Porový tlak a profil napětí ve vrtu Macondo

Nadložní napětí se vypočítá integrací hmotnosti vodního sloupce a hmotnosti nadložního sedimentu. V částech vrtu Macondo, kde nebyla získána data o hustotě, kombinujeme data z okolních vrtů. Záznamy jsou korigovány s ohledem na vymývání vrtu a přítomnost uhlovodíků. Tam, kde nejsou k dispozici údaje o hustotě, se použije transformace rychlosti na hustotu31. Pokud nejsou k dispozici údaje o hustotě ani rychlosti, použije se exponenciální interpolace mezi hustotou nad a pod intervalem12.

Průmysl běžně měří pórový tlak a odebírá vzorky kapaliny z relativně propustných formací pomocí drátových nástrojů (např. Modular Formation Dynamics TesterTM, MDT) a přímo z vrtné kolony (GeotapTM). Ve vrtu Macondo zaznamenala společnost BP 21 tlaků ve čtyřech pískovcích na základně vrtu mezi 17 600 a 18 150 stopami (5 364 a 5 532 m) (obr. 2a, kroužky). Ve vrtu Texaco 252-1, který se nachází 1,27 míle (2,04 km) JZ od vrtu Macondo, bylo zaznamenáno 70 tlaků MDT v devíti pískovcích mezi 8 900 a 12 500 stopami (2 700 a 3 800 m) (obr. 2a, čtverce). Tato měření MDT jsou korigována na polohu vrtu Macondo za předpokladu souvislé stratigrafie rovnoběžné s mořským dnem32.

Porový tlak omezujeme také na základě přítoku kapaliny do vrtu (kicks) a zvýšené hladiny plynu zjištěné ve vstupujícím vrtném kalu. Kicks a vysoká hladina plynu se objevují, když pórový tlak převyšuje hydraulický tlak z vrtné kapaliny v odkrytém vrtu. Během vrtných prací došlo k šesti takovým událostem (obr. 2, 3 a 5, otevřené trojúhelníky). Pomocí informací o vrtání před událostí, během ní a po ní odhadujeme polohu a pórový tlak.

Informace o vrtání zahrnují polohu pískovců, délku odkrytého vrtu, obsah plynu ve vstupujícím bahně, hmotnost povrchového bahna, ekvivalentní statickou hustotu, ekvivalentní cirkulační hustotu a tlak v uzavřeném vrtném potrubí. Ekvivalentní hmotnost bahna je jiný způsob vyjádření tlaku pomocí průměrné hustoty vrtné kapaliny od dna vrtu k místu ve vrtu. Ekvivalentní statická hustota je tlak ve vrtu vyjádřený jako ekvivalentní hmotnost bahna, když jsou bahenní čerpadla vypnutá, a nedochází tedy k cirkulaci. Ekvivalentní cirkulační hustota je tlak ve vrtu vyjádřený jako ekvivalentní hmotnost bahna, když vrtná kapalina cirkuluje. Cirkulační hustota je větší než ekvivalentní statická hustota kvůli tření způsobenému cirkulací kapaliny.

Tlak při lámání je tlak ve vrtu potřebný k hydraulickému lámání formace. Běžně se blíží regionálnímu nejmenšímu hlavnímu napětí, ale může být ovlivněn poruchami napětí v důsledku geometrie vrtu a kohezní pevnosti horniny. Porušovací tlak je omezen na čtyřech místech pod vložkou 9 7/8″ (obr. 5). Statické a dynamické tlaky ve vrtu před, během a po každé události se ztrátou bahna se používají k interpretaci lomového tlaku (obr. 5, hnědé trojúhelníky). Horní hranici zlomového tlaku definujeme pomocí ekvivalentní hustoty cirkulace v době začátku ztrát a dolní hranici z nejvyššího statického nebo dynamického tlaku, při kterém je vrt stabilní před nebo po ztrátové události (podrobné vysvětlení viz cit.32 ). Obecně se uznává, že napětí in situ v slínovci je vyšší než v pískovci25 , takže se předpokládá, že k místu ztráty dochází v pískovci, který je v době ztrátové události nejblíže vrtu. Zlomový tlak je rovněž omezen pomocí testu integrity formace 9 7/8″, FIT (obr. 5, hnědý čtverec). Po vyvrtání z cementované vložkové boty byl tlak na obnaženou formaci zvýšen nad napětí nadloží, aniž by došlo ke ztrátě kapaliny. Tento výsledek testu poskytuje další důkaz, že k následným ztrátám došlo hlouběji, v nádržovém intervalu M56.

