Macondon huokospaine- ja jännitysprofiili

Ylipohjavesijännitys lasketaan integroimalla vesipatsaan paino ja yläpuolisen sedimentin paino. Yhdistämme läheisistä kaivoista saadut tiheyslokitiedot Macondon porausreiän niihin osiin, joista ei saatu tiheystietoja. Tiheyslokeja korjataan porausreiän huuhtoutumisen ja hiilivetyjen esiintymisen huomioon ottamiseksi. Jos tiheystietoja ei ole saatavilla, käytetään nopeuden muuntamista tiheydeksi31. Jos tiheys- tai nopeustietoja ei ole saatavilla, käytetään eksponentiaalista interpolointia tiheyden välillä intervallin ylä- ja alapuolella12.

Teollisuus mittaa rutiininomaisesti huokospaineita ja ottaa nestenäytteitä suhteellisen läpäisevistä muodostumista vaijerityökaluilla (esim. Modulaarinen muodostumadynamiikkatesteri, MDT) ja suoraan porausjohdosta (GeotapTM). Macondon porausreiässä BP mittasi 21 paineita neljässä hiekkakivessä porausreiän pohjalla 17 600 ja 18 150 jalan (5 364 ja 5 532 m) välillä (kuva 2a, ympyrät). Texacon 252-1-porauskaivossa, joka sijaitsi 1,27 mailia (2,04 km) Macondon porauskaivosta lounaaseen, mitattiin 70 MDT-paineita yhdeksässä hiekkakivessä 2 700-3 800 metrin (8 900-12 500 ft) välillä (kuva 2a, neliöt). Nämä MDT-mittaukset on korjattu Macondon porausreiän sijaintiin olettaen, että merenpohjan suuntainen stratigrafia on jatkuvaa32.

Korjaamme huokospaineen myös porausreikään tulevasta nesteestä (potkuista) ja sisään tulevassa porauslietteessä havaituista kohonneista kaasutasoista. Potkuja ja korkeita kaasupitoisuuksia esiintyy, kun huokospaine ylittää porausnesteen hydraulisen paineen paljastuneessa porausreiässä. Porausoperaatioiden aikana tapahtui kuusi tällaista tapahtumaa (kuvat 2, 3 ja 5, avoimet kolmiot). Käyttämällä poraustietoja ennen tapahtumaa, sen aikana ja sen jälkeen arvioimme tapahtuman sijainnin ja huokospaineen.

Poraustietoja ovat muun muassa hiekkakivien sijainti, alttiina olevan porareiän pituus, tulevan lietteen kaasupitoisuus, pintalietteen paino, ekvivalentti staattinen tiheys, ekvivalentti kiertotiheys ja suljetun poraputken paine. Ekvivalentti mutapaino on toinen tapa ilmaista paine käyttämällä porausnesteen keskimääräistä tiheyttä porauspohjalta porausreiässä olevaan paikkaan. Ekvivalentti staattinen tiheys on porausreiän paine ilmaistuna ekvivalenttisena mutapainona, kun mutapumput ovat pois päältä eikä kiertoa ole. Ekvivalentti kiertävä tiheys on porausreiän paine ilmaistuna ekvivalenttisena mutapainona, kun porausnesteet kiertävät. Kiertävä tiheys on suurempi kuin ekvivalentti staattinen tiheys, koska nesteen kierto aiheuttaa kitkaa.

Murtopaine on porausreiän paine, joka tarvitaan muodostuman hydrauliseen murtamiseen. Se on yleensä lähellä alueellista pienintä pääjännitystä, mutta siihen voivat vaikuttaa porausreiän geometriasta ja kiven koheesiolujuudesta johtuvat jännityshäiriöt. Murtumispaine on rajoitettu neljässä kohdassa 9 7/8 tuuman linerin alapuolella (kuva 5). Reiässä vallitsevia staattisia ja dynaamisia porauspaineita, jotka johtavat ennen kutakin mutahäviötapahtumaa, sen aikana ja sen jälkeen, käytetään murtumapaineen tulkintojen kiinnittämiseen (kuva 5, ruskeat kolmiot). Määritämme murtumispaineen ylärajan ekvivalentin kiertotiheyden avulla, kun häviöt alkoivat, ja alarajan korkeimmasta staattisesta tai dynaamisesta paineesta, jolla kaivo on vakaa ennen häviötapahtumaa tai sen jälkeen (ks. yksityiskohtainen selitys viitteessä 32). Yleisesti hyväksytään, että mutakiven in situ -jännitys on suurempi kuin hiekkakiven25 , joten häviöpaikan oletetaan tapahtuvan siinä hiekkakivessä, joka on lähimpänä poraa häviötapahtuman tapahtumahetkellä. Murtumispaine rajoitetaan myös 9 7/8″ muodostuman eheystestillä, FIT (kuva 5, ruskea neliö). Kun sementoidusta vuorikengästä oli porattu ulos, paljastuneeseen muodostumaan kohdistuva paine nostettiin yläpuolisen jännityksen yläpuolelle ilman nestehäviötä. Tämä testitulos on lisätodiste siitä, että myöhemmät häviöt tapahtuivat syvemmällä, M56-säiliövälissä.

