Perfil de pressão e tensão do poro Macondo

A sobrepressão é calculada integrando o peso da coluna de água e o peso do sedimento sobrejacente. Combinamos dados de registo de densidade de poços próximos em porções do poço Macondo onde não foram adquiridos dados de densidade. Os registos são corrigidos para ter em conta a lavagem do poço e a presença de hidrocarbonetos. Onde não há dados de densidade disponíveis, é utilizada uma transformação de velocidade para densidade31. Se não houver dados de densidade ou velocidade, uma interpolação exponencial entre a densidade acima e abaixo do intervalo é usada12,

Indústria mede rotineiramente a pressão dos poros e recolhe amostras de fluidos de formações relativamente permeáveis com ferramentas de fio (por exemplo, Modular Formation Dynamics TesterTM, MDT) e diretamente da coluna de perfuração (GeotapTM). No poço Macondo, a BP registrou 21 pressões em quatro arenitos na base do poço entre 17.600 e 18.150 pés (5.364 e 5.532 m) (Fig. 2a, círculos). 70 pressões MDT foram registradas em nove arenitos entre 2.700 e 3.800 m (Fig. 2a, quadrados) no poço Texaco 252-1, localizado a 2,04 km (1,27 milhas) SW do poço Macondo. Estas medidas MDT são corrigidas para a localização do poço Macondo assumindo estratigrafia contínua paralela ao fundo do mar32,

Também constrangemos a pressão dos poros dos fluxos de fluido para o furo (chutes) e níveis elevados de gás detectados na lama de perfuração de entrada. Os pontapés e o gás elevado ocorrem quando a pressão dos poros excede a pressão hidráulica do fluido de perfuração no furo exposto. Seis desses eventos ocorreram durante as operações de perfuração (Figs 2, 3 e 5, triângulos abertos). Usando as informações de perfuração antes, durante e após um evento, estimamos a localização e a pressão dos poros.

As informações de perfuração incluem a localização dos arenitos, comprimento do furo exposto, conteúdo de gás da lama de entrada, peso da lama de superfície, densidade estática equivalente, densidade de circulação equivalente e pressão do tubo de perfuração fechado. O peso da lama equivalente é outra forma de expressar a pressão usando a densidade média do fluido de perfuração desde a plataforma de perfuração até um local no furo. A densidade estática equivalente é a pressão de descida expressa como um peso de lama equivalente quando as bombas de lama estão desligadas e, portanto, não há circulação. A densidade equivalente de circulação é a pressão de descida expressa como o peso da lama equivalente enquanto os fluidos de perfuração circulam. A densidade de circulação é maior do que a densidade estática equivalente devido ao atrito causado pela circulação do fluido.

A pressão de fratura é a pressão de perfuração necessária para fraturar hidraulicamente a formação. É geralmente próxima à tensão regional menos principal, mas pode ser afetada por perturbações de tensão devido à geometria do furo e à força coesiva da rocha. A pressão de fratura é limitada em quatro locais abaixo do revestimento 9 7/8″ (Fig. 5). As pressões estáticas e dinâmicas de perfuração que levam até, durante e após cada evento de perda de lama são usadas para suportar as interpretações da pressão de fratura (Fig. 5, triângulos marrons). Definimos o limite superior da pressão de fratura com a densidade de circulação equivalente quando as perdas começaram e o limite inferior da pressão estática ou dinâmica mais alta na qual o poço é estável antes ou depois do evento de perda (ver ref.32 para explicação detalhada). É geralmente aceite que a tensão in-situ do arenito é superior à do arenito25 , pelo que se assume que o local da perda ocorre no arenito mais próximo do bit no momento do evento da perda. A pressão de fratura também é limitada com o teste de integridade de formação 9 7/8″, FIT (Fig. 5, quadrado marrom). Após a perfuração da sapata de revestimento cimentada, a pressão sobre a formação exposta foi aumentada até acima da tensão de sobrecarga sem que ocorra perda de fluido. Este resultado do teste fornece mais evidências de que as perdas subseqüentes ocorreram mais profundamente, no intervalo do reservatório M56.

