Macondo Wellでの過剰圧力とDeepwater Horizon噴出への影響｜Scientific Reports

Macondo Wellでの過剰圧力とDeepwater Horizon噴出への影響

7月 20, 2021

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Macondo Pore Pressure and Stress Profile

Overburden stressは水柱重量とその上の沈殿物の重量を統合することで計算されます。マコンド坑井の密度データが取得されていない部分には、近隣の坑井からの密度ログデータを組み合わせています。検層は、ボアホールウォッシュアウトと炭化水素の存在を考慮し、補正されます。密度データがない場合、速度から密度への変換が行われる31。密度データも速度データもない場合は、区間上下の密度間の指数補間を使用する12。

業界では、比較的浸透性の高い地層から、ワイヤーライン機器（例：モジュール形成力学テスター（MDT））やドリルストリングから直接（GeotapTM）孔間圧力を測定し流体サンプルを採取することが一般的である。マコンド井では、BP社は坑底の17,600～18,150 ft（5,364～5,532 m）の4つの砂岩で21回の圧力を記録しました（図2a、丸印）。マコンド坑井の1.27マイル（2.04km）西側に位置するテキサコ252-1坑井では、8,900～12,500フィート（2,700～3,800m）の砂岩9か所でMDT圧力70回を記録しました（図2a、正方形）。これらのMDT測定値は、海底に平行な連続した層序を仮定してマコンド坑の位置に補正されている32。

また、孔内への流体の流入（キック）と流入する掘削泥で検出されるガスレベルの上昇から間隙水圧を拘束している。キックと高濃度ガスは、露出したボーリング孔で、間隙水圧が掘削泥水による水圧を上回ったときに発生します。このような現象が掘削中に6回発生しました（図2、図3、図5、開三角形）。

掘削情報には、砂岩の位置、露出孔の長さ、流入泥水のガス量、表面泥水重量、等価静密度、等価循環密度、ドリルパイプ閉塞圧が含まれている。等価泥水重量とは、掘削床から孔内位置までの掘削泥水の平均密度を用いて圧力を表現する別の方法である。等価静圧とは、泥水ポンプが停止しており、循環していない状態での坑内圧力を等価泥水重量で表したものである。等価循環密度は、掘削流体が循環している間のダウンホール圧力を等価泥水重量で表したものである。循環密度は、流体循環による摩擦のために等価静密度より大きくなる。

破砕圧力は、地層を水圧破砕するのに必要な坑内圧力である。これは一般的に地域の最小主応力に近い値ですが、孔の形状や岩石の凝集力による応力擾乱の影響を受けることがあります。破砕圧は9 7/8″ライナー下の4箇所で拘束されている（図5）。泥水喪失に至るまで、そして喪失後の坑内静圧と掘削動圧は、破砕圧の解釈に使用されます（図5、茶色の三角形）。破壊圧の上限を損失開始時の等価循環密度で、下限を損失事象の前後で坑井が安定した最高静圧または動圧で定義した（詳細な説明は文献32を参照）。一般に、泥岩の原位置応力は砂岩のそれよりも大きいとされている25 ので、損失発生位置は損失発生時にビットに最も近い砂岩で発生すると仮定する。また、破壊圧は9 7/8″地層健全性試験、FIT（図5、茶色の四角）で拘束している。セメントで固められたライナーシューから掘削した後、露出した地層の圧力は、流体損失を経験することなく、オーバーバーデン応力を超えるまで上昇した。この試験結果は、その後の損失がより深く、M56貯留層区間で発生したことをさらに証明するものです。

泥岩間隙水圧

この低透水性物質の急速な堆積が、メキシコ湾の過圧の主な原因です33。これらの低透水性の泥岩の中の圧力を直接測定することは実用的でない。その代わりに、泥岩の間隙水圧は、一般的に比抵抗、密度、または速度によって測定される岩石の圧縮状態（孔隙率）から推定される34,35。この方法では，これらの岩石物理的指標と鉛直有効応力( \sigma ^{pime} }_{v}} )との間に相関関係を構築する．相関関係が確立されると、観測された物性（速度、密度、比抵抗など）が与えられると、次に \({ Θsigma ^{Θprime} }_{v}}} が決定されます。一旦決定された間隙水圧uは、上載応力σvが分かれば容易に決定できる（u = σv – γ({sigma ^{penta} }_{v}}）

Gulf of Mexico新第三紀堆積物の深海部では、間隙水圧は単一の圧縮曲線では正確に記述できないことが分かっています。これは、同じ有効応力でも、より深く、より高温で、より古い泥岩は、より浅い泥岩より多くの圧縮を受けているためである。このような挙動の主な原因は粘土の対角化であると考えられ、スメクタイトからイライトへの変態（S/I）が最も重要であると考えられている36,37,38。イライト化が進んだ材料は、スメクタイト化が進んだ材料よりも、与えられた有効応力において低い空隙率を持つ39,40。我々は文献 39 に従ってに従い、仮定する。

${{mrm{varphi }}-{{mrm{varphi }}_{0}{e}^{-B{mrm{sigma }}^{me}}}${{mrm{v}}$

(1)

