Macondo Pore Pressure and Stress Profile

Naprężenia nadkładu obliczane są przez całkowanie ciężaru słupa wody i ciężaru zalegających osadów. Łączymy dane z rejestrów gęstości z pobliskich odwiertów w tych częściach odwiertu Macondo, w których nie uzyskano danych o gęstości. Logi są korygowane w celu uwzględnienia wypłukiwania otworu i obecności węglowodorów. Jeśli dane dotyczące gęstości nie są dostępne, stosuje się przekształcenie prędkości w gęstość31. Jeśli nie ma danych dotyczących gęstości ani prędkości, stosuje się interpolację wykładniczą pomiędzy gęstością powyżej i poniżej interwału12.

Przemysł rutynowo mierzy ciśnienie porowe i pobiera próbki płynu z formacji względnie przepuszczalnych za pomocą narzędzi przewodowych (np. Modułowy tester dynamiki formacjiTM , MDT) oraz bezpośrednio z przewodu wiertniczego (GeotapTM). W odwiercie Macondo BP zarejestrowało 21 ciśnień w czterech piaskowcach u podstawy odwiertu między 17 600 a 18 150 stóp (5 364 a 5 532 m) (Rys. 2a, kółka). 70 ciśnień MDT zarejestrowano w dziewięciu piaskowcach między 8.900 a 12.500 stóp (2.700 a 3.800 m) (Rys. 2a, kwadraty) w odwiercie Texaco 252-1, zlokalizowanym 1,27 mili (2,04 km) SW od odwiertu Macondo. Te pomiary MDT są skorygowane do lokalizacji odwiertu Macondo, przy założeniu ciągłej stratygrafii równoległej do dna morskiego32.

Wyznaczamy również ciśnienie porowe na podstawie napływu płynu do otworu (kopnięcia) i podwyższonych poziomów gazu wykrytych w napływającej płuczce wiertniczej. Kopnięcia i wysoki poziom gazu występują, gdy ciśnienie porowe przewyższa ciśnienie hydrauliczne płynu wiertniczego w odsłoniętym otworze. Podczas wiercenia wystąpiło sześć takich zdarzeń (rys. 2, 3 i 5, otwarte trójkąty). Wykorzystując informacje o wierceniu przed, w trakcie i po zdarzeniu, szacujemy lokalizację i ciśnienie porowe.

Informacje o wierceniu obejmują lokalizację piaskowców, długość odsłoniętego otworu, zawartość gazu w płuczce wpływającej, masę płuczki powierzchniowej, równoważną gęstość statyczną, równoważną gęstość cyrkulacyjną i ciśnienie w zamkniętym przewodzie wiertniczym. Równoważna masa płuczki to inny sposób wyrażenia ciśnienia za pomocą średniej gęstości płynu wiertniczego od dna odwiertu do miejsca w otworze. Równoważna gęstość statyczna to ciśnienie w otworze wyrażone jako równoważna masa płuczki, gdy pompy płuczkowe są wyłączone, a więc nie ma cyrkulacji. Równoważna gęstość cyrkulacyjna to ciśnienie w otworze wyrażone jako równoważna masa płuczki, gdy płuczka wiertnicza cyrkuluje. Gęstość cyrkulacyjna jest większa niż równoważna gęstość statyczna z powodu tarcia spowodowanego cyrkulacją płynu.