Pressão do Poro de Mudstone

A deposição deste material de baixa permeabilidade é a principal fonte de sobrepressão no Golfo do México33. Não é prático medir diretamente a pressão dentro destas pedras de lama de baixa permeabilidade. Ao invés disso, a pressão dos poros de lama é comumente estimada a partir do estado de compactação (porosidade) da rocha, que é tipicamente medida pela resistividade, densidade ou velocidade34,35. Nessa abordagem, uma correlação é estabelecida entre um desses proxies petrofísicos e a tensão vertical efetiva, oprime. Uma vez estabelecida a correlação, então oprime é determinado dada a propriedade observada (por exemplo, velocidade, densidade, resistividade). Uma vez determinado, a pressão dos poros, u, é facilmente determinada se o stress de sobrecarga, σv, for conhecido (u = σv – {\sigma ^{\prime}_{v})).

Em sedimentos Neogénicos de águas profundas do Golfo do México, a pressão dos poros não é descrita com precisão por uma única curva de compactação. Isto porque as pedras de lama mais profundas, mais quentes e antigas sofreram mais compactação do que as pedras de lama mais rasas com a mesma tensão efetiva. Pensa-se que a diagênese argilosa seja a causa primária deste comportamento e a transformação da smectite em silita (S/I) é considerada a mais significativa36,37,38. Mais material ilítico tem menor porosidade a uma determinada tensão efetiva do que um material mais esmectita39,40. Seguimos a ref.39 e assumimos:

> O lado esquerdo da Eq. 1 é a porosidade total, ϕ, menos o volume de poros que é preenchido pela água ligada ao barro, ϕm. A estrutura molecular da esmectita tem uma camada intermédia facilmente hidrável, enquanto que a ilite não41; assim a água ligada à argila na ilite é menor que a da esmectita (ϕm,i < ϕm,s). O lado direito da Eq. 1 é uma tendência bem estabelecida para a compactação de argila (por exemplo, refs13,35) e aqui descreve a perda de porosidade intergranular com estresse efetivo. Não é bem conhecido se ϕ0 ou B variam com o grau da transformação S/I, então assumimos que são constantes (ref.39)

Aferimos o modelo determinando a tensão efetiva dentro dos arenitos adjacentes ao local onde a pressão foi medida nos arenitos. Assumimos que a sobrepressão, u*, no arenito é igual a u* medida no arenito próximo (ex. ref.21), e usamos a pressão e sobrecarga do arenito para calcular a tensão efetiva (u = σv – ^({\sigma ^{\prime} ^_{v})). Em seguida, determinamos a porosidade do cálculo da porosidade do lamito em cada local a partir do registro de velocidade após42:

onde vma é a velocidade da matriz, v é a medida do log de velocidade, e x é um expoente do factor de formação acústica derivado empiricamente. Assumimos que x = 2,19 e vma = 14.909 pés/s (4.545 m/s) seguindo precedentes para sedimentos Neogene do Golfo do México21,35,42. Os locais rasos com temperaturas in-situ mais frias têm uma porosidade maior para um determinado stress efectivo do que os locais mais profundos e quentes (Fig. 6). Este contraste é mais aparente em uma tensão vertical efetiva igual a 1.500 psi (10 MPa) onde a porosidade, ϕ, na seção rasa é 9 unidades de porosidade maior (Fig. 6, símbolos verdes) do que na seção mais profunda (Fig. 6, símbolos vermelhos). Interpretamos que os sedimentos mais profundos perderam água ligada à argila ϕm, uma vez que a esmectita no lamito foi convertida em illite com enterramento.

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Porosidade do lamito vs. tensão efetiva. Símbolos codificados por cores indicam a temperatura in-situ para cada ponto de calibração de tensão efetiva da porosidade do lamito. Os pontos são corrigidos pela porosidade da água ligada à argila (símbolos abertos) e depois são usados para calibrar a Eq. 1 (linha preta). As linhas tracejadas mostram as relações de tensão porosidade efetiva para diferentes temperaturas (codificadas por cores) e porosidades da água ligadas à argila, ϕm. As medidas da M56 ({\sigma ^{\prime} }_{v}) > 2.500 psi ou 17 MPa) são corrigidas para a flutuabilidade dos hidrocarbonetos. A porosidade é estimada a partir da velocidade (Eq. 2).

Assumimos que a perda de porosidade da liberação de água ligada à argila durante a transformação S/I é linearmente proporcional à temperatura, e que a transformação começa a 70 °C e os platôs a 110 °C. Isso se aproxima da fase principal da transformação S/I43,44,45 sem restrições adicionais no histórico de deposição e composição química46. Seguimos Lahann39 e assumimos ϕm = 0,12 para lama esmectitica e ϕm = 0,03 para lama ilítica. Com base nessas suposições, a porosidade da água ligada à argila é:

onde T é a temperatura, e Ts e Ti são as temperaturas limite de transformação da esmectita (70 °C) e illite (110 °C). Combinamos Eqs 2 e 3, e resolvemos para ϕ – ϕm para todos os pontos ϕ vs. ^({\sigma ^{\prime} ^_{v}) na Fig. 6. Usamos então a regressão dos mínimos quadrados para restringir a Eq. 1 e encontramos ϕ0 = 0.22 e B = 2.9E-4 psi-1 (Fig. 6, linha preta).

Dado B e ϕ0, a Eq. 1 é então usada para estimar a pressão de lama ao longo do furo (Fig. 2a, linha azul) com ϕm calculada a partir da Eq. 2. Para calcular a velocidade do cálculo da velocidade do lamito, escolhemos pedras de lama ao longo do furo a intervalos de 9-12 m (30-40 pés) e aplicamos uma média móvel de 5 palhetas nas medições sónicas de compressão correspondentes. Para cada palheta de pedra de lama, calculamos ϕ a partir da velocidade da pedra de lama (Eq. 2) e ϕm a partir da temperatura (Eq. 3). A correspondência estreita entre as pressões estimadas de arenito e as pressões medidas de arenito, independentemente da calibração local, suporta a precisão do nosso método dentro desta região. As tensões efetivas a 562-1 são aproximadamente 500-1.300 psi (3-9 MPa) mais altas do que no Macondo (fora da regressão de pressão). As porosidades sónicas de lamas são semelhantes em ambos os poços, mas os gradientes de temperatura são diferentes. O poço Macondo tem um gradiente médio de temperatura de 28,4 °C/km contra 26,1 °C/km a 562-1. O menor gradiente de temperatura e águas mais profundas a 562-1 resulta em temperaturas M56 que são quase 20 °C inferiores às temperaturas M56 no Macondo. A temperatura mais baixa indica que o lodo no 562-1 é mais esmectita que o lodo no Macondo para uma determinada profundidade, portanto as porosidades sônicas se transformam em porosidades mais altas {v}_{v}^prime} (Fig. 6).

Pressão do aqüífero

Determinamos que a sobrepressão do aqüífero M56 no poço Macondo seja de 3.386 psi (23,35 MPa), mas pode ser tão alta quanto 3.436 psi (23,69 MPa). No desenvolvimento de Galápagos, a sobrepressão do aquífero M56 é fortemente limitada para igualar 3.433 psi (23,67 MPa). As sobrepressões são limitadas com medições de pressão direta nos arenitos M56 no poço Macondo e três poços no desenvolvimento de Galápagos (Figs 1, 7). Estes poços são escolhidos porque as medições de pressão foram feitas antes da produção em qualquer um dos locais; assim, as medições são interpretadas para registrar as pressões in-situ não afetadas pela produção ou pela liberação do Macondo (Fig. 1, círculos vermelhos e estrelas amarelas). Muitas das medições foram feitas dentro de seções portadoras de hidrocarbonetos. Para determinar a sobrepressão do aquífero em tais casos, o efeito flutuante da coluna de hidrocarbonetos deve ser removido (ex. ref.18). Especificamente, a pressão de hidrocarbonetos é projectada até ao contacto hidrocarboneto-água (HWC) usando a densidade de hidrocarbonetos derivados de MDT (Fig. 7). Para cada poço em Macondo e Galápagos, restringimos o HWC, a densidade da fase de hidrocarbonetos e a densidade da fase da água com dados log, MDT e sísmicos. Em seguida, calculamos a sobrepressão do aquífero em Macondo e Galápagos, levando em conta a densidade poro-água (ua* = u – ρpwgzSS).

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Pressão vs. profundidade de M56 medidas MDT de quatro poços. As pressões da fase de água para as estruturas Macondo e Galápagos são mostradas como linhas azuis tracejadas. Uma linha tracejada verde denota o gradiente de hidrocarboneto M56 no Macondo. Linhas horizontais sólidas localizam os contatos hidrocarboneto-água observados e estimados.