Mudstone Pore Pressure

Tämän heikosti läpäisevän materiaalin nopea laskeutuminen on ensisijainen ylipaineen lähde Meksikonlahdella33. Ei ole käytännöllistä mitata suoraan painetta näissä heikosti läpäisevissä mutakivissä. Sen sijaan mutakiven huokospaine arvioidaan yleensä kiven tiivistymistilan (huokoisuuden) perusteella, joka mitataan yleensä resistiivisyyden, tiheyden tai nopeuden avulla34,35. Tässä lähestymistavassa luodaan korrelaatio yhden näistä petrofysikaalisista mittareista ja vertikaalisen efektiivisen jännityksen \({\sigma ^{\prime} }_{v}\) välille. Kun korrelaatio on luotu, \({\sigma ^{\prime} }_{v}\) määritetään havaitun ominaisuuden (esim. nopeus, tiheys, ominaisvastus) perusteella. Kun \({\sigma ^{\prime} }_{v}\) on määritetty, huokospaine u on helposti määritettävissä, jos pintamaan jännitys σv tunnetaan (u = σv – \({\sigma ^{\prime} }_{v}\)).

Meksikonlahden syvänmeren neogeenisedimenttien huokospaineita ei voida kuvata tarkasti yksittäisellä tiivistymiskäyrällä. Tämä johtuu siitä, että syvemmät, kuumemmat ja vanhemmat mutakivet ovat kokeneet enemmän tiivistymistä kuin matalammat mutakivet samalla tehollisella jännityksellä. Tämän käyttäytymisen ensisijaisena syynä pidetään saven diageneesiä, ja merkittävimpänä syynä pidetään smektiitin muuttumista illitiitiksi (S/I)36,37,38. Illitiittisemmän materiaalin huokoisuus on alhaisempi tietyllä tehollisella jännityksellä kuin smektiittisemmän materiaalin39,40. Noudatamme viitteitä 39 ja oletamme:

Yhtälön vasen puoli. 1 on kokonaishuokoisuus ϕ, josta on vähennetty saveen sitoutuneen veden täyttämä huokostilavuus ϕm. Smektiitin molekyylirakenteessa on helposti hydratoituva välikerros, kun taas illitiitissä ei ole41 ; näin ollen illitiitissä on vähemmän saveen sitoutunutta vettä kuin smektiitissä (ϕm,i < ϕm,s). Yhtälön 1 oikea puoli on hyvin vakiintunut suuntaus mutakiven tiivistymiselle (esim. refs13,35), ja tässä se kuvaa rakeiden välistä huokoisuushäviötä tehokkaan jännityksen myötä. Ei tiedetä tarkkaan, vaihteleeko ϕ0 tai B S/I-muunnoksen asteen mukaan, joten oletamme, että ne ovat vakioita (ref.39)

