Overdruk bij de Macondo Well en de invloed ervan op de Deepwater Horizon blowout

jul 20, 2021

admin

Macondo Pore Pressure and Stress Profile

De overburden stress wordt berekend door het gewicht van de waterkolom en het gewicht van het bovenliggende sediment te integreren. We combineren dichtheidsloggegevens van nabijgelegen putten in delen van de Macondo-put waar geen dichtheidsgegevens zijn verzameld. De logs zijn gecorrigeerd voor het uitspoelen van het boorgat en de aanwezigheid van koolwaterstoffen. Wanneer geen dichtheidsgegevens beschikbaar zijn, wordt een transformatie van snelheid naar dichtheid gebruikt31. Indien noch dichtheids-, noch snelheidsgegevens beschikbaar zijn, wordt een exponentiële interpolatie tussen de dichtheid boven en onder het interval gebruikt12.

De industrie meet routinematig de poriëndruk en neemt vloeistofmonsters van relatief permeabele formaties met wireline-instrumenten (bv. Modular Formation Dynamics TesterTM, MDT) en rechtstreeks van de boorkoord (GeotapTM). Bij de Macondo-boring registreerde BP 21 drukken in vier zandstenen aan de basis van de put tussen 17,600 en 18,150 ft (5,364 en 5,532 m) (Fig. 2a, cirkels). 70 MDT-drukken werden geregistreerd in negen zandstenen tussen 8,900 en 12,500 ft (2,700 en 3,800 m) (Fig. 2a, vierkanten) in de Texaco 252-1 put, gelegen 1,27 mijl (2,04 km) ZW van de Macondo put. Deze MDT-metingen zijn gecorrigeerd naar de locatie van de Macondo-put, uitgaande van een ononderbroken stratigrafie parallel aan de zeebodem32.

We beperken de waterspanning ook uit vloeistofinvloeden in het boorgat (kicks) en verhoogde gasniveaus die in de binnenkomende boorspoeling zijn waargenomen. Kicks en hoge gasniveaus treden op wanneer de poriëndruk hoger is dan de hydraulische druk van de boorspoeling in het blootgelegde boorgat. Tijdens de boorwerkzaamheden hebben zich zes van dergelijke voorvallen voorgedaan (fig. 2, 3 en 5, open driehoeken). Met behulp van boorinformatie voorafgaand aan, tijdens en na een voorval schatten wij de locatie en de poriëndruk.

Boorinformatie omvat de locatie van zandstenen, de lengte van het blootgestelde boorgat, het gasgehalte van de inkomende modder, het gewicht van de oppervlakteslib, de equivalente statische dichtheid, de equivalente circulerende dichtheid, en de druk van de boorpijp bij afsluiting. Het equivalente mudgewicht is een andere manier om de druk uit te drukken aan de hand van de gemiddelde dichtheid van de boorspoeling vanaf de boorbodem tot een locatie in het boorgat. De equivalente statische dichtheid is de neerwaartse druk uitgedrukt als een equivalente modderdichtheid wanneer de modderpompen uitgeschakeld zijn en er dus geen circulatie is. De equivalente circulerende dichtheid is de neerwaartse druk uitgedrukt als equivalent moddergewicht terwijl de boorvloeistoffen circuleren. De circulerende dichtheid is groter dan de equivalente statische dichtheid wegens wrijving veroorzaakt door vloeistofcirculatie.

De breukdruk is de boorgatdruk die nodig is om de formatie hydraulisch te breken. Deze ligt gewoonlijk dicht bij de regionale kleinste hoofdspanning, maar kan worden beïnvloed door spanningsverstoringen als gevolg van de geometrie van het boorgat en de cohesiesterkte van het gesteente. De breukdruk wordt op vier plaatsen onder de 9 7/8″ liner begrensd (fig. 5). De statische en dynamische boordrukken in het boorgat voorafgaand aan, tijdens en na elke modderverliezen worden gebruikt om de breukdrukinterpretaties te ondersteunen (Fig. 5, bruine driehoeken). Wij definiëren de bovengrens van de breukdruk met de equivalente circulerende dichtheid toen de verliezen begonnen en de ondergrens met de hoogste statische of dynamische druk waarbij de put stabiel is voor of na het verliesgebeuren (zie ref.32 voor gedetailleerde uitleg). Algemeen wordt aangenomen dat de in-situ spanning van moddersteen hoger is dan die van zandsteen25 , zodat wordt aangenomen dat de verlieslocatie optreedt in de zandsteen die zich het dichtst bij de boor bevindt op het moment dat het verlies optreedt. De breukdruk wordt ook beperkt met de 9 7/8″ formatie-integriteitstest, FIT (fig. 5, bruin vierkant). Na het uitboren van de gecementeerde linerschoen werd de druk op de blootgelegde formatie opgevoerd tot boven de overburden-spanning zonder dat er vloeistofverlies optrad. Dit testresultaat levert verder bewijs dat de latere verliezen dieper, in het M56 reservoir interval, hebben plaatsgevonden.

