La sovrapressione nel pozzo Macondo e il suo impatto sull'esplosione della Deepwater Horizon | Scientific Reports

La sovrapressione nel pozzo Macondo e il suo impatto sull’esplosione della Deepwater Horizon

Lug 20, 2021

admin

Profilo della pressione e dello stress di poro di Macondo

Lo stress di copertura è calcolato integrando il peso della colonna d’acqua e il peso del sedimento sovrastante. Combiniamo i dati dei log di densità dai pozzi vicini nelle porzioni del pozzo Macondo dove non sono stati acquisiti dati di densità. I log sono corretti per tenere conto del dilavamento del foro e della presenza di idrocarburi. Dove non sono disponibili dati di densità, viene usata una trasformazione da velocità a densità31. Se non sono presenti né dati di densità né di velocità, viene usata un’interpolazione esponenziale tra la densità sopra e sotto l’intervallo12.

L’industria misura abitualmente la pressione dei pori e preleva campioni di fluido da formazioni relativamente permeabili con strumenti wireline (per esempio Modular Formation Dynamics TesterTM, MDT) e direttamente dalla stringa di perforazione (GeotapTM). Nel pozzo Macondo, la BP ha registrato 21 pressioni in quattro arenarie alla base del pozzo tra 17.600 e 18.150 piedi (5.364 e 5.532 m) (Fig. 2a, cerchi). 70 pressioni MDT sono state registrate in nove arenarie tra 8.900 e 12.500 ft (2.700 e 3.800 m) (Fig. 2a, quadrati) al pozzo Texaco 252-1, situato a 1,27 miglia (2,04 km) a SW del pozzo Macondo. Queste misure MDT sono corrette alla posizione del pozzo Macondo assumendo una stratigrafia continua parallela al fondo del mare32.

Abbiamo anche vincolato la pressione dei pori dagli afflussi di fluido nel foro (calci) e livelli elevati di gas rilevati nel fango di perforazione in entrata. I calci e i gas elevati si verificano quando la pressione dei pori supera la pressione idraulica del fluido di perforazione nel foro esposto. Sei di questi eventi si sono verificati durante le operazioni di perforazione (Figg. 2, 3 e 5, triangoli aperti). Usando le informazioni di perforazione prima, durante e dopo un evento, stimiamo la posizione e la pressione dei pori.

Le informazioni di perforazione includono la posizione delle arenarie, la lunghezza del foro esposto, il contenuto di gas del fango in entrata, il peso del fango in superficie, la densità statica equivalente, la densità circolante equivalente e la pressione del tubo di perforazione chiuso. Il peso del fango equivalente è un altro modo di esprimere la pressione utilizzando la densità media del fluido di perforazione dal piano di perforazione a una posizione nel foro. La densità statica equivalente è la pressione downhole espressa come peso di fango equivalente quando le pompe di fango sono spente e quindi non c’è circolazione. La densità equivalente circolante è la pressione di fondo espressa come peso di fango equivalente mentre i fluidi di perforazione circolano. La densità circolante è maggiore della densità statica equivalente a causa dell’attrito causato dalla circolazione del fluido.

La pressione di frattura è la pressione del foro necessaria per fratturare idraulicamente la formazione. È comunemente vicina al minimo stress principale regionale, ma può essere influenzata da perturbazioni di stress dovute alla geometria del foro e alla forza coesiva della roccia. La pressione di frattura è vincolata in quattro punti sotto il liner da 9 7/8″ (Fig. 5). Le pressioni di perforazione statiche e dinamiche che portano a, durante e dopo ogni evento di fango perso sono usate per sostenere le interpretazioni della pressione di frattura (Fig. 5, triangoli marroni). Definiamo il limite superiore della pressione di frattura con la densità di circolazione equivalente quando le perdite sono iniziate e il limite inferiore dalla più alta pressione statica o dinamica alla quale il pozzo è stabile prima o dopo l’evento di perdita (vedi rif.32 per una spiegazione dettagliata). È generalmente accettato che lo stress in-situ dell’arenaria è più alto di quello dell’arenaria25, quindi si assume che la posizione della perdita si verifichi nell’arenaria più vicina alla punta al momento dell’evento di perdita. La pressione di frattura è anche vincolata con il test di integrità della formazione da 9 7/8″, FIT (Fig. 5, quadrato marrone). Dopo la perforazione fuori dalla scarpa di rivestimento cementata, la pressione sulla formazione esposta è stata aumentata al di sopra dello stress di copertura senza sperimentare la perdita di fluido. Questo risultato del test fornisce un’ulteriore prova che le successive perdite si sono verificate più in profondità, nell’intervallo del serbatoio M56.