Kalibroimme mallin määrittämällä tehollisen jännityksen mutakivissä, jotka ovat vierekkäin niiden paikkojen kanssa, joissa paine on mitattu hiekkakivistä. Oletamme, että mutakivessä oleva ylipaine, u*, on yhtä suuri kuin läheisestä hiekkakivestä mitattu u* (esim. ref.21), ja käytämme mutakiven painetta ja ylipaineita tehokkaan jännityksen laskemiseen (u = σv – \({\sigma ^{\prime} }_{v}\)). Seuraavaksi määritetään mutakiven huokoisuus kussakin paikassa nopeuslokin jälkeen42:

missä vma on matriisin nopeus, v on nopeuslokin mittaus ja x on empiirisesti johdettu akustinen muodostumiskertoimen eksponentti. Oletamme, että x = 2,19 ja vma = 14 909 ft/s (4 545 m/s) Meksikonlahden neogeenisedimenttejä koskevien ennakkotapausten mukaisesti21,35,42. Matalissa paikoissa, joissa on viileämpi sisälämpötila, on suurempi huokoisuus tietyllä tehollisella jännityksellä kuin syvemmissä ja lämpimämmissä paikoissa (kuva 6). Tämä ero on selvin vertikaalisessa tehollisessa jännityksessä, joka on 10 MPa (1 500 psi), jolloin huokoisuus ϕ on matalassa osassa 9 huokoisuusyksikköä suurempi (kuva 6, vihreät symbolit) kuin syvemmällä osassa (kuva 6, punaiset symbolit). Tulkitsemme, että syvemmät sedimentit ovat menettäneet saveen sitoutunutta vettä ϕm, kun mutakiven smektiitti on muuttunut illitiitiksi hautautumisen myötä.

Mudakiven huokoisuus vs. efektiivinen jännitys. Värikoodatuilla symboleilla on merkitty in situ -lämpötila kullekin mutakiven huokoisuus-efektiivinen jännitys -kalibrointipisteelle. Pisteet korjataan saveen sidotun vesihuokoisuuden osalta (avoimet symbolit), minkä jälkeen niitä käytetään yhtälön 1 kalibrointiin (musta viiva). Katkoviivat osoittavat huokoisuus-efektiivisen jännityksen suhteet eri lämpötiloille (värikoodattu) ja saveen sidotun veden huokoisuuksille, ϕm. M56:sta saadut mittaukset (\(\sigma ^{\prime} }_{v}\) > 2 500 psi tai 17 MPa) on korjattu hiilivetyjen kelluvuuden mukaan. Huokoisuus arvioidaan nopeuden perusteella (yhtälö 2).

Oletamme, että huokoisuushäviö, joka aiheutuu saveen sitoutuneen veden vapautumisesta S/I-muunnoksen aikana, on lineaarisesti verrannollinen lämpötilaan ja että muutos alkaa 70 °C:ssa ja saavuttaa tasotason 110 °C:ssa. Tämä vastaa likimain S/I-muunnoksen päävaihetta43,44,45 ilman laskeumahistoriaa ja kemiallista koostumusta koskevia lisärajoitteita46. Noudatamme Lahannia39 ja oletamme, että ϕm = 0,12 smektiittiselle mutakivelle ja ϕm = 0,03 illitiittiselle mutakivelle. Näiden oletusten perusteella saveen sitoutuneen veden huokoisuus on:

jossa T on lämpötila ja Ts ja Ti ovat smektiitin (70 °C) ja illiitin (110 °C) muuntumisrajan lämpötilat. Yhdistetään yhtälöt 2 ja 3 ja ratkaistaan ϕ – ϕm kaikille ϕ vs. \({\sigma ^{\prime} }_{v}\) pisteille kuvassa 6. Tämän jälkeen käytämme pienimmän neliösumman regressiota yhtälön 1 rajoittamiseksi ja löydämme ϕ0 = 0,22 ja B = 2,9E-4 psi-1 (kuva 6, musta viiva).

Kun B ja ϕ0 on annettu, yhtälöä 1 käytetään sitten arvioimaan mutakiven painetta pitkin kairausreikää (kuva 2a, sininen viiva) yhtälön 2 avulla lasketun ϕm:n avulla. Mutakiven nopeuden laskemiseksi poimimme mutakiviä pitkin porausreikää 30-40 jalan (9-12 m) välein ja sovelsimme 5 poiminnan liukuvaa keskiarvoa vastaaviin puristusäänilogimittauksiin. Kunkin mutakivipoimun osalta laskimme ϕ:n mutakiven nopeudesta (yhtälö 2) ja ϕm:n lämpötilasta (yhtälö 3). ϕ ja ϕm syötetään yhtälöön 1, ratkaistaan \({\sigma ^{\prime} }_{v}\) ja sitten u.

