Stabilitatea formațiunilor geologice traversate de sonde

Recomandări practice pentru traversarea argilelor instabile

Acest articol e numărul 12 din totalul de 12 articole ale seriei Stabilitatea rocilor

Hits: 14

Atenție practicieni!

Deoarece practica bazată pe teorie e cheia succesului, acesta articol conține recomandări practice (chiar utile și poate surprinzătoare) pentru traversarea masivelor argiloase instabile…

Pentru început, să facem o clasificare…

Clasificarea argilelor și marnelor instabile

Cu ceva (mai mult) timp în urmă, marnele instabile erau denumite cu un singur termen: „heaving shales”, referindu-se la acele formațiuni argiloase ce închid parțial sau total gaura de sondă. Ulterior, a fost evidențiată constatarea că unele marne se umflă, altele nu, însă indiferent dacă acest fenomen are loc sau nu, dificultățile în timpul forajului se manifestau. În căutarea unei metode de stabilizare, a apărut o primă clasificare în cele două categorii, funcție de comportarea lor în contact cu fluidul de foraj:

  1. – marne ce închid parțial sau total gaura de sondă după ce și-au mărit volumul prin adsorbție de apă de hidratare;
  2. – marne care curg în gaura de sondă fără a-și modifica volumul, numite și „autodispersabile”, deoarece se desfăceau uneori chiar fără agitare mecanică, și nu doar în contact cu fluide bazate pe apă, ci și în cazul fluidelor bazate pe produse petroliere.

Curând, nici această clasificare n-a mai fost suficientă, pe de o parte ajungându-se la concluzia atenuării substanțiale sau chiar blocării fenomenului de umflare în condițiile compresiunii triaxiale. Pentru fiecare categorie s-a aplicat câte o metodă considerată la un moment dat suficient de fundamentată, constatându-se că formațiunile argiloase se comportă diferit în timpul forajului.

Aspectul foarte variat al comportării acestui tip de roci argiloase instabile și lipsa unor metode mai sigure cu care să se poată preveni dificultățile de foraj au impus trecerea la studiul mineralogic și chimic al acestor roci, ceea ce a condus la o nouă clasificare, ajungându-se la trei categorii de argile (marne), pe baza conținutului în montmorillonit:

  1. friabile (numite și șistoase, sfărâmicioase, foioase, exfoliante, etc.), ce conțin montmorillonit în cantitate mică;
  2. plastice în stare naturală (numite și umede, gumbo, ușor dispersabile în apă), cu 10÷20% montmorillonit și cu umiditate mare în raport cu adâncimea de punere în loc;
  3. hidrostabile, care devin plastice după un contact mai îndelungat cu apa din filtratul fluidului de foraj, conținând 10÷20% montmorillonit și un procent de apă normal în raport cu adâncimea de punere în loc.

Din analizele cu raze X a rezultat că argilele pot fi mai bine sistematizate pe baza compoziției mineralogice, dacă se diferențiază și după tipul montmorillonitului, de sodiu, sau de calciu. Așa s-a ajuns la constatarea că marnele (argilele) în care predomină montmorillonitul de sodiu se comportă foarte diferit în foraj, având proprietăți fizice mult deosebite de cele în care predomină montmorillonitul de calciu. Astfel a rezultat o nouă clasificare:

  1. – argile moi și maleabile, formate din proporții moderate și mari de montmorillonit de sodiu și de calciu, cu umiditate mare în raport cu adâncimea de punere în loc (gumbo);
  2. – argile dure, fracturate, compuse din montmorillonit de calciu;
  3. – argile tari, sfărâmicioase, puternic fracturate, în care componentul principal este montmorillonitul de sodiu;
  4. – argile tari, fracturate, ce conțin în principal caolinit, illit, clorit și sunt lipsite de montmorillonit.

Traversarea argilelor din clasa A

Practicienii forajului pot da multe exemple despre dificultățile deosebit de serioase provocate la traversarea acestor argile, mai ales dacă ele sunt asociate cu strate supra-presurizate:

  • auto-dispersia: se manifestă prin formarea rapidă a unei soluții coloidale, fără a se mai înregistra etapa premergătoare de hidratare, necesară unei argile montmorