Macondo pórusnyomás és feszültségprofil

A burkolati feszültséget a vízoszlop súlyának és a felette lévő üledék súlyának integrálásával számítják ki. A Macondo kút azon részein, ahol nem szereztek sűrűségadatokat, a közeli kutakból származó sűrűségnapló-adatokat kombináljuk. A naplókat korrigáltuk a fúrólyuk kimosódásának és a szénhidrogének jelenlétének figyelembevételével. Ahol nem állnak rendelkezésre sűrűségi adatok, ott sebesség-sűrűség transzformációt alkalmazunk31. Ha sem sűrűség-, sem sebességadatok nem állnak rendelkezésre, az intervallum feletti és alatti sűrűség exponenciális interpolációját használják12.

A szakma rutinszerűen méri a pórusnyomást és vesz folyadékmintákat viszonylag áteresztő képződményekből drótvezetékes eszközökkel (pl. Modular Formation Dynamics TesterTM, MDT) és közvetlenül a fúrószálból (GeotapTM). A Macondo kútnál a BP 21 nyomást mért négy homokkőben a kút alján, 17 600 és 18 150 láb (5 364 és 5 532 m) között (2a. ábra, körök). A Texaco 252-1 kútnál, amely a Macondo kúttól 1,27 mérfölddel (2,04 km) délnyugatra található, 70 MDT nyomást mértek kilenc homokkőben 8 900 és 12 500 láb (2 700 és 3 800 m) között (2a. ábra, négyzetek). Ezeket az MDT-méréseket a Macondo kút helyére korrigáltuk, feltételezve a tengerfenékkel párhuzamos folyamatos rétegtani felépítést32.

A pórusnyomást a fúrólyukba beáramló folyadékból (kicks) és a bejövő fúróiszapban észlelt megemelkedett gázszintekből is meghatározzuk. A kilövések és a magas gázszint akkor fordul elő, amikor a pórusnyomás meghaladja a fúrófolyadék hidraulikus nyomását a feltárt fúrólyukban. A fúrási műveletek során hat ilyen esemény történt (2., 3. és 5. ábra, nyitott háromszögek). Az esemény előtti, alatti és utáni fúrási információk felhasználásával megbecsüljük az esemény helyét és a pórusnyomást.

A fúrási információk közé tartozik a homokkő elhelyezkedése, a feltárt fúrólyuk hossza, a bejövő iszap gáztartalma, a felszíni iszap tömege, az egyenértékű statikus sűrűség, az egyenértékű keringési sűrűség és a lezárt fúrócső nyomása. Az egyenértékű iszapsúly egy másik módja a nyomás kifejezésének, amely a fúrófolyadék átlagos sűrűségét használja a fúrófenéktől a fúrólyuk egy helyéig. Az egyenértékű statikus sűrűség a lyuk alatti nyomás egyenértékű iszapsúlyként kifejezve, amikor az iszapszivattyúk le vannak állítva, és így nincs keringés. Az egyenértékű cirkulációs sűrűség a fúrólyukban uralkodó nyomás egyenértékű iszapsúlyban kifejezve, miközben a fúrófolyadékok cirkulálnak. A keringési sűrűség nagyobb, mint az egyenértékű statikus sűrűség a folyadék keringése által okozott súrlódás miatt.

A törési nyomás a formáció hidraulikus töréséhez szükséges fúrólyuknyomás. Általában közel van a regionális legkisebb főfeszültséghez, de a fúrólyuk geometriájából és a kőzet kohéziós szilárdságából adódó feszültségperturbációk befolyásolhatják. A törési nyomást a 9 7/8″-es béléscső alatti négy helyen korlátozzák (5. ábra). A törésnyomás-értelmezésekhez a lyuk alatti statikus és dinamikus fúrási nyomást használják, amely az egyes elvesztett iszapesemények előtt, alatt és után következik be (5. ábra, barna háromszögek). A törési nyomás felső határát a veszteségek kezdetekor az egyenértékű keringési sűrűséggel határozzuk meg, az alsó határát pedig abból a legmagasabb statikus vagy dinamikus nyomásból, amelynél a kút a veszteséges esemény előtt vagy után stabil (részletes magyarázatért lásd a 32. hivatkozást). Általánosan elfogadott, hogy az iszapkő helyszíni feszültsége nagyobb, mint a homokkőé25 , ezért a veszteség helyét a veszteséges esemény idején a fúrófejhez legközelebbi homokkőben feltételezzük. A törésnyomást a 9 7/8″-es formációintegritási próbával (FIT) is korlátozzák (5. ábra, barna négyzet). A cementált béléscső cipőjének kifúrása után a feltárt formáció nyomását az üledék feletti feszültségre növelték anélkül, hogy folyadékveszteséget tapasztaltak volna. Ez a vizsgálati eredmény további bizonyítékot szolgáltat arra, hogy a későbbi veszteségek mélyebben, az M56 tározóintervallumban következtek be.

Sárkő pórusnyomás

A Mexikói-öbölben a túlnyomás elsődleges forrása ennek az alacsony permeabilitású anyagnak a gyors lerakódása33. Nem célszerű közvetlenül mérni a nyomást ezekben az alacsony áteresztőképességű iszapkövekben. Ehelyett az iszapkő pórusnyomását általában a kőzet tömörségi állapota (porozitása) alapján becsülik meg, amelyet általában ellenállással, sűrűséggel vagy sebességgel mérnek34,35 . Ebben a megközelítésben korrelációt állítanak fel e petrofizikai mutatók egyike és a függőleges effektív feszültség, \({\sigma ^{\prime} }_{v}\) között. A korreláció megállapítása után \({\sigma ^{\prime} }_{v}\) meghatározható a megfigyelt tulajdonság (pl. sebesség, sűrűség, fajlagos ellenállás) alapján. Miután \({\sigma ^{\prime} }_{v}\) meghatározásra került, a pórusnyomás, u, könnyen meghatározható, ha ismert a fedőfeszültség, σv, (u = σv – \({\sigma ^{\prime} }_{v}\)).

A Mexikói-öböl mélyvízi neogén üledékeiben a pórusnyomás nem írható le pontosan egyetlen tömörítési görbével. Ennek az az oka, hogy a mélyebb, forróbb és idősebb iszapkövek azonos effektív feszültség mellett nagyobb tömörödésen mentek keresztül, mint a sekélyebb iszapkövek. Az agyag diagenezisét tartják e viselkedés elsődleges okának, és a szmektit-illit átalakulást (S/I) tartják a legjelentősebbnek36,37,38 . Az illitosabb anyagnak alacsonyabb a porozitása egy adott effektív feszültség mellett, mint a szmektitosabb anyagnak39,40 . Követjük a 39. hivatkozást és feltételezzük:

Az egyenlet bal oldala. 1 a teljes porozitás, ϕ, csökkentve az agyaghoz kötött vízzel kitöltött pórustérfogattal, ϕm. A szmektit molekulaszerkezete könnyen hidratálható köztes réteggel rendelkezik, míg az illit nem41 ; így az illitben az agyaghoz kötött víz mennyisége kisebb, mint a szmektitben (ϕm,i < ϕm,s). Az 1. egyenlet jobb oldala egy jól ismert trend az iszapkő tömörödésére (pl. hivatkozások13,35), és itt a szemcsék közötti porozitásvesztést írja le az effektív feszültséggel. Nem jól ismert, hogy ϕ0 vagy B változik-e az S/I átalakulás mértékével, ezért feltételezzük, hogy állandóak (ref.39)

A modellt úgy kalibráljuk, hogy meghatározzuk az effektív feszültséget az iszapkövekben, amelyek szomszédosak azokkal a helyekkel, ahol a homokkövekben nyomást mértünk. Feltételezzük, hogy az iszapkőben lévő u* túlnyomás megegyezik a közeli homokkőben mért u*-val (pl. ref.21), és az iszapkő nyomását és a túlnyomást használjuk az effektív feszültség kiszámításához (u = σv – \({\sigma ^{\prime} }_{v}\)). Ezután meghatározzuk az iszapkő porozitását minden egyes helyen a sebességnapló után42:

ahol vma a mátrixsebesség, v a sebességnapló mérése, x pedig egy empirikusan levezetett akusztikus képződési tényező exponens. A Mexikói-öböl neogén üledékeire vonatkozó precedensek21,35,42 alapján x = 2,19 és vma = 14,909 ft/s (4,545 m/s). A sekély, hűvösebb helyszíni hőmérsékletű helyeken adott effektív feszültség mellett nagyobb a porozitás, mint a mélyebb és melegebb helyeken (6. ábra). Ez a kontraszt leginkább az 1500 psi (10 MPa) effektív feszültséggel egyenlő függőleges feszültségnél szembetűnő, ahol a sekély szelvényben a porozitás, ϕ, 9 porozitásegységgel nagyobb (6. ábra, zöld szimbólumok), mint a mélyebb szelvényben (6. ábra, piros szimbólumok). Úgy értelmezzük, hogy a mélyebb üledékek elvesztették az agyaghoz kötött ϕm vizet, mivel az iszapkőben lévő szmektit a betemetéssel illitté alakult át.

Az iszapkő porozitása az effektív feszültség függvényében. A színkódolt szimbólumok a helyszíni hőmérsékletet jelölik az egyes iszapkő porozitás-hatásos feszültség kalibrációs pontokhoz. A pontokat korrigáltuk az agyaghoz kötött víz porozitására (nyitott szimbólumok), majd az 1. egyenlet kalibrálására használtuk (fekete vonal). A szaggatott vonalak a porozitás-hatásos feszültség összefüggéseket mutatják különböző hőmérsékletekre (színkódolva) és agyaghoz kötött víz porozitására, ϕm. Az M56-ból származó méréseket (\(\sigma ^{\prime} }_{v}\) > 2500 psi vagy 17 MPa) a szénhidrogén felhajtóerővel korrigáltuk. A porozitást a sebességből becsüljük (2. egyenlet).

Feltételezzük, hogy az S/I átalakulás során az agyaghoz kötött víz felszabadulásából származó porozitásveszteség lineárisan arányos a hőmérséklettel, és hogy az átalakulás 70 °C-on kezdődik és 110 °C-on tetőzik. Ez megközelíti az S/I átalakulás fő fázisát43,44,45 a lerakódástörténetre és a kémiai összetételre vonatkozó további megkötések nélkül46. Lahann39 nyomán ϕm = 0,12-t feltételezünk a szmektitos iszapkőre és ϕm = 0,03-at az illitos iszapkőre. E feltételezések alapján az agyaghoz kötött víz porozitása:

ahol T a hőmérséklet, Ts és Ti pedig a szmektit (70 °C) és az illit (110 °C) átalakulási határhőmérséklete. Kombináljuk a 2. és 3. egyenletet, és megoldjuk a ϕ – ϕm függvényt a 6. ábra összes ϕ vs. \({\sigma ^{\prime} }_{v}\) pontjára. Ezután a legkisebb négyzetek regresszióját használjuk az 1. egyenlet megszorítására, és ϕ0 = 0,22 és B = 2,9E-4 psi-1 (6. ábra, fekete vonal).

A B és ϕ0 ismeretében az 1. egyenletet a fúrás mentén az iszapkő nyomásának becslésére használjuk (2a. ábra, kék vonal) a 2. egyenletből számított ϕm segítségével. Az iszapkősebesség kiszámításához a fúrás mentén 30-40 láb (9-12 m) időközönként kiválasztottuk az iszapköveket, és a megfelelő kompressziós szonikus log-mérésekhez 5 pick mozgó átlagot alkalmaztunk. Minden egyes iszapkő szedéshez kiszámítottuk a ϕ értéket az iszapkő sebességéből (2. egyenlet) és a ϕm értéket a hőmérsékletből (3. egyenlet). A ϕ és ϕm értékeket beírjuk az 1. egyenletbe, megoldva \({\sigma ^{\prime} }_{v}\), majd u.

Ezt a (Macondónál kalibrált) módszert alkalmazzuk az iszapkő nyomásának becslésére az 562-1-nél (3. ábra). A becsült iszapkőnyomás és a mért homokkőnyomás közötti szoros egyezés, függetlenül a helyi kalibrációtól, alátámasztja módszerünk pontosságát ebben a régióban. Az 562-1-nél az effektív feszültségek nagyjából 500-1 300 psi-vel (3-9 MPa) magasabbak, mint a Macondónál (a nyomásregresszión kívül). Az iszapkő szonikus porozitása mindkét kútban hasonló, de a hőmérsékleti gradiensek eltérőek. A Macondo kút átlagos hőmérsékleti gradiense 28,4 °C/km, míg az 562-1 kúté 26,1 °C/km. Az alacsonyabb hőmérsékleti gradiens és a mélyebb víz az 562-1 kútnál azt eredményezi, hogy az M56 hőmérséklete közel 20 °C-kal alacsonyabb, mint az M56 hőmérséklete a Macondónál. Az alacsonyabb hőmérséklet azt jelzi, hogy az 562-1-nél lévő iszapkő adott mélységben szmektitikusabb, mint a Macondónál lévő iszapkő, így a szonikus porozitások magasabb \({\sigma }_{v}^{\prime} \) \-re változnak (ábra.

A víztartó réteg nyomása

Az M56 víztartó réteg túlnyomását a Macondo kútnál 3.386 psi (23,35 MPa) értékben határoztuk meg, de akár 3.436 psi (23,69 MPa) is lehet.) A Galapagos-fejlesztésnél az M56 víztartó réteg túlnyomása szigorúan 3 433 psi (23,67 MPa). A túlnyomásokat a Macondo kútnál és a Galapagos fejlesztési terület három kútjánál az M56 homokkövekben végzett közvetlen nyomásmérésekkel korlátozták (1., 7. ábra). Ezeket a kutakat azért választottuk ki, mert a nyomásméréseket mindkét helyen a kitermelés előtt végezték; így a méréseket úgy értelmezzük, hogy azok a kitermelés vagy a Macondo kibocsátása által nem befolyásolt in-situ nyomásokat rögzítik (1. ábra, piros körök és sárga csillagok). Számos mérést szénhidrogén-tartalmú szelvényeken belül végeztek. A víztartó réteg túlnyomásának meghatározásához ilyen esetekben el kell távolítani a szénhidrogénoszlop felhajtó hatását (pl. 18. hivatkozás). Pontosabban, a szénhidrogénnyomást a szénhidrogén-víz érintkezési pontig (HWC) vetítjük le az MDT által levezetett szénhidrogén-sűrűség segítségével (7. ábra). A Macondo- és Galapagos-kutak esetében a HWC-t, a szénhidrogén-fázis sűrűségét és a vízfázis sűrűségét log-, MDT- és szeizmikus adatokkal korlátozzuk. Ezután kiszámítjuk a víztartó réteg túlnyomását Macondóban és Galapagosban, figyelembe véve a pórusvíz sűrűségét (ua* = u – ρpwgzSS).

A négy kútból származó M56 MDT-mérések nyomása a mélység függvényében. A Macondo- és Galapagos-szerkezetek vízfázisú nyomása kék szaggatott vonalakkal látható. Zöld szaggatott vonal jelöli az M56 szénhidrogén-gradienst Macondónál. Az egybefüggő vízszintes vonalak a megfigyelt és becsült szénhidrogén-víz kontaktusokat jelölik.

A Macondónál úgy értelmezzük, hogy az M56 szerkezet (1b. ábra) négyirányú záródása a kiömlési pontig kitöltődött. A BP fúrás előtti értelmezését15 mélység-korrigálva a BP mélység-korrekciójával értelmezzük, hogy a szerkezet csúcsa 17 720 lábnál (5401 m), a nyereg 18 375 lábnál (5601 m), és így az oszlop magassága 655 láb (200 m). A BP értelmezése szerint a szeizmikus amplitúdók a HWC15 esetében alátámasztják ezt a kitöltésig tartó értelmezést. A víztartó réteg túlnyomását, ua*, 3 386 psi (23,35 MPa) értékűre számoltuk, 0,24 psi/ft (5,43 MPa/km) szénhidrogén gradiens és 0,465 psi/ft (10,52 MPa/km) pórusvíz gradiens alkalmazásával. Lehetséges, hogy a szerkezetet nem töltötték fel a kiömlésig, így a HWC sekélyebb. A LLOG-253-1 (1. ábra, legészakibb kék pont) az M56 legmélyebb szénhidrogén-tartalmú behatolása a Macondo szerkezetben, 18 150 láb (5 532 m), ami a víztartó réteg túlnyomásának felső határát 3 436 psi (23. ábra) adja.69 MPa)