Em Macondo, interpretamos que o fechamento de 4 vias da estrutura M56 (Fig. 1b) foi preenchido até seu ponto de derramamento. Interpretamos uma crista estrutural a 17.720 pés (5401 m), uma sela a 18.375 (5601 m) e, portanto, uma altura de coluna de 655 pés (200 m) por meio da interpretação predrill do PB15. A BP interpretou que as amplitudes sísmicas suportavam esta interpretação preenchida para o HWC15. Calculamos a sobrepressão do aquífero, ua*, para igualar 3.386 psi (23,35 MPa) usando um gradiente de hidrocarbonetos de 0,24 psi/ft (5,43 MPa/km) e um gradiente poro-água de 0,465 psi/ft (10,52 MPa/km). É possível que a estrutura não tenha sido preenchida para derramar, portanto o HWC é mais raso. LLOG-253-1 (Fig. 1, ponto azul mais setentrional) fornece a penetração mais profunda de hidrocarbonetos da M56 na estrutura Macondo a 5.532 m (18.150 pés), o que produz uma sobrepressão superior ao aquífero de 3.436 psi (23.69 MPa)

Os três poços de desenvolvimento de Galápagos (519-1, 519-2, e 562-1) (Fig. 1) limitam a pressão do aquífero neste local a um único valor (Fig. 7). No 519-1, dois lóbulos de arenito empilhados verticalmente compreendem o M56. Cada lóbulo mostra um HWC distinto, mas ambos partilham um ua* de 3.436 psi (23,69 MPa). 519-2 encontrou apenas água no M56, que rende ua* de 3.430 psi (23,65 MPa). Usamos estas medidas da MDT 519-2 para estimar a densidade da água no poro M56 de 0,465 psi/ft (10,52 MPa/km). 562-1 encontrou hidrocarbonetos no M56 e não penetrou em um HWC. Um cálculo da pressão do aquífero que assume que o HWC está logo abaixo do arenito produz um ua* de 3.433 psi (23,67 MPa), que é quase idêntico aos observados nos poços 519-1 e 519-2. Usamos a média, 3.433 psi (23,67 MPa), para descrever a sobrepressão do aquífero no desenvolvimento de Galápagos.

Perfis de Temperatura

Determinamos os perfis de temperatura em Macondo e 562-1 usando temperaturas registradas durante a amostragem do fluido poroso MDT (Fig. 8, símbolos abertos). Temperaturas entre 113,3 e 113.7 °C foram registrados em três pontos de amostra MDT no poço Macondo entre 13.008 e 13.064 pés (3.965 e 3.982 m) abaixo do fundo do mar (Fig. 8, retângulos). A 562-1, quatro pontos de amostra MDT registram temperaturas entre 93,5 e 98,4 °C para profundidades entre 11.633 e 12.316 pés (3.545 e 3.754 m) abaixo do fundo do mar (Fig. 8, diamantes). O modelo de temperatura da BP para Macondo (Fig. 8, linha preta superior)8 é 3,8 °C superior à média das temperaturas registadas na M56 (Fig. 8, barras de erro rectangulares). Supomos que esta diferença reflete uma correção para o resfriamento do furo de sondagem. No Macondo, as medidas de MDT foram adquiridas três dias após a conclusão da perfuração, o que é comparável à diferença de quatro dias a 562-1. Portanto, aplicamos a mesma correção de 3,8 °C nas medições a 562-1 (Fig. 8, barras de erro diamantadas). Nosso modelo de temperatura para o 562-1 assume uma diminuição linear das medições corrigidas do reservatório até o fundo do mar (Fig. 8, linha preta inferior). As temperaturas da água do fundo do mar no Golfo do México aproximam-se a 4 °C para as profundidades observadas no Macondo e 562-1.

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Temperatura vs. profundidade abaixo do fundo do mar no Macondo e 562-1. Símbolos abertos mostram as medições de temperatura do fluido MDT poroso. As barras de erro projetadas da direita representam uma correção para o resfriamento do furo de sondagem. O modelo de temperatura BP é usado no Macondo; as temperaturas 562-1 são modeladas usando uma projeção linear para o fundo do mar. O esquema de cores e linhas pontilhadas mostram as zonas de transição S/I derivadas da temperatura.