Pressione di poro del mudstone

La rapida deposizione di questo materiale a bassa permeabilità è la fonte primaria di sovrappressione nel Golfo del Messico33. Non è pratico misurare direttamente la pressione all’interno di questi mudstones a bassa permeabilità. Invece, la pressione dei pori dei fanghi è comunemente stimata dallo stato di compattazione (porosità) della roccia, che è tipicamente misurata da resistività, densità o velocità34,35. In questo approccio, si stabilisce una correlazione tra uno di questi proxy petrofisici e lo stress effettivo verticale, \({sigma ^{primo} }_{v}}). Una volta che la correlazione è stabilita, allora \({sigma ^{prime} }_{v}} viene determinata data la proprietà osservata (ad esempio, velocità, densità, resistività). Una volta che \({sigma ^{prime} }_{v}} è determinato, la pressione di poro, u, è facilmente determinata se lo stress di copertura, σv, è noto (u = σv – \({sigma ^{prime} }_{v})).

Nelle acque profonde del Golfo del Messico i sedimenti Neogene, la pressione di poro non è accuratamente descritta da una singola curva di compattazione. Questo perché le argille più profonde, più calde e più vecchie hanno subito una maggiore compattazione rispetto alle argille meno profonde allo stesso stress effettivo. Si pensa che la diagenesi dell’argilla sia la causa principale di questo comportamento e la trasformazione smectite-illite (S/I) è considerata la più significativa36,37,38. Un materiale più illitico ha una porosità più bassa ad un dato stress effettivo rispetto ad un materiale più smectitico39,40. Seguiamo il rif. 39 e assumiamo che:

$${rm{varphi}-{rm{varphi}}_{rm{m}}={rm{varphi}}_0}{e}^{-B{rm{sigma}^{primo} }_{rm{v}}}}$$

(1)

Il lato sinistro di Eq. 1 è la porosità totale, ϕ, meno il volume dei pori che è riempito dall’acqua legata all’argilla, ϕm. La struttura molecolare della smectite ha un interstrato facilmente idratabile, mentre l’illite no41 ; così l’acqua legata all’argilla nell’illite è minore di quella nella smectite (ϕm,i < ϕm,s). Il lato destro dell’Eq. 1 è una tendenza ben stabilita per la compattazione dell’argilla fangosa (es. rif. 13,35) e qui descrive la perdita di porosità intergranulare con lo stress effettivo. Non è ben noto se ϕ0 o B variano con il grado della trasformazione S/I, quindi assumiamo che siano costanti (rif.39)

Calibriamo il modello determinando lo stress effettivo all’interno delle arenarie adiacenti a dove la pressione è stata misurata nelle arenarie. Assumiamo che la sovrapressione, u*, nel mudstone sia uguale a u* misurata nell’arenaria vicina (ad esempio, rif. 21), e usiamo la pressione del mudstone e la copertura per calcolare lo stress effettivo (u = σv – \({sigma ^{primo} }_{v}}). Successivamente, determiniamo la porosità del mudstone in ogni posizione dal log della velocità dopo42:

$${{rm{varphi}}=1-{(\frac{v}{v}_{{rm{ma}}}})}^{1/x}$$$

(2)

dove vma è la velocità della matrice, v è la misura del velocity log, e x è un esponente del fattore di formazione acustico derivato empiricamente. Assumiamo x = 2.19 e vma = 14.909 ft/s (4.545 m/s) seguendo i precedenti per il Golfo del Messico sedimenti Neogene21,35,42. Le località poco profonde con temperature in situ più fredde hanno una porosità più alta per un dato stress effettivo rispetto alle località più profonde e più calde (Fig. 6). Questo contrasto è più evidente ad una sollecitazione effettiva verticale pari a 1.500 psi (10 MPa) dove la porosità, ϕ, nella sezione poco profonda è 9 unità di porosità maggiore (Fig. 6, simboli verdi) rispetto alla sezione più profonda (Fig. 6, simboli rossi). Noi interpretiamo che i sedimenti più profondi hanno perso acqua legata all’argilla ϕm poiché la smectite nel mudstone è stata convertita in illite con l’interramento.