Ciśnienie szczelinowania to ciśnienie w otworze niezbędne do hydraulicznego złamania formacji. Zazwyczaj jest ono bliskie regionalnym najmniejszym naprężeniom głównym, ale mogą na nie wpływać perturbacje naprężeniowe wynikające z geometrii otworu i wytrzymałości kohezyjnej skały. Ciśnienie szczelinowania jest ograniczone w czterech miejscach poniżej wykładziny 9 7/8″ (Rys. 5). Do wyznaczenia ciśnienia szczelinowego wykorzystuje się statyczne i dynamiczne wartości ciśnienia w otworze wiertniczym przed, w trakcie i po każdym ubytku płuczki (Rys. 5, brązowe trójkąty). Górną granicę ciśnienia szczelinowego definiujemy na podstawie równoważnej gęstości obiegowej w momencie rozpoczęcia utraty płuczki, a dolną granicę na podstawie najwyższego ciśnienia statycznego lub dynamicznego, przy którym odwiert jest stabilny przed lub po utracie płuczki (szczegółowe wyjaśnienie patrz ref.32). Powszechnie przyjmuje się, że naprężenia in-situ w mułowcu są wyższe niż w piaskowcu25 , dlatego przyjmuje się, że miejsce zaniku występuje w piaskowcu znajdującym się najbliżej wiertła w momencie wystąpienia zaniku. Ciśnienie szczelinowania jest również ograniczone za pomocą testu integralności formacji 9 7/8″, FIT (Rys. 5, brązowy kwadrat). Po wywierceniu buta cementowego ciśnienie w odsłoniętej formacji zostało zwiększone do wartości powyżej naprężeń nadkładu bez utraty płynu. Wynik tego testu stanowi kolejny dowód na to, że kolejne straty wystąpiły głębiej, w interwale zbiornika M56.

Mudstone Pore Pressure

Szybka depozycja tego materiału o niskiej przepuszczalności jest głównym źródłem nadciśnienia w Zatoce Meksykańskiej33. Bezpośredni pomiar ciśnienia w tych mułowcach o niskiej przepuszczalności nie jest praktyczny. Zamiast tego ciśnienie porowe mułowców jest powszechnie szacowane na podstawie stanu zagęszczenia (porowatości) skały, który jest zwykle mierzony za pomocą rezystywności, gęstości lub prędkości34,35. W tym podejściu ustala się korelację pomiędzy jednym z tych proksymów petrofizycznych a pionowym naprężeniem efektywnym, \({sigma ^{prime} }_{v}}). Po ustaleniu korelacji, na podstawie zaobserwowanej właściwości (np. prędkości, gęstości, rezystywności) określa się \({sigma ^{prime} }_{v}). Po określeniu ciśnienia porowego, u, można łatwo określić, jeśli znane jest naprężenie nadkładu, σv (u = σv – ^(^{sigma ^{prime} }_{v}})).

W głębokowodnych neogeńskich osadach Zatoki Meksykańskiej ciśnienie porowe nie jest dokładnie opisane przez pojedynczą krzywą zagęszczania. Wynika to z faktu, że głębsze, cieplejsze i starsze mułowce uległy większemu zagęszczeniu niż płytsze mułowce przy tym samym naprężeniu efektywnym. Diageneza gliny jest uważana za główną przyczynę takiego zachowania, a przemiana smektytu w illit (S/I) jest uważana za najbardziej znaczącą36,37,38. Materiał bardziej illityczny ma niższą porowatość przy danym naprężeniu efektywnym niż materiał bardziej smektytowy39,40. Podążamy za ref.39 i zakładamy, że:

Lewa strona Eq. 1 to całkowita porowatość, ϕ, pomniejszona o objętość porów wypełnionych przez wodę związaną z glinem, ϕm. Struktura molekularna smektytu posiada łatwo hydratyzującą się międzywarstwę, podczas gdy illit nie41; dlatego woda związana z glinem w illicie jest mniejsza niż w smektycie (ϕm,i < ϕm,s). Prawa strona równania 1 jest dobrze poznaną tendencją dla zagęszczania mułowców (np. ref. 13,35) i tutaj opisuje utratę porowatości międzyziarnowej wraz z naprężeniem efektywnym. Nie wiadomo, czy ϕ0 lub B zmieniają się wraz ze stopniem transformacji S/I, więc zakładamy, że są stałe (ref.39)