Mudstone Pore Pressure

Snelle afzetting van dit materiaal met lage permeabiliteit is de voornaamste bron van overdruk in de Golf van Mexico33. Het is niet praktisch om de druk in deze modderstenen met lage permeabiliteit rechtstreeks te meten. In plaats daarvan wordt de poriëndruk in moddersteen meestal geschat aan de hand van de verdichtingstoestand (porositeit) van het gesteente, die meestal wordt gemeten aan de hand van resistiviteit, dichtheid of snelheid34,35. In deze benadering wordt een correlatie gelegd tussen een van deze petrofysische proxies en de verticale effectieve spanning (Ôsigma ^{prime} }_{v}). Als de correlatie eenmaal is vastgesteld, dan wordt Σ({\sigma ^{\prime} }_{v}}) bepaald aan de hand van de waargenomen eigenschap (b.v. snelheid, dichtheid, resistiviteit). Als ^({\sigma ^{\prime} }_{v}}) eenmaal is bepaald, kan de waterspanning, u, gemakkelijk worden bepaald als de spanning op de deklaag, σv, bekend is (u = σv – \({\sigma ^{\prime} }_{v}})).

In diepwater Neogene sedimenten in de Golf van Mexico wordt de waterspanning niet nauwkeurig beschreven door een enkele verdichtingskromme. Dit komt doordat diepere, hetere en oudere modderstenen meer verdichting hebben ondergaan dan ondiepere modderstenen bij dezelfde effectieve spanning. Kleidiadenese wordt beschouwd als de voornaamste oorzaak van dit gedrag en de transformatie van smectiet naar illiet (S/I) wordt als de belangrijkste beschouwd36,37,38. Meer illitisch materiaal heeft een lagere porositeit bij een gegeven effectieve spanning dan meer smectitisch materiaal39,40. Wij volgen ref.39 en gaan uit van:

$${\rm{\varphi }}-{\rm{\varphi }}}_{\rm{m}}={\rm{\varphi }}}_{0}{e}^{-B{\rm{v}}}}$$

(1)

De linkerkant van Eq. 1 is de totale porositeit, ϕ, verminderd met het poriënvolume dat door kleigebonden water is gevuld, ϕm. De moleculaire structuur van smectiet heeft een gemakkelijk hydrateerbare tussenlaag, terwijl dat bij illiet niet het geval is41 ; het kleigebonden water in illiet is dus kleiner dan dat in smectiet (ϕm,i < ϕm,s). De rechterkant van Eq. 1 is een gevestigde trend voor moddersteenverdichting (b.v. refs13,35) en beschrijft hier interkristallijn porositeitsverlies met effectieve spanning. Het is niet goed bekend of ϕ0 of B variëren met de mate van de S/I-transformatie, dus nemen we aan dat ze constant zijn (ref.39)

We ijken het model door de effectieve spanning te bepalen in modderstenen die grenzen aan waar druk is gemeten in zandstenen. Wij nemen aan dat de overdruk, u*, in de moddersteen gelijk is aan u* gemeten in de nabijgelegen zandsteen (b.v. ref.21), en gebruiken de moddersteendruk en de deklaag om de effectieve spanning te berekenen (u = σv – \({\sigma ^{\prime} }_{v})). Vervolgens bepalen wij de porositeit van het moddersteen op elke lokatie uit de snelheidslog na42:

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

(2)

waarin vma de matrixsnelheid is, v de snelheidslogmeting, en x een empirisch afgeleide exponent van de akoestische formatiefactor. Wij gaan uit van x = 2,19 en vma = 4.545 m/s (14.909 ft/s) volgens een precedent voor Neogene sedimenten in de Golf van Mexico21,35,42. De ondiepe locaties met koelere in-situ temperaturen hebben een hogere porositeit voor een gegeven effectieve spanning dan de diepere en warmere locaties (Fig. 6). Dit contrast is het duidelijkst bij een verticale effectieve spanning gelijk aan 1500 psi (10 MPa), waar de porositeit, ϕ, in de ondiepe sectie 9 porositeitseenheden groter is (Fig. 6, groene symbolen) dan in de diepere sectie (Fig. 6, rode symbolen). Wij interpreteren dat de diepere sedimenten kleibonden water hebben verloren ϕmdat het smectiet in het moddersteen werd omgezet in illiet tijdens begraving.