式左辺、(1)は(2)の式(1)の式(1)と同じで、(2)の式(2)の式(1)と同じで、(3)の式(2)と同じで、(3)の式(1)と同じで、(4)の式(2)の式(1)の式(2)と同じである。 1は全空隙率φから粘土結合水によって満たされる空隙体積φmを差し引いたものである。スメクタイトの分子構造には水和しやすい層間があるが、イライトにはない41。したがって、イライトの粘土結合水はスメクタイトのそれよりも少ない（φm,i < ϕm,s）。式1の右辺は泥岩の圧縮に関する確立された傾向であり（例えば文献13,35）、ここでは有効応力による粒間隙率の減少を記述している。 φ0やBがS/I変換の程度によって変化するかどうかはよく分かっていないので、一定と仮定する（文献39）

砂岩で圧力が測定された場所に隣接する泥岩中の有効応力を決定することによってモデルを較正した。泥岩中の過圧u*は近傍の砂岩で測定されたu*と等しいと仮定し（例えば文献21）、泥岩の圧力と上載荷重を用いて有効応力（u = σv – \({sigma ^{C03} }_{v}__))を算出する。次に、速度記録after42から各位置の泥岩の間隙率を求める。

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

(2)

ここでvmaは行列速度、vは速度ログ測定値、xは経験的に得られた音響形成因子指数である。メキシコ湾新第三紀堆積物の前例にならい、x = 2.19 と vma = 14,909 ft/s (4,545 m/s) とした21,35,42。原位置温度が低い浅い場所は、深い場所や暖かい場所に比べて、与えられた有効応力に対して高い空隙率を持っている（図6）。このコントラストは、垂直方向の有効応力が 1,500 psi (10 MPa) のときに最も顕著で、浅い部分の空隙率ϕは深い部分（図 6 の赤の記号）よりも 9 空隙率単位大きくなっている（図 6 の緑の記号）。泥岩のスメクタイトが埋没によりイライトに変化したため、深部の堆積物は粘土結合水φmを失ったと解釈した。

S/I変態時の粘土結合水放出による空隙率低下は温度に直線的に比例し、70℃から始まり110℃でプラトーになると仮定した。これは堆積史と化学組成46に関する追加的な制約なしに、S/I変態の主要な段階43,44,45を近似するものである。 Lahann39 に従い、スメクチック泥岩ではϕm = 0.12、イライト質泥岩ではϕm = 0.03 と仮定する。これらの仮定に基づくと、粘土結合水の間隙率は

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

(3)

ここで、Tは温度、TsとTiはスメクタイト（70℃）とイライト（110℃）の転移境界温度である。式2と3を組み合わせ、図6の全てのφ vs. \({sigma ^{Cacheprime} }_{v}) ポイントについて、φ – ϕmを解き、φ – ϕmを求める。次に、最小二乗回帰を用いて式1を拘束し、φ0 = 0.22 and B = 2.9E-4 psi-1 (図6、黒線)を求めます。

Bとφ0を与えると、式1を用いて、式2から算出したφmでボアホールに沿った泥岩圧（図2a、青線）を推定することができます。泥岩速度を計算するために、ボーリング孔に沿って30-40フィート（9-12m）間隔で泥岩を選び、対応する圧縮音波ログの測定値に5ピック移動平均を適用しました。各泥岩のピックについて、泥岩速度からϕを計算し（式2）、温度からϕmを計算します（式3）。 φとφmを式1に代入し、φ({Σ ^{Prime} }_{v}}), uを解く。

この方法（Macondoでキャリブレーション）を562-1の泥岩圧力推定に適用した（図3）。推定された泥岩圧力と測定された砂岩圧力が局所的な較正とは無関係に密接に一致し、この領域における我々の手法の精度を裏付けている。 562-1での有効応力は、マコンドよりもおよそ500～1,300 psi（3～9 MPa）高くなりました（圧力回帰の範囲外）。泥岩の音波孔隙率は両坑井で類似していますが、温度勾配は異なっています。 Macondo井の平均温度勾配は28.4℃/kmであるのに対し、562-1井は26.1℃/kmです。 562-1 では温度勾配が低く、水深が深いため、M56 の温度は Macondo の M56 の温度より 20℃近く低くなっています。この温度は，562-1 の泥岩が Macondo の泥岩よりも深度に対してスメクチックであることを示しており，音波ポロシティは高い \({Cheeksigma }_{v}^{prime}) に変換される（Fig. 5114>

Aquifer Pressure

Macondo 井戸での M56 帯水層の過圧は 3,386 psi (23.35 MPa) と判断したが、3,436 psi (23.69 MPa) まで高くなる可能性がある。）ガラパゴス開発では、M56帯水層の圧力は3,433 psi (23.67 MPa)となるよう厳しく制限されています。この圧力は、マコンド坑井とガラパゴス開発の3つの坑井におけるM56砂岩の直接圧力測定によって制約されている（図1、7）。これらの坑井は、いずれの場所でも生産前に圧力測定が行われたため、測定値は生産またはマコンドの放出に影響されない原位置圧力を記録していると解釈されます（図1、赤丸と黄色い星）。多くの測定は、炭化水素を含むセクションで行われました。このような場合、帯水層の過圧を求めるには、炭化水素柱の浮力効果を除去する必要があります（例えば文献18）。具体的には、MDTで得られた炭化水素密度を用いて、炭化水素と水の接触面（HWC）まで炭化水素圧を投影する（図7）。 MacondoとGalapagosの各坑井について、HWC、炭化水素相密度、水相密度を検層、MDT、地震探査データで拘束する。そして、間隙水密度（ua* = u – ρpwgzSS）を考慮して、マコンドとガラパゴスにおける帯水層の過圧を計算する。