Kalibrujemy model poprzez określenie naprężeń efektywnych w mułowcach sąsiadujących z miejscami, gdzie zmierzono ciśnienie w piaskowcach. Zakładamy, że nadciśnienie, u*, w mułowcu jest równe u* zmierzonemu w pobliskim piaskowcu (np. ref.21), i używamy ciśnienia w mułowcu i nadkładu do obliczenia naprężenia efektywnego (u = σv – ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗). Następnie wyznaczamy porowatość mułowca w każdej lokalizacji na podstawie danych z velocity log po42:

gdzie vma jest prędkością macierzy, v jest pomiarem velocity log, a x jest empirycznie wyprowadzonym wykładnikiem współczynnika formacji akustycznej. Przyjmujemy x = 2.19 i vma = 14,909 ft/s (4,545 m/s) zgodnie z precedensem dla osadów neogeńskich z Zatoki Meksykańskiej21,35,42. Płytkie lokalizacje o niższych temperaturach in-situ mają wyższą porowatość dla danego naprężenia efektywnego niż lokalizacje głębsze i cieplejsze (Fig. 6). Kontrast ten jest najbardziej widoczny przy pionowych naprężeniach efektywnych równych 1500 psi (10 MPa), gdzie porowatość, ϕ, w płytkiej sekcji jest o 9 jednostek porowatości większa (Fig. 6, symbole zielone) niż w sekcji głębszej (Fig. 6, symbole czerwone). Interpretujemy, że głębsze osady utraciły wodę związaną z iłem ϕm, ponieważ smektyt w mułowcu został przekształcony w illit wraz z zakopaniem.

Porowatość mułowca vs. naprężenie efektywne. Kolorowe symbole oznaczają temperaturę in-situ dla każdego punktu kalibracji porowatości mułowca i naprężenia efektywnego. Punkty te są korygowane o porowatość wody związanej z iłem (symbole otwarte), a następnie wykorzystywane do kalibracji równania 1 (linia czarna). Linie przerywane przedstawiają zależności naprężenia efektywnego od porowatości dla różnych temperatur (kodowane kolorem) i porowatości wody związanej z iłem, ϕm. Pomiary z M56 (^{sigma ^{prime} }_{v}}) > 2,500 psi lub 17 MPa) są skorygowane o wypór węglowodorów. Porowatość jest szacowana na podstawie prędkości (Eq. 2).

Zakładamy, że utrata porowatości spowodowana uwalnianiem wody związanej z gliną podczas przemiany S/I jest liniowo proporcjonalna do temperatury, oraz że przemiana rozpoczyna się w temperaturze 70 °C i osiąga plateau w temperaturze 110 °C. Przybliża to główną fazę przemiany S/I43,44,45 bez dodatkowych ograniczeń dotyczących historii osadzania i składu chemicznego46. Podążamy za Lahannem39 i przyjmujemy ϕm = 0,12 dla mułowca smektytowego i ϕm = 0,03 dla mułowca illitowego. W oparciu o te założenia porowatość wody związanej w iłach wynosi:

gdzie T jest temperaturą, a Ts i Ti są temperaturami granicznymi przemiany smektytu (70 °C) i illitu (110 °C). Łączymy równania 2 i 3, i rozwiązujemy ϕ – ϕm dla wszystkich punktów ϕ vs. \({{sigma ^{prime}} }_{v}} na Rys. 6. Następnie użyto regresji najmniejszych kwadratów, aby ograniczyć równanie 1 i znaleźć ϕ0 = 0.22 i B = 2.9E-4 psi-1 (Fig. 6, czarna linia).

Dając B i ϕ0, równanie 1 jest następnie użyte do oszacowania ciśnienia mułowca wzdłuż otworu (Fig. 2a, niebieska linia) z ϕm obliczonym z równania 2. W celu obliczenia prędkości w skałach mułowcowych, wybrano skały mułowcowe wzdłuż otworu w odstępach co 9-12 m (30-40 stóp) i zastosowano średnią kroczącą z 5 pobrań do odpowiednich pomiarów sonarowych. Dla każdego otworu obliczono ϕ z prędkości mułowca (Eq. 2) oraz ϕm z temperatury (Eq. 3). ϕ i ϕm wprowadzamy do równania 1, rozwiązując dla \({{sigma ^{prime} }_{v}}), a następnie u.

