Presiunea din pori

Hits: 6

În activitatea de foraj, există nevoia de informații vitale, pentru a evita (pe cât posibil) surprizele…

Presiunea din pori

Presiunea din pori este presiunea fluidelor din porii rocilor traversate de sondă.
Uneori este egală cu presiunea hidrostatică exercitată de coloana
de apă de la adâncimea punctului considerat până la suprafață.
Dar, când rocile sedimentare sunt compactate,
fluidele porilor sunt prinse în interior și pot exercită o presiune mult mai mare decât cea „normală”.

De-a lungul istoriei de peste o sută de ani de activitate de foraj în căutarea hidrocarburilor, în dorința de a înțelege cât mai bine condițiile naturale, oamenii au dezvoltat și un domeniu dedicat analizei presiunii din pori, ce se referă la studiul modului în care presiunile din porii rocilor variază în funcție de adâncimea la care se găsește o anumită formațiune geologică. Mai ales în activitatea de explorare, estimarea presiunii din porii rocilor are o importanță deosebită. Ideal ar fi ca echipele de foraj să dispună de o hartă subterană a presiunilor din pori pentru a săpa în siguranță (pe de o parte) și eficient (pe de altă parte). Presiunile anormale, în special suprapresiunile, pot reprezenta o mare amenințare atât pentru viață, cât și pentru perspectiva forajului. Pericole precum explozii, șocuri de presiune și afluxul de fluide sunt riscuri mari, ce ar putea fi evitate prin studierea geometriilor presiunilor din pori, înainte de pornirea forajului sondei.

Pe lângă preocupările legate de siguranță, cunoașterea prealabilă a aranjamentului structural al presiunilor subterane poate permite optimizarea procesului de foraj și extracție pentru a economisi timp și resurse. Variabilitatea ridicată a presiunilor poate provoca instabilitate ridicată în interiorul găurii de sondă, ducând la măsurători de calitate mai slabă, când înregistrările geofizice se efectuează simultan cu forajul.

Unități de măsură

Din motive diverse (unul dintre ele fiind legat de posibilitatea echivalenței cu greutatea specifică a fluidului de foraj), în loc de folosirea unităților de măsură clasice pentru presiune (bar, at, etc.) s-a preferat exprimarea acestor valori sub formă de gradient, fie [psi/ft], fie [Pa/m], sau, [at/10 m], eventual [bar/10 m]. Tocmai datorită acestei echivalențe valorice, simplificându-se lucrurile, s-a ajuns ca presiunile din pori să fie adesea numite în mod colocvial greutate echivalentă a fluidului de foraj sau, pe scurt, greutatea noroiului, care este definită ca [lbs/gal] în sistemul anglo-saxon de unități de măsură, sau, mai uzitat la noi, în sistemul MKfS, [kgf/dmc] (de subliniat, 1 dmc = 1 l). Inițial, termenul a fost inventat de sondori, care trebuiau să pompeze fluid de foraj în sondă, pentru a contracara presiunile din pori. Pentru aceștia, posibilitatea de a raporta greutatea specifică a noroiului cu presiunile subterane este mult mai convenabilă decât utilizarea unităților de presiune. În cele din urmă, termenul de greutate a noroiului a câștigat, fiind frecvent folosit în analiza presiunilor din pori. Dar, [lbs/gal], sau [kgf/dmc] nu sunt reprezentări adecvată a schimbării presiunii cu adâncimea, astfel încât geofizicienii pot prefera să utilizeze [psi/ft], [at/10 m] sau o altă unitate de presiune pe unitate de adâncime.

Lărgirea domeniului

De cele mai multe ori, în analiza unui anume concept, e bine de făcut un pas în spate, pentru a avea o imagine mai largă a tabloului. Există mai multe tipuri-cheie de presiuni implicate în analiza presiunii din pori: presiunea hidrostatică, presiunea la suprasolicitare, presiunea de fisurare și presiunea din pori. Toate aceste presiuni vor fi exprimate ca gradientul schimbării presiunii în raport cu adâncimea.

Presiunea hidrostatică

Presiunea hidrostatică, denumită alternativ presiune normală, este reprezentată ca presiunea exercitată de o coloană verticală de apă. Această coloană de apă trebuie conectată la suprafață pentru a fi considerată hidrostatică. Acest lucru poate fi exprimat pur și simplu ca:

P_n=\rho g h

unde:

  • P_n → presiunea hidrostatică;
  • \rho → densitatea apei;
  • g → forța gravitațională;
  • h → înălțimea coloanei de apă.

În mod obișnuit, un gradient tipic de presiune hidrostatică este de aproximativ 0,465 psi/ft = 1,0518579 bar/10 m = 1,07259633 at/10 m. Iată deci de unde provine „faimoasa” valoare de 1,07 at/10 m a gradientului „normal”!