Abbiamo assunto che la perdita di porosità dal rilascio di acqua legata all’argilla durante la trasformazione S/I sia linearmente proporzionale alla temperatura e che la trasformazione inizi a 70 °C e si plachi a 110 °C. Questo approssima la fase principale della trasformazione S/I43,44,45 senza ulteriori vincoli sulla storia deposizionale e sulla composizione chimica46. Seguiamo Lahann39 e assumiamo ϕm = 0.12 per la pietra fangosa smectitica e ϕm = 0.03 per la pietra fangosa illitica. Sulla base di queste ipotesi, la porosità dell’acqua legata all’argilla è:

$${{\rm{\varphi }}}_{{\rm{m}}}=(1-\frac{{\rm{T}}-{{\rm{T}}}_{{\rm{s}}}}{{{\rm{T}}}_{{\rm{i}}}-{{\rm{T}}}_{{\rm{s}}}})({{\rm{\varphi }}}_{{\rm{m}},{\rm{s}}})+\frac{{\rm{T}}-{{\rm{T}}}_{{\rm{s}}}}{{{\rm{T}}}_{{\rm{i}}}-{{\rm{T}}}_{{\rm{s}}}}({{\rm{\varphi }}}_{{\rm{m}},{\rm{i}})$$

(3)

dove T è la temperatura, e Ts e Ti sono le temperature di trasformazione della smectite (70 °C) e dell’illite (110 °C). Combiniamo le Eqs 2 e 3, e risolviamo per ϕ – ϕm per tutti i punti ϕ vs. \({sigma ^{\primo} }_{v}}) in Fig. 6. Usiamo poi la regressione dei minimi quadrati per vincolare l’Eq. 1 e troviamo ϕ0 = 0.22 e B = 2.9E-4 psi-1 (Fig. 6, linea nera).

Dati B e ϕ0, l’Eq. 1 è poi usata per stimare la pressione del mudstone lungo il foro (Fig. 2a, linea blu) con ϕm calcolato dall’Eq. 2. Per calcolare la velocità del mudstone, abbiamo scelto i mudstone lungo il foro a intervalli di 30-40 piedi (9-12 m) e abbiamo applicato una media mobile di 5 picchi alle corrispondenti misure del log sonico compressivo. Per ogni prelievo di mudstone, calcoliamo ϕ dalla velocità del mudstone (Eq. 2) e ϕm dalla temperatura (Eq. 3). ϕ e ϕm sono inseriti nell’Eq. 1, risolvendo per ${sigma ^{primo} }_{v}$ e poi u.

Applichiamo questo metodo (calibrato a Macondo) per stimare la pressione del mudstone a 562-1 (Fig. 3). La stretta corrispondenza tra le pressioni stimate del mudstone e le pressioni misurate dell’arenaria, indipendentemente dalla calibrazione locale, supporta l’accuratezza del nostro metodo in questa regione. Le sollecitazioni effettive a 562-1 sono approssimativamente 500-1.300 psi (3-9 MPa) più alte che a Macondo (fuori dalla regressione della pressione). Le porosità soniche del fango sono simili in entrambi i pozzi, ma i gradienti di temperatura sono diversi. Il pozzo Macondo ha un gradiente di temperatura medio di 28,4 °C/km contro 26,1 °C/km al 562-1. Il gradiente di temperatura più basso e l’acqua più profonda al 562-1 portano a temperature M56 che sono quasi 20 °C più basse delle temperature M56 a Macondo. La temperatura più bassa indica che il mudstone al 562-1 è più smectitico del mudstone a Macondo per una data profondità, quindi le porosità soniche si trasformano in più alte ${sigma }_{v}^{prime} $ (Fig. 6).

Pressione dell’acquifero

Determiniamo la sovrappressione dell’acquifero M56 al pozzo Macondo a 3.386 psi (23,35 MPa), ma potrebbe essere fino a 3.436 psi (23,69 MPa). Allo sviluppo Galapagos, la sovrappressione della falda acquifera M56 è strettamente vincolata a 3.433 psi (23,67 MPa). Le sovrappressioni sono vincolate con misurazioni dirette della pressione nelle arenarie M56 nel pozzo Macondo e in tre pozzi dello sviluppo Galapagos (Figg. 1, 7). Questi pozzi sono stati scelti perché le misure di pressione sono state fatte prima della produzione in entrambe le località; quindi, le misure sono interpretate per registrare le pressioni in situ non influenzate dalla produzione o dal rilascio di Macondo (Fig. 1, cerchi rossi e stelle gialle). Molte delle misurazioni sono state effettuate all’interno di sezioni contenenti idrocarburi. Per determinare la sovrappressione dell’acquifero in questi casi, l’effetto di galleggiamento della colonna di idrocarburi deve essere rimosso (es. rif. 18). In particolare, la pressione degli idrocarburi viene proiettata fino al contatto idrocarburo-acqua (HWC) utilizzando la densità degli idrocarburi derivata dalla MDT (Fig. 7). Per ogni pozzo a Macondo e Galapagos, vincoliamo l’HWC, la densità della fase idrocarburica e la densità della fase acquosa con dati di log, MDT e sismici. Calcoliamo quindi la sovrappressione dell’acquifero a Macondo e Galapagos, tenendo conto della densità dell’acqua dei pori (ua* = u – ρpwgzSS).

