell für 562-1 geht von einem linearen Abfall von den korrigierten Reservoir-Messungen zum Meeresboden aus (Abb. 8, untere schwarze Linie). Die Wassertemperaturen am Meeresboden im Tiefsee-Golf von Mexiko nähern sich 4 °C für die in Macondo und 562-1 beobachteten Wassertiefen.

Temperatur im Vergleich zur Tiefe unter dem Meeresboden in Macondo und 562-1. Offene Symbole zeigen die Messungen der MDT-Temperatur der Porenflüssigkeit. Die von rechts projizierten Fehlerbalken stellen eine Korrektur für die Bohrlochkühlung dar. In Macondo wird das Temperaturmodell von BP verwendet; die Temperaturen in 562-1 wurden mit einer linearen Projektion auf den Meeresboden modelliert. Farbschema und gepunktete Linien zeigen die von der Temperatur abgeleiteten S/I-Übergangszonen.