Wij nemen aan dat het porositeitsverlies door het vrijkomen van kleigebonden water tijdens de S/I-transformatie lineair evenredig is met de temperatuur, en dat de transformatie begint bij 70 °C en een plateau bereikt bij 110 °C. Dit benadert de hoofdfase van S/I transformatie43,44,45 zonder extra beperkingen aan de afzettingsgeschiedenis en chemische samenstelling46. Wij volgen Lahann39 en nemen aan dat ϕm = 0,12 voor smectitische moddersteen en ϕm = 0,03 voor illitische moddersteen. Op basis van deze aannamen is de kleibonden waterporositeit:

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

(3)

waar T de temperatuur is, en Ts en Ti de smectiet (70 °C) en illiet (110 °C) transformatie grenstemperaturen zijn. We combineren de vergelijkingen 2 en 3 en lossen ϕ – ϕm op voor alle punten van ϕ vs. ϕ({\sigma ^^prime} }_{v}}) in fig. 6. We gebruiken dan kleinste-kwadraten regressie om Eq. 1 te construeren en vinden ϕ0 = 0.22 en B = 2.9E-4 psi-1 (Fig. 6, zwarte lijn).

Gegeven B en ϕ0, wordt Eq. 1 dan gebruikt om de slibsteendruk langs het boorgat te schatten (Fig. 2a, blauwe lijn) met ϕm berekend uit Eq. 2. Om de moddersteensnelheid te berekenen, hebben wij met intervallen van 9-12 m (30-40 ft) modderstenen uitgezocht langs het boorgat en een voortschrijdend gemiddelde van 5 plukken toegepast op de corresponderende sonische drukmetingen. Voor elke slibsteen wordt ϕ berekend uit de slibsteensnelheid (Eq. 2) en ϕm uit de temperatuur (Eq. 3). ϕ en ϕm worden ingevoerd in Eq. 1, waarbij φαρμερμερμερμερμερμερμερμερμερμερμερμεν (φαρμερμερμερμα) en vervolgens u worden opgelost. De nauwe overeenkomst tussen de geschatte slibsteendrukken en de gemeten zandsteendrukken, onafhankelijk van de plaatselijke ijking, ondersteunt de nauwkeurigheid van onze methode binnen dit gebied. De effectieve spanningen bij 562-1 zijn ruwweg 500-1.300 psi (3-9 MPa) hoger dan bij Macondo (buiten de drukregressie). De sonische porositeiten in moddersteen zijn in beide putten vergelijkbaar, maar de temperatuurgradiënten zijn verschillend. De Macondo-put heeft een gemiddelde temperatuurgradiënt van 28,4 °C/km tegenover 26,1 °C/km bij 562-1. De lagere temperatuurgradiënt en het diepere water bij 562-1 resulteren in M56-temperaturen die bijna 20 °C lager zijn dan de M56-temperaturen bij Macondo. De lagere temperatuur geeft aan dat het moddersteen bij 562-1 smectitischer is dan het moddersteen bij Macondo voor een gegeven diepte, zodat de sonische porositeiten veranderen in hogere ({sigma }_{v}^{v} }) (Fig.

Watervoerende druk

Wij bepalen de M56 watervoerende overdruk bij de Macondo put op 3.386 psi (23,35 MPa), maar het zou zo hoog kunnen zijn als 3.436 psi (23,69 MPa). Bij de Galapagos ontwikkeling is de M56 aquifer overdruk strak begrensd tot 3,433 psi (23,67 MPa). De overdrukken zijn vastgesteld met directe drukmetingen in de M56 zandsteen in de Macondo put en drie putten in het Galapagos project (Figs 1, 7). Deze putten zijn gekozen omdat de drukmetingen op beide locaties vóór de productie zijn verricht; de metingen worden dus geïnterpreteerd als registraties van de in-situ druk die niet door de productie of het vrijkomen van Macondo is beïnvloed (Fig. 1, rode cirkels en gele sterren). Veel van de metingen werden verricht binnen koolwaterstofhoudende secties. Om in dergelijke gevallen de overdruk in de aquifer te bepalen, moet het opwaartse effect van de koolwaterstofkolom worden verwijderd (zie bijv. ref. 18). Concreet wordt de koolwaterstofdruk geprojecteerd tot aan het koolwaterstof-water-contact (HWC) met behulp van de MDT-afgeleide koolwaterstofdichtheid (fig. 7). Voor elke put in Macondo en Galapagos beperken wij het HWC, de dichtheid van de koolwaterstoffase en de dichtheid van de waterfase met log-, MDT- en seismische gegevens. Vervolgens berekenen we de overdruk in de aquifer bij Macondo en Galapagos, rekening houdend met de poriënwaterdichtheid (ua* = u – ρpwgzSS).