A Macondo, interpretiamo che la chiusura a 4 vie della struttura M56 (Fig. 1b) è stata riempita fino al suo punto di fuoriuscita. Interpretiamo una cresta strutturale a 17.720 ft (5401 m), una sella a 18.375 (5601 m), e quindi un’altezza di colonna di 655 ft (200 m) correggendo in profondità l’interpretazione della BP prima della perforazione15. BP ha interpretato che le ampiezze sismiche hanno sostenuto questa interpretazione “filled-to-spill” per l’HWC15. Calcoliamo la sovrappressione della falda acquifera, ua*, uguale a 3.386 psi (23,35 MPa) usando un gradiente di idrocarburi di 0,24 psi/ft (5,43 MPa/km) e un gradiente di acqua dei pori di 0,465 psi/ft (10,52 MPa/km). E’ possibile che la struttura non sia stata riempita fino alla fuoriuscita, quindi l’HWC è meno profondo. LLOG-253-1 (Fig. 1, il punto blu più a nord) fornisce la più profonda penetrazione di idrocarburi della M56 nella struttura Macondo a 18.150 piedi (5.532 m), che produce un limite superiore alla sovrappressione della falda acquifera di 3.436 psi (23. 69 MPa)

I tre pozzi di sviluppo Galapagos (519-1, 519-2, e 562-1) (Fig. 1) vincolano la pressione dell’acquifero in questa posizione ad un unico valore (Fig. 7). A 519-1, due lobi di arenaria impilati verticalmente comprendono il M56. Ogni lobo mostra un HWC distinto, ma entrambi condividono un ua* di 3.436 psi (23,69 MPa). Il 519-2 ha incontrato solo acqua nel M56, che produce ua* di 3.430 psi (23,65 MPa). Usiamo queste misure MDT del 519-2 per stimare la densità dell’acqua dei pori del M56 di 0,465 psi/ft (10,52 MPa/km). Il 562-1 ha incontrato idrocarburi nel M56 e non ha penetrato un HWC. Un calcolo della pressione dell’acquifero che assume che l’HWC sia appena sotto l’arenaria produce un ua* di 3.433 psi (23,67 MPa), che è quasi identico a quello osservato nei pozzi 519-1 e 519-2. Usiamo la media, 3.433 psi (23,67 MPa), per descrivere la sovrappressione dell’acquifero allo sviluppo delle Galapagos.

Profili di temperatura

Abbiamo determinato i profili di temperatura a Macondo e 562-1 usando le temperature registrate durante il campionamento del fluido dei pori MDT (Fig. 8, simboli aperti). Le temperature tra 113.3 e 113.7 °C sono stati registrati in tre punti di campionamento MDT nel pozzo Macondo tra 13.008 e 13.064 ft (3.965 e 3.982 m) sotto il fondo del mare (Fig. 8, rettangoli). Al 562-1, quattro punti di campionamento MDT registrano temperature comprese tra 93,5 e 98,4 °C per profondità comprese tra 11.633 e 12.316 ft (3.545 e 3.754 m) sotto il fondo del mare (Fig. 8, rombi). Il modello di temperatura della BP per Macondo (Fig. 8, linea nera superiore)8 è di 3,8 °C superiore alla media delle temperature registrate nella M56 (Fig. 8, barre di errore rettangolari). Supponiamo che questa differenza rifletta una correzione per il raffreddamento del foro. A Macondo, le misurazioni MDT sono state acquisite tre giorni dopo il completamento della perforazione, che è paragonabile all’intervallo di quattro giorni al 562-1. Pertanto, applichiamo la stessa correzione di 3,8 °C alle misurazioni a 562-1 (Fig. 8, barre di errore a diamante). Il nostro modello di temperatura per 562-1 assume una diminuzione lineare dalle misure corrette del serbatoio al fondo del mare (Fig. 8, linea nera inferiore). Le temperature dell’acqua del fondo marino nelle acque profonde del Golfo del Messico si avvicinano a 4 °C per le profondità dell’acqua osservate a Macondo e 562-1.