Porový tlak bahna

Rychlé ukládání tohoto málo propustného materiálu je hlavním zdrojem přetlaku v Mexickém zálivu33. Přímé měření tlaku v těchto málo propustných slínovcích není praktické. Místo toho se pórový tlak v slínovcích běžně odhaduje ze stavu zhutnění (pórovitosti) horniny, který se obvykle měří pomocí odporu, hustoty nebo rychlosti34,35 . Při tomto přístupu se stanoví korelace mezi jedním z těchto petrofyzikálních ukazatelů a vertikálním efektivním napětím \({\sigma ^{\prime} }_{v}\). Po stanovení korelace se \({\sigma ^{\prime} }_{v}\) určí vzhledem k pozorované vlastnosti (např. rychlosti, hustotě, odporu). Po určení \({\sigma ^{\prime} }_{v}\) lze snadno určit pórový tlak u, pokud je známo napětí v nadloží σv (u = σv – \({\sigma ^{\prime} }_{v}\).

V hlubokovodních neogenních sedimentech Mexického zálivu není pórový tlak přesně popsán jedinou křivkou zhutnění. Je to proto, že hlubší, teplejší a starší slínovce prošly větším zhutněním než mělčí slínovce při stejném efektivním napětí. Za hlavní příčinu tohoto chování je považována jílovitá diageneze a za nejvýznamnější je považována přeměna smektitu na illit (S/I)36,37,38 . Více illitický materiál má při daném efektivním napětí nižší pórovitost než více smektitický materiál39,40. V tomto případě se řídíme cit.39 a předpokládáme:

Levá strana rov. 1 je celková pórovitost, ϕ, snížená o objem pórů, které jsou vyplněny vodou vázanou na jíl, ϕm. Molekulární struktura smektitu má snadno hydratovatelnou mezivrstvu, zatímco illit ji nemá41 ; proto je vody vázané na jíl v illitu méně než ve smektitu (ϕm,i < ϕm,s). Pravá strana rovnice 1 je dobře známý trend pro zhutňování slínovců (např. cit.13,35 ) a zde popisuje úbytek mezikrystalové pórovitosti s efektivním napětím. Není dobře známo, zda se ϕ0 nebo B mění se stupněm přeměny S/I, proto předpokládáme, že jsou konstantní (cit.39)

Kalibraci modelu provedeme stanovením efektivního napětí v slínovcích sousedících s místy, kde byl v pískovcích změřen tlak. Předpokládáme, že přetlak u* v slínovci se rovná u* naměřenému v blízkém pískovci (např. ref.21), a pomocí tlaku v slínovci a nadloží vypočítáme efektivní napětí (u = σv – \({\sigma ^{\prime} }_{v}\)). Dále určíme pórovitost slínovce v každém místě z rychlostního protokolu po42:

kde vma je maticová rychlost, v je měření rychlostního protokolu a x je empiricky odvozený exponent akustického formovacího faktoru. Podle precedentu pro neogenní sedimenty Mexického zálivu21,35,42 předpokládáme x = 2,19 a vma = 14 909 ft/s (4 545 m/s). Mělké lokality s chladnější teplotou in situ mají při daném efektivním napětí vyšší pórovitost než hlubší a teplejší lokality (obr. 6). Tento kontrast je nejvíce patrný při vertikálním efektivním napětí rovném 1500 psi (10 MPa), kde je pórovitost, ϕ, v mělkém úseku o 9 jednotek pórovitosti větší (obr. 6, zelené symboly) než v hlubším úseku (obr. 6, červené symboly). Interpretujeme to tak, že hlubší sedimenty ztratily vodu vázanou jílem ϕm, protože smektit v slínovci se pohřbením přeměnil na illit.

Pórovitost slínovce v závislosti na efektivním napětí. Barevně označené symboly označují teplotu in-situ pro každý kalibrační bod pórovitosti bahnitého kamene a efektivního napětí. Body jsou korigovány na pórovitost vázanou na jíly (otevřené symboly) a poté jsou použity ke kalibraci rovnice 1 (černá čára). Čárkované čáry znázorňují vztahy mezi pórovitostí a efektivním napětím pro různé teploty (barevně označené) a pórovitost vody vázané na jíly, ϕm. Měření z M56 (\({\sigma ^{\prime} }_{v}\) > 2 500 psi nebo 17 MPa) jsou korigována na vztlak uhlovodíků. Pórovitost se odhaduje z rychlosti (rovnice 2).