A három Galapagos fejlesztési kút (519-1, 519-2 és 562-1) (1. ábra) egyetlen értékre korlátozza a víztartó réteg nyomását ezen a helyen (7. ábra). Az 519-1-nél két függőlegesen egymásra épülő homokkőlebeny alkotja az M56-ot. Mindkét lebeny különálló HWC-t mutat, de mindkettő közös ua* értéke 3 436 psi (23,69 MPa). Az 519-2 csak vízzel találkozott az M56-ban, amelynek ua* értéke 3,430 psi (23,65 MPa). Ezeket az 519-2 MDT méréseket használjuk az M56 pórusvíz sűrűségének 0,465 psi/ft (10,52 MPa/km) becsléséhez. Az 562-1 szénhidrogénnel találkozott az M56-ban, és nem hatolt a HWC-be. A víztartó réteg nyomásának számítása, amely feltételezi, hogy a HWC közvetlenül a homokkő alatt van, 3 433 psi (23,67 MPa) ua* értéket eredményez, amely közel azonos az 519-1 és 519-2 kutaknál megfigyelt értékekkel. Az átlagot, 3,433 psi-t (23,67 MPa) használjuk a Galapagos-fejlődésnél a víztartó réteg túlnyomásának leírására.

Hőmérsékleti profilok

A Macondo és az 562-1 kútnál a hőmérsékleti profilokat az MDT pórusfolyadék-mintavételek során rögzített hőmérsékletek alapján határoztuk meg (8. ábra, nyitott szimbólumok). A 113,3 és 113,3 közötti hőmérsékleteket.7 °C-ot mértek a Macondo kút három MDT mintavételi pontján a tengerfenék alatt 13 008 és 13 064 láb (3 965 és 3 982 m) között (8. ábra, téglalapok). Az 562-1 kútnál négy MDT mintavételi ponton 93,5 és 98,4 °C közötti hőmérsékletet mértek a tengerfenék alatt 11 633 és 12 316 láb (3 545 és 3 754 m) közötti mélységben (8. ábra, rombuszok). A BP Macondóra vonatkozó hőmérsékleti modellje (8. ábra, felső fekete vonal)8 3,8 °C-kal magasabb, mint az M56-ban mért hőmérsékletek átlaga (8. ábra, téglalap alakú hibasávok). Feltételezzük, hogy ez a különbség a fúrólyukak hűtésének korrekcióját tükrözi. Macondóban az MDT-méréseket három nappal a fúrás befejezése után végezték, ami hasonló az 562-1-nél tapasztalt négynapos különbséghez. Ezért ugyanazt a 3,8 °C-os korrekciót alkalmazzuk az 562-1-es mérésekre (8. ábra, rombusz alakú hibasávok). Az 562-1-re vonatkozó hőmérsékleti modellünk lineáris csökkenést feltételez a korrigált tározó méréseitől a tengerfenékig (8. ábra, alsó fekete vonal). A tengerfenék vízhőmérséklete a Mexikói-öböl mélyvizében megközelíti a 4 °C-ot a Macondónál és az 562-1-nél megfigyelt vízmélységekben.

Hőmérséklet a tengerfenék alatti mélység függvényében a Macondónál és az 562-1-nél. A nyitott szimbólumok az MDT pórusfolyadék-hőmérsékleti méréseit mutatják. A jobbról kivetített hibasávok a fúrólyuk hűtésére vonatkozó korrekciót jelentik. A Macondónál a BP hőmérsékleti modelljét használtuk; az 562-1 hőmérsékletét a tengerfenékre való lineáris vetítéssel modelleztük. A színséma és a szaggatott vonalak a hőmérsékletből származtatott S/I átmenet zónáit mutatják.