Zastosowaliśmy tę metodę (skalibrowaną w Macondo) do oszacowania ciśnienia w mułowcu w 562-1 (Rys. 3). Bliska zgodność pomiędzy oszacowanymi ciśnieniami w mułowcu a zmierzonymi ciśnieniami w piaskowcu, niezależnie od lokalnej kalibracji, potwierdza dokładność naszej metody w tym regionie. Naprężenia efektywne w 562-1 są około 500-1,300 psi (3-9 MPa) wyższe niż w Macondo (poza regresją ciśnień). Porowatość soniczna mułowców jest podobna w obu odwiertach, ale gradienty temperatury są inne. Średni gradient temperatury w odwiercie Macondo wynosi 28,4 °C/km w porównaniu z 26,1 °C/km w odwiercie 562-1. Niższy gradient temperatury i głębsza woda w 562-1 skutkują temperaturami M56, które są o prawie 20°C niższe niż temperatury M56 w Macondo. Niższa temperatura wskazuje, że mułowce w 562-1 są bardziej smektytowe niż mułowce w Macondo dla danej głębokości, więc porowatości soniczne przekształcają się w wyższe \({sigma }_{v}^{prime} \) (Fig. 6).

Ciśnienie warstwy wodonośnej

Określamy nadciśnienie w warstwie wodonośnej M56 w odwiercie Macondo na 3 386 psi (23,35 MPa), ale może ono wynosić nawet 3 436 psi (23,69 MPa). Na terenie Galapagos nadciśnienie w warstwie wodonośnej M56 jest ściśle ograniczone i wynosi 3.433 psi (23,67 MPa). Nadciśnienia są ograniczone przez bezpośrednie pomiary ciśnienia w piaskowcach M56 w odwiercie Macondo i trzech odwiertach na terenie Galapagos (Rys. 1, 7). Odwierty te zostały wybrane ze względu na to, że pomiary ciśnienia zostały wykonane przed rozpoczęciem produkcji w obu lokalizacjach; dlatego też interpretuje się, że pomiary te rejestrują ciśnienia in-situ, na które nie miała wpływu produkcja ani uwolnienie z Macondo (Rys. 1, czerwone kółka i żółte gwiazdki). Wiele z pomiarów wykonano w obrębie sekcji zawierających węglowodory. Aby określić nadciśnienie w warstwie wodonośnej w takich przypadkach, należy wyeliminować efekt wyporu słupa węglowodorów (np. ref.18). W szczególności ciśnienie węglowodorów jest prognozowane w dół do kontaktu węglowodory-woda (HWC) przy użyciu gęstości węglowodorów uzyskanej z MDT (Rys. 7). Dla każdego odwiertu w Macondo i Galapagos określamy HWC, gęstość fazy węglowodorowej i gęstość fazy wodnej na podstawie danych z rejestrów, MDT i danych sejsmicznych. Następnie obliczamy nadciśnienie w warstwie wodonośnej w Macondo i Galapagos, biorąc pod uwagę gęstość wody porowej (ua* = u – ρpwgzSS).

Pressure vs. depth of M56 MDT measurements from four wells. Ciśnienia w fazie wodnej dla struktur Macondo i Galapagos pokazane są jako niebieskie przerywane linie. Zieloną przerywaną linią oznaczono gradient węglowodorów M56 w Macondo. Solidne linie poziome lokalizują obserwowane i szacowane kontakty węglowodorów z wodą.

W Macondo interpretujemy, że 4-kierunkowe zamknięcie struktury M56 (Fig. 1b) zostało wypełnione do punktu rozlewu. Interpretujemy grzbiet struktury na wysokości 17 720 stóp (5401 m), siodło na wysokości 18 375 (5601 m), a zatem wysokość słupa wynoszącą 655 stóp (200 m), korygując interpretację BP sprzed wiercenia15. Firma BP uznała, że amplitudy sejsmiczne potwierdzają tę interpretację „filled-to-spill” dla HWC15. Obliczyliśmy nadciśnienie w warstwie wodonośnej, ua*, jako równe 3 386 psi (23,35 MPa) przy gradiencie węglowodorów 0,24 psi/ft (5,43 MPa/km) i gradiencie wody porowej 0,465 psi/ft (10,52 MPa/km). Możliwe, że struktura nie została wypełniona do momentu rozlania, stąd HWC jest płytsza. LLOG-253-1 (Rys. 1, najbardziej wysunięta na północ niebieska kropka) zapewnia najgłębszą penetrację węglowodorów w M56 w strukturze Macondo na poziomie 18 150 stóp (5 532 m), co daje górną granicę nadciśnienia w warstwie wodonośnej wynoszącą 3 436 psi (23.69 MPa)