Předpokládáme, že úbytek pórovitosti v důsledku uvolňování vody vázané v jílu během přeměny S/I je lineárně úměrný teplotě a že přeměna začíná při 70 °C a vrcholí při 110 °C. To se blíží hlavní fázi přeměny S/I43,44,45 bez dalších omezení týkajících se historie ukládání a chemického složení46. Postupujeme podle Lahanna39 a předpokládáme ϕm = 0,12 pro smektitické slínovce a ϕm = 0,03 pro illitické slínovce. Na základě těchto předpokladů je pórovitost vody vázané na jíly následující:

kde T je teplota a Ts a Ti jsou teploty na hranici přeměny smektitu (70 °C) a illitu (110 °C). Spojíme rovnice 2 a 3 a vyřešíme ϕ – ϕm pro všechny body ϕ vs. \({\sigma ^{\prime} }{v}\) na obr. 6. Poté použijeme regresi nejmenších čtverců k omezení rovnice 1 a zjistíme, že ϕ0 = 0,22 a B = 2,9E-4 psi-1 (obr. 6, černá čára).

Díky B a ϕ0 se pak rovnice 1 použije k odhadu tlaku bahna podél vrtu (obr. 2a, modrá čára) s ϕm vypočteným z rovnice 2. Pro výpočet rychlosti slínovce jsme vybrali slínovce podél vrtu v intervalech 30-40 stop (9-12 m) a na příslušná měření kompresního sonického záznamu jsme použili klouzavý průměr s 5 výběry. Pro každý výběr slínovce jsme vypočítali ϕ z rychlosti slínovce (rovnice 2) a ϕm z teploty (rovnice 3). Hodnoty ϕ a ϕm dosadíme do rovnice 1, čímž vyřešíme \({\sigma ^{\prime} }_{v}\) a poté u.

Tuto metodu (kalibrovanou v Macondu) použijeme k odhadu tlaku v bahně v bodě 562-1 (obr. 3). Těsná shoda mezi odhadnutými tlaky v slínovci a naměřenými tlaky v pískovci, nezávislá na místní kalibraci, podporuje přesnost naší metody v této oblasti. Efektivní napětí v místě 562-1 je zhruba o 500-1 300 psi (3-9 MPa) vyšší než v Macondu (mimo tlakovou regresi). Zvukové pórovitosti bahna jsou v obou vrtech podobné, ale teplotní gradienty se liší. Ve vrtu Macondo je průměrný teplotní gradient 28,4 °C/km oproti 26,1 °C/km ve vrtu 562-1. Nižší teplotní gradient a hlubší voda ve vrtu 562-1 vedou k teplotám M56, které jsou téměř o 20 °C nižší než teploty M56 ve vrtu Macondo. Nižší teplota naznačuje, že slínovec na lokalitě 562-1 je pro danou hloubku více smektitický než slínovec v Macondu, takže sonická pórovitost se transformuje na vyšší \({\sigma }_{v}^{\prime} \) (obr. 6).

Tlak ve vodonosné vrstvě

Přetlak ve vodonosné vrstvě M56 ve vrtu Macondo jsme určili na 3 386 psi (23,35 MPa), ale mohl by být až 3 436 psi (23,69 MPa). U vrtu Galapagos je přetlak ve zvodni M56 pevně omezen na hodnotu 3 433 psi (23,67 MPa). Přetlaky jsou omezeny přímým měřením tlaku v pískovcích M56 ve vrtu Macondo a ve třech vrtech na lokalitě Galapagos (obr. 1, 7). Tyto vrty byly vybrány proto, že měření tlaku byla provedena před zahájením těžby v obou lokalitách; měření jsou tedy interpretována tak, že zaznamenávají tlaky in situ neovlivněné těžbou nebo uvolněním z vrtu Macondo (obr. 1, červené kroužky a žluté hvězdičky). Mnohá měření byla provedena v úsecích s výskytem uhlovodíků. Pro stanovení přetlaku ve zvodni je v takových případech nutné odstranit vztlakový účinek sloupce uhlovodíků (např. cit.18 ). Konkrétně se tlak uhlovodíků promítá až ke kontaktu uhlovodík-voda (HWC) pomocí hustoty uhlovodíků odvozené z MDT (obr. 7). Pro každý vrt v Macondu a na Galapágách omezujeme HWC, hustotu uhlovodíkové fáze a hustotu vodní fáze pomocí záznamů, MDT a seismických dat. Poté vypočítáme přetlak ve vodonosné vrstvě v Macondo a Galapagos, přičemž zohledníme hustotu pórové vody (ua* = u – ρpwgzSS).

Tlak v závislosti na hloubce měření M56 MDT ze čtyř vrtů. Tlaky ve vodní fázi pro struktury Macondo a Galapagos jsou znázorněny modrými přerušovanými čarami. Zelená přerušovaná čára označuje uhlovodíkový gradient M56 v Macondu. Plné vodorovné čáry označují pozorované a odhadované kontakty uhlovodík-voda.