Bij Macondo interpreteren wij dat de 4-weg sluiting van de M56 structuur (Fig. 1b) werd opgevuld tot het overloop punt. Wij interpreteren een structurele top op 5401 m (17,720 ft), een zadel op 5601 m (18,375 ft), en dus een kolomhoogte van 200 m (655 ft) door de dieptecorrectie van BP’s interpretatie van vóór de boring15. BP interpreteerde dat de seismische amplitudes deze ‘filled-to-spill’-interpretatie voor het HWC15 ondersteunden. Wij berekenen de aquiferoverdruk, ua*, op 3.386 psi (23,35 MPa) met gebruikmaking van een koolwaterstofgradiënt van 0,24 psi/ft (5,43 MPa/km) en een poriewatergradiënt van 0,465 psi/ft (10,52 MPa/km). Het is mogelijk dat de structuur niet tot de rand gevuld was, zodat de HWC ondieper is. LLOG-253-1 (Fig. 1, meest noordelijke blauwe stip) geeft de diepste koolwaterstofhoudende penetratie van de M56 in de Macondo structuur op 18.150 ft (5.532 m), wat een bovengrens oplevert voor de aquiferoverdruk van 3.436 psi (23.69 MPa)

De drie Galapagos ontwikkelingsputten (519-1, 519-2, en 562-1) (Fig. 1) beperken de aquifer druk op deze locatie tot een enkele waarde (Fig. 7). Bij 519-1 vormen twee verticaal gestapelde zandsteenlobben de M56. Elke lob vertoont een duidelijke HWC, maar beide delen een ua* van 23,69 MPa (3,436 psi). 519-2 trof alleen water aan in de M56, wat een ua* oplevert van 3.430 psi (23,65 MPa). Wij gebruiken deze 519-2 MDT-metingen om de poriewaterdichtheid van de M56 te schatten op 0,465 psi/ft (10,52 MPa/km). 562-1 trof koolwaterstof aan in de M56 en drong niet door tot een HWC. Een berekening van de watervoerende druk waarbij wordt aangenomen dat het HWC zich juist onder het zandsteen bevindt, levert een ua* van 23,67 MPa (3.433 psi) op, die vrijwel identiek is aan die welke in de putten 519-1 en 519-2 is waargenomen. Wij gebruiken het gemiddelde, 3.433 psi (23,67 MPa), om de aquiferoverdruk bij de Galapagos-ontwikkeling te beschrijven.

Temperatuurprofielen

Wij bepaalden de temperatuurprofielen bij Macondo en 562-1 aan de hand van de temperaturen die werden geregistreerd tijdens de MDT-peervloeistofbemonstering (Fig. 8, open symbolen). Temperaturen tussen 113,3 en 113.7 °C werden gemeten op drie MDT-monsterpunten in de Macondo-put tussen 13,008 en 13,064 ft (3,965 en 3,982 m) onder de zeebodem (Fig. 8, rechthoeken). In 562-1 registreren vier MDT-monsterpunten temperaturen tussen 93,5 en 98,4 °C voor dieptes tussen 3.545 en 3.754 m (11.633 en 12.316 ft) onder de zeebodem (Fig. 8, ruiten). Het temperatuurmodel van BP voor Macondo (Fig. 8, bovenste zwarte lijn)8 ligt 3,8 °C hoger dan het gemiddelde van de geregistreerde temperaturen in de M56 (Fig. 8, rechthoekige foutbalkjes). Wij nemen aan dat dit verschil een correctie voor afkoeling van het boorgat weerspiegelt. In Macondo werden de MDT-metingen drie dagen na het boren uitgevoerd, wat vergelijkbaar is met het gat van vier dagen in 562-1. Daarom passen we dezelfde correctie van 3,8 °C toe op de metingen bij 562-1 (Fig. 8, diamanten foutbalkjes). Ons temperatuurmodel voor 562-1 gaat uit van een lineaire daling van de gecorrigeerde reservoirmetingen naar de zeebodem (Fig. 8, onderste zwarte lijn). De temperatuur van het zeewater in de diepwater Golf van Mexico benadert 4 °C voor de waterdiepten die bij Macondo en 562-1 zijn waargenomen.