Sovellamme tätä menetelmää (joka on kalibroitu Macondossa) arvioidaksemme mutakivipaineen 562-1:ssä (kuva 3). Arvioitujen mutakivipaineiden ja mitattujen hiekkakivipaineiden läheinen vastaavuus, joka on riippumaton paikallisesta kalibroinnista, tukee menetelmämme tarkkuutta tällä alueella. Teholliset jännitykset 562-1:ssä ovat noin 500-1 300 psi (3-9 MPa) korkeammat kuin Macondossa (paineen regression ulkopuolella). Mutakiven äänihuokoisuus on samanlainen molemmissa porausrei’issä, mutta lämpötilagradientit ovat erilaiset. Macondo-kaivon keskimääräinen lämpötilagradientti on 28,4 °C/km, kun se 562-1:ssä on 26,1 °C/km. Alhaisempi lämpötilagradientti ja syvempi vesi 562-1:ssä johtavat M56-lämpötiloihin, jotka ovat lähes 20 °C alhaisemmat kuin M56-lämpötilat Macondossa. Alhaisempi lämpötila osoittaa, että mutakivi 562-1:ssä on tietyllä syvyydellä enemmän smektiittistä kuin Macondon mutakivi, joten äänihuokoisuudet muuttuvat korkeammiksi \({\sigma }_{v}^{\prime} \) (Kuva. 6).

Aquiferin paine

Määritämme M56:n pohjavesikerroksen ylipaineeksi Macondon kaivossa 3 386 psi (23,35 MPa), mutta se voi olla jopa 3 436 psi (23,69 MPa). Galapagosin kehityshankkeessa pohjavesikerroksen M56 ylipaine on tiukasti rajoitettu tasolle 3 433 psi (23,67 MPa). Ylipaineet on rajoitettu suorilla painemittauksilla M56-hiekkakivissä Macondon kaivossa ja Galapagosin alueen kolmessa kaivossa (kuvat 1, 7). Nämä porausreiät on valittu, koska painemittaukset tehtiin ennen tuotantoa kummassakin paikassa, joten mittausten tulkitaan tallentavan paikan päällä vallitsevia paineita, joihin tuotanto tai Macondon päästöt eivät ole vaikuttaneet (kuva 1, punaiset ympyrät ja keltaiset tähdet). Monet mittauksista tehtiin hiilivetyä sisältävissä osissa. Jotta pohjavesikerroksen ylipaine voitaisiin määrittää tällaisissa tapauksissa, hiilivetypylvään kelluva vaikutus on poistettava (esim. viite 18). Hiilivetypaine projisoidaan alaspäin hiilivety-vesi-kontaktiin (HWC) käyttäen MDT:stä johdettua hiilivetyjen tiheyttä (kuva 7). Macondon ja Galapagosin kunkin porausreiän osalta HWC, hiilivetyfaasin tiheys ja vesifaasin tiheys määritetään loki-, MDT- ja seismisten tietojen avulla. Tämän jälkeen laskemme pohjavesikerroksen ylipaineen Macondossa ja Galapagosissa ottaen huomioon huokosveden tiheyden (ua* = u – ρpwgzSS).

Paine vs. syvyys neljästä M56:n porauskaivosta mitattujen MDT-mittausten syvyys. Macondo- ja Galapagos-rakenteiden vesifaasipaineet on esitetty sinisinä katkoviivoin. Vihreällä katkoviivalla on merkitty M56:n hiilivetygradientti Macondossa. Yhtenäiset vaakasuorat viivat paikantavat havaitut ja arvioidut hiilivety-vesi-kontaktit.

Macondon kohdalla tulkitsemme, että M56-rakenteen (kuva 1b) 4-suuntainen sulkeuma täyttyi vuotokohtaan asti. Tulkitsemme rakenteen harjan 5401 metrin (17 720 jalan) korkeudessa, satulan 5601 metrin (18 375 metrin) korkeudessa ja näin ollen pylvään korkeudeksi 200 metriä (655 jalkaa) korjaamalla syvyyskorjauksella BP:n porausta edeltävää tulkintaa15. BP tulkitsi, että seismiset amplitudit tukevat tätä HWC:tä koskevaa tulkintaa, joka ulottuu täytetystä porauksesta poraukseen15. Laskimme pohjavesikerroksen ylipaineen ua* olevan 3 386 psi (23,35 MPa) käyttäen hiilivetygradienttia 0,24 psi/ft (5,43 MPa/km) ja huokosvesigradienttia 0,465 psi/ft (10,52 MPa/km). On mahdollista, että rakennetta ei täytetty vuotoon asti, joten HWC on matalampi. LLOG-253-1 (kuva 1, pohjoisin sininen piste) on Macondo-rakenteen syvin hiilivetyhiilivetyjä sisältävä tunkeuma M56:ssa 18 150 jalan (5 532 m) syvyydellä, mikä antaa pohjavesikerroksen ylipaineen ylärajaksi 3 436 psi (23.).69 MPa)