U Maconda interpretujeme, že čtyřcestný uzávěr struktury M56 (obr. 1b) byl vyplněn až k bodu rozlití. Interpretujeme hřeben struktury ve výšce 17 720 stop (5401 m), sedlo ve výšce 18 375 stop (5601 m), a tedy výšku sloupu 655 stop (200 m) pomocí hloubkové korekce interpretace společnosti BP před vrtem15. Společnost BP interpretovala, že seismické amplitudy podporují tuto interpretaci HWC15 s výplní až po výsypku. Vypočítali jsme přetlak ve vodonosné vrstvě, ua*, rovnající se 3 386 psi (23,35 MPa) za použití uhlovodíkového gradientu 0,24 psi/ft (5,43 MPa/km) a gradientu pórové vody 0,465 psi/ft (10,52 MPa/km). Je možné, že struktura nebyla naplněna až po rozlití, a proto je HWC mělčí. LLOG-253-1 (obr. 1, nejsevernější modrá tečka) poskytuje nejhlubší průnik uhlovodíků M56 ve struktuře Macondo ve výšce 18 150 stop (5 532 m), což dává horní hranici přetlaku ve vodonosné vrstvě 3 436 psi (23,5 %).69 MPa)

Tři vývojové vrty Galapagos (519-1, 519-2 a 562-1) (obr. 1) omezují tlak ve zvodni v tomto místě na jedinou hodnotu (obr. 7). Ve vrtu 519-1 tvoří M56 dva vertikálně uložené pískovcové laloky. Každý lalok vykazuje odlišnou HWC, ale oba mají společnou hodnotu ua* 3 436 psi (23,69 MPa). Ve vrstvě 519-2 se v M56 vyskytla pouze voda, která dává ua* 3 430 psi (23,65 MPa). Na základě těchto měření 519-2 MDT odhadujeme hustotu vody v pórech M56 na 0,465 psi/ft (10,52 MPa/km). Vrt 562-1 narazil na uhlovodíky v M56 a nepronikl do HWC. Výpočet tlaku ve vodonosné vrstvě, který předpokládá, že HWC se nachází těsně pod pískovcem, dává ua* 3 433 psi (23,67 MPa), což je téměř totožné s hodnotami zjištěnými ve vrtech 519-1 a 519-2. V případě, že se HWC nachází těsně pod pískovcem, je ua* 3 433 psi (23,67 MPa). K popisu přetlaku ve zvodni ve vývoji Galapagos používáme průměrnou hodnotu 3 433 psi (23,67 MPa).

Teplotní profily

Teplotní profily ve vrtech Macondo a 562-1 jsme určili na základě teplot zaznamenaných při odběru vzorků pórové tekutiny MDT (obr. 8, otevřené symboly). Teploty mezi 113,3 a 113.7 °C byly zaznamenány na třech vzorkovacích místech MDT ve vrtu Macondo mezi 13 008 a 13 064 stopami (3 965 a 3 982 m) pod mořským dnem (obr. 8, obdélníky). Ve vrtu 562-1 byly na čtyřech vzorkovacích místech MDT zaznamenány teploty mezi 93,5 a 98,4 °C v hloubce mezi 11 633 a 12 316 stopami (3 545 a 3 754 m) pod mořským dnem (obr. 8, kosočtverce). Teplotní model společnosti BP pro Macondo (obr. 8, horní černá čára)8 je o 3,8 °C vyšší než průměr zaznamenaných teplot v M56 (obr. 8, obdélníkové chybové úsečky). Předpokládáme, že tento rozdíl odráží korekci na ochlazování vrtu. V Macondu byla měření MDT pořízena tři dny po ukončení vrtání, což je srovnatelné se čtyřdenní mezerou v 562-1. Proto jsme na měření v 562-1 použili stejnou korekci 3,8 °C (obr. 8, kosočtvercové chybové úsečky). Náš teplotní model pro vrt 562-1 předpokládá lineární pokles od korigovaných měření z rezervoáru k mořskému dnu (obr. 8, spodní černá čára). Teplota vody na mořském dně v hlubokých vodách Mexického zálivu se blíží 4 °C pro hloubky vody pozorované v Macondo a 562-1.

Teplota v závislosti na hloubce pod mořským dnem v Macondo a 562-1. Otevřené symboly znázorňují měření teploty pórové kapaliny MDT. Chybové úsečky promítnuté zprava představují korekci na ochlazování vrtu. V Macondu je použit teplotní model společnosti BP; teploty v objektu 562-1 jsou modelovány pomocí lineární projekce na mořské dno. Barevné schéma a tečkované čáry znázorňují teplotně odvozené přechodové zóny S/I.

.