Se impune aici un tabel cu factorii de transformare pentru gradienții de presiune și densitatea (a se citi greutatea specifică) a fluidului de foraj:

Pentru a transformaînse înmulțește cu
[latex]psi/ft[/latex][latex]kPa/m[/latex]22,62059
[latex]bar/10 \: m[/latex]2,26206
[latex]lb/gal \: (US)[/latex]19,25*
[latex]lb/ft^3[/latex]144,0*
[latex]kg/dm^3[/latex]2,307*
[latex]bar/10 m[/latex][latex]kPa/m[/latex]10,0
[latex]psi/ft[/latex]0,442075
[latex]lb/gal \: (US)[/latex]8,51*
[latex]lb/ft^3[/latex]63,66*
[latex]kg/dm^3[/latex]1,020*
[latex]kPa/m[/latex][latex]bar/10 \: m[/latex]0,10
[latex]psi/ft[/latex]0,0442075
[latex]lb/gal \: (US)[/latex]0,851*
[latex]lb/ft^3[/latex]6,366*
[latex]kg/dm^3[/latex]0,1020*
[latex]lb/gal \: (US)[/latex][latex]kPa/m[/latex]1,175*
[latex]bar/10 \: m[/latex]0,1175*
[latex]psi/ft[/latex]0,0519*
[latex]lb/ft^3[/latex]7,480519
[latex]kg/dm^3[/latex]0,1198264
[latex]lb/ft^3[/latex][latex]kPa/m[/latex]0,1571*
[latex]bar/10 \: m[/latex]0,01571*
[latex]psi/ft[/latex]0,00694*
[latex]lb/gal \: (US)[/latex]0,1336897
[latex]kg/dm^3[/latex]0,01601846
[latex]kg/dm^3[/latex][latex]kPa/m[/latex]9,807*
[latex]bar/10 \: m[/latex]0,9807*
[latex]psi/ft[/latex]0,4335*
[latex]lb/gal \: (US)[/latex]8.34540
[latex]lb/ft^3[/latex]62,4280
*Note:
- Nu există o conversie directă între densități și gradienți de presiune.
- În SI, unitatea de măsură a gradientului de presiune este kPa/m, iar a densității este kg/mc.
- Se presupune că un litru de apă la 4°C și 1 atm. (= 101,3 kPa = 14,7 psi) este egal cu un dmc apă la 4°C și 1 atm., deși știm că nu este exact același lucru (diferența dintre ele este mai mică de 0,003%). Se asumă această libertate pentru simplificarea calculelor.

În graficul de mai jos, Adâncime vs. Gradient de presiune, gradientul hidrostatic este presupus a fi constant și, prin urmare, este o linie verticală.

Depth > Adâncime. Mud Weight > Greutatea (specifică a) fluidului de foraj. Pore Pressure > Presiunea din pori. Fracture Gradient > Gradientul presiunii de fisurare. Hydrostatic Gradient > Gradientul presiunii hidrostatice.

Presiunea litostatică (Overburden Pressure)

Definiția dată de Wikipedia acestei noțiuni este:

Presiunea litostatică este un termen geologic care denotă presiunea cauzată de greutatea straturilor suprapuse de material la o adâncime specifică sub suprafața pământului. Presiunea de suprasolicitare se mai numește presiune litostatică sau tensiune verticală.

Presiunea litostatică este presiunea datorată stivei de roci și fluide suprapuse deasupra nivelului analizat. Acest lucru poate fi exprimat ca:

P(z)=g \int_0^z p(z)\,dz

unde:

Presiunea din pori

Ajungem acum la noțiunea ce constituie subiectul de bază al articolului, respectiv presiunea din pori. Aceasta este, de fapt, presiunea exercitată de fluidele ce ocupă spațiul porilor unei roci. Presiunea din pori poate fi calculată printr-o varietate de metode, fie log-uri de sondă (înregistrări de rezistivitate, sau sonice), fie din viteze seismice. Gradientul acestei mărimi fizice este notat și PPG (Pore Pressure Gradient).

Pentru datele de log-urile sonice, metoda Eaton este exprimată ca:

PPG=OBG-(OBG-HG)\times \left( \dfrac{\Delta t_{norm}}{\Delta t_{obs}}\right)^x

unde:

  • PPG = gradientul presiunii din pori, [psi/ft];
  • OBG = gradientul litostatic, [psi/ft];
  • HG = gradientul hidrostatic, [psi/ft];
  • \Delta_{norm} = valoarea din log-ul sonic normal, [us/ft];
  • \Delta_{obs} = valoarea observată din log-ul sonic, [us/ft];
  • x = valoare exponent dependentă de proprietățile formațiunii geologice.