Trzy studnie rozwojowe Galapagos (519-1, 519-2 i 562-1) (Rys. 1) ograniczają ciśnienie warstwy wodonośnej w tej lokalizacji do jednej wartości (Rys. 7). W otworze 519-1 dwa pionowo ułożone płaty piaskowca składają się na warstwę M56. Każdy płat wykazuje wyraźne HWC, ale oba mają wspólną wartość ua* wynoszącą 3.436 psi (23,69 MPa). 519-2 napotkał w M56 tylko wodę, co daje ua* równe 3,430 psi (23,65 MPa). Wykorzystujemy te pomiary MDT z odwiertu 519-2 do oszacowania gęstości wody porowej w M56 na poziomie 0,465 psi/ft (10,52 MPa/km). 562-1 napotkał węglowodory w M56 i nie spenetrował HWC. Obliczenie ciśnienia w warstwie wodonośnej przy założeniu, że HWC znajduje się tuż pod piaskowcem, daje wartość ua* równą 3.433 psi (23,67 MPa), która jest niemal identyczna z wartościami zaobserwowanymi w odwiertach 519-1 i 519-2. Używamy średniej, 3,433 psi (23.67 MPa), do opisania nadciśnienia w warstwie wodonośnej w rejonie Galapagos.

Profile temperaturowe

Określiliśmy profile temperaturowe w Macondo i 562-1 wykorzystując temperatury zarejestrowane podczas pobierania próbek płynu porowego MDT (Rys. 8, symbole otwarte). Temperatury pomiędzy 113,3 i 113.7 °C zarejestrowano w trzech punktach poboru próbek MDT w odwiercie Macondo między 13.008 a 13.064 stóp (3.965 a 3.982 m) poniżej dna morskiego (Rys. 8, prostokąty). W odwiercie 562-1 w czterech punktach poboru próbek MDT zarejestrowano temperatury między 93,5 a 98,4 °C dla głębokości między 11.633 a 12.316 stóp (3.545 a 3.754 m) pod dnem morskim (Rys. 8, romby). Model temperatury BP dla Macondo (Rys. 8, górna czarna linia)8 jest o 3,8 °C wyższy niż średnia z zarejestrowanych temperatur w M56 (Rys. 8, prostokątne słupki błędów). Zakładamy, że różnica ta odzwierciedla poprawkę na chłodzenie otworu. W Macondo pomiary MDT zostały wykonane trzy dni po zakończeniu wiercenia, co jest porównywalne z czterodniową przerwą w 562-1. Dlatego stosujemy tę samą poprawkę 3,8 °C do pomiarów w 562-1 (Rys. 8, diamentowe słupki błędów). Nasz model temperatury dla 562-1 zakłada liniowy spadek od skorygowanych pomiarów zbiornika do dna morskiego (Rys. 8, dolna czarna linia). Temperatury wody na dnie morza w głębokowodnej Zatoce Meksykańskiej zbliżają się do 4 °C dla głębokości wody obserwowanych w Macondo i 562-1.

Temperatura vs. głębokość pod dnem morza w Macondo i 562-1. Symbole otwarte przedstawiają pomiary temperatury płynu porowego MDT. Słupki błędów rzutowane z prawej strony przedstawiają poprawkę na chłodzenie otworu. W Macondo zastosowano model temperatury opracowany przez BP; temperatury w 562-1 modelowano przy użyciu rzutu liniowego na dno morskie. Schemat kolorów i linie przerywane pokazują strefy przejściowe S/I w zależności od temperatury.