Kolme Galapagosin kehityskaivoa (519-1, 519-2 ja 562-1) (kuva 1) rajoittavat pohjavesikerroksen paineen tässä kohdassa yhteen arvoon (kuva 7). Pisteessä 519-1 kaksi pystysuoraan päällekkäin olevaa hiekkakivilohkoa muodostavat M56:n. Kummallakin lohkolla on erilainen HWC, mutta molempien ua* on 3 436 psi (23,69 MPa). Kairauksessa 519-2 tavattiin M56:ssa vain vettä, jonka ua* on 3 430 psi (23,65 MPa). Käytämme näitä 519-2:n MDT-mittauksia arvioidaksemme M56:n huokosveden tiheydeksi 0,465 psi/ft (10,52 MPa/km). Porauksessa 562-1 havaittiin hiilivetyä M56:ssa eikä se läpäissyt HWC:tä. Akviferipaineen laskennassa, jossa oletetaan, että HWC on juuri hiekkakiven alapuolella, saadaan ua*:ksi 3 433 psi (23,67 MPa), joka on lähes sama kuin kaivoissa 519-1 ja 519-2 havaitut. Käytämme keskiarvoa, 3 433 psi (23,67 MPa), kuvaamaan pohjavesikerroksen ylipainetta Galapagosin kehityskohteessa.

Lämpötilaprofiilit

Määritimme lämpötilaprofiilit Macondossa ja 562-1:ssä MDT:n huokosnestenäytteiden ottamisen aikana mitattujen lämpötilojen avulla (kuva 8, avoimet symbolit). Lämpötilat välillä 113,3-113.7 °C mitattiin kolmessa MDT-näytepisteessä Macondo-porausreiässä merenpohjan alapuolella 3 965-3 982 metrin syvyydessä (kuva 8, suorakulmiot). Porauksessa 562-1 neljässä MDT-näytepisteessä mitattiin 93,5-98,4 °C:n lämpötiloja syvyyksillä 11 633-12 316 jalkaa (3 545-3 754 m) merenpohjan alapuolella (kuva 8, ruudut). BP:n Macondon lämpötilamalli (kuva 8, ylempi musta viiva)8 on 3,8 °C korkeampi kuin M56:ssa mitattujen lämpötilojen keskiarvo (kuva 8, suorakulmaiset virhepalkit). Oletamme, että tämä ero kuvastaa porakaivon jäähdytyksen korjausta. Macondossa MDT-mittaukset tehtiin kolme päivää kairauksen päättymisen jälkeen, mikä on verrattavissa neljän päivän mittausaikaan 562-1:ssä. Tämän vuoksi sovellamme samaa 3,8 °C:n korjausta 562-1:n mittauksiin (kuva 8, vinoneliön muotoiset virhepalkit). Lämpötilamallimme 562-1:n osalta olettaa, että lämpötila laskee lineaarisesti korjatuista säiliömittauksista merenpohjaan (kuva 8, alempi musta viiva). Merenpohjan veden lämpötila syvänmeren Meksikonlahdella lähestyy 4 °C Macondossa ja 562-1:ssä havaituissa vesisyvyyksissä.

Lämpötila suhteessa syvyyteen merenpohjan alapuolella Macondossa ja 562-1:ssä. Avoimet symbolit osoittavat MDT:n huokosnesteen lämpötilamittauksia. Oikealta projisoidut virhepalkit edustavat porakaivon jäähdytyksen korjausta. Macondossa käytetään BP:n lämpötilamallia; 562-1:n lämpötilat on mallinnettu käyttämällä lineaarista projektiota merenpohjaan. Värimaailma ja katkoviivat osoittavat lämpötilasta johdetut S/I-siirtymävyöhykkeet.