Pentru log-urile vitezelor seismice, exprimarea formulei Eaton este:

PPG=OBG-(OBG-HG)\times \left( \dfrac{IV_{obs}}{IV_{norm}}\right)^x

unde:

PPG = gradientul presiunii din pori, [psi/ft];
OBG = gradientul litostatic, [psi/ft];
HG = gradientul hidrostatic, [psi/ft];
IV_{norm} = viteza de interval din tendința normală de compactizare, [ft/s];
IV_{obs} = viteza de interval observată, [ft/s];
x = valoare exponent dependentă de proprietățile formațiunii geologice.

Presiunea de fisurare

Presiunea de fisurare (fracturare) este o valoare limită de presiune la care presiunea internă din pori declanșează fracturarea și fisurarea rocii. Presiunea de fisurare este o proprietate complexă care depinde de mulți factori, inclusiv presiunea de presiunea litostatică și de presiunea din pori. Alți factori includ proprietățile rocilor și anizotropia. Gradientul acestei presiuni se notează FG sau gradient al presiunii de fisurare.

Suprapresiune și stres efectiv

Din tipurile de presiune prezentate mai sus, putem obține suprapresiunea și stresul efectiv. Suprapresiunea este definită ca diferența dintre presiunile interne ale fluidelor din spațiul porilor unei roci și presiunea hidrostatică sau normală.

Suprapresiunea = Presiunea din pori – Presiunea hidrostatică

Deși motive de bucurie pentru beneficiari, suprapresiunile prea mari pot fi deosebit de periculoase și este unul dintre motivele pentru care analiza presiunilor din pori este necesară pentru a menține controlul sondei pe durata forajului și pentru a evita catastrofele.

Stresul efectiv este definit ca diferența dintre presiunea litostatică și presiunea internă a fluidelor din spațiul porilor unei roci.

Stresul efectiv = Presiunea litostatică – Presiunea din pori

Corelare

Relația dintre diferitele presiuni discutate în acest articol se pot vedea în graficul de mai jos (Depth/Adâncime vs. Pressure/Presiune. Pe plan global, forajiștii tind să prefere folosirea graficului Adâncime vs. Gradient de presiune, iar motivul acestei preferințe este acela că pe același grafic pot reprezenta și curba greutății specifice a fluidului de foraj, lucru ce le facilitează activitatea legată de controlul presiunilor. Nu uităm, desigur, că obiectivul final este de a menține greutatea specifică a fluidului de foraj, în mod corespunzător, între valorile gradientului presiunii din pori și valorile gradientului presiunii de fisurare. Apropierea prea mare a valorilor greutății specifice a fluidului de foraj de curba gradientului presiunii de fisurare va crește riscul de apariție a fracturilor mari și de pierderea fluidului de foraj. Invers, o apropiere prea mare a acestor valori de de curba gradientului presiunii din pori poate crea condiții de manifestare eruptivă în timpul forajului. Întâlnirea suprapresiunilor prea mari fac ca cele două curbe limită să se apropie prea mult, îngreunând sarcina găsirii unui echilibru real pentru greutatea specifică a fluidului de foraj.

Eh, cum trecut-au anii... După ce în 1984 am absolvit IPG-ul din Ploiești, următorii patru ani am trecut prin Șantierele de foraj ale Schelei de Foraj Tg. Ocna, din zona Matca-Buciumeni a județului Galați. Apoi, anul 1988 mi-a adus (cu eforturi) un transfer la Mediaș, ca proiectant de foraj al sondelor, în cadrul a ceea ce se numea atunci “Centrul de Cercetare și Proiectare”, care ținea pe vremea aceea de Institutul de la Câmpina. Apoi, lucrurile au luat altă turnură, după anii ‘90, când centrul a trecut sub tutela Romgaz-ului... Ulterior, activitatea de proiectare foraj și ingineria de zăcământ a rămas la Romgaz, iar activitatea de proiectare conducte și altele a trecut la Transgaz. Iar eu am rămas devotat activității de proiectare a forajului sondelor, activitate care iată, cel puțin formal, se apropie de final... Dar pentru că forajul sondelor este un domeniu pasionant, și pentru că scopul unui om în viață ar trebui să fie acela de a evita plictiseala, cred că voi mai rămâne un pic în acest domeniu. Chiar cred că aș avea câte ceva de transmis celor ce vin din urmă... Și pentru că în ultima perioadă am descoperit validitatea filosofiei stoice, nu voi evita subiecte asociate. Ca să nu mai vorbim de faptul că printre alte subiecte pe care le consider de interes se numără evenimentele de tip „lebădă neagră” (cu probabilitate mică de apariție, dar cu impact major), sau problematica automatelor celulare...

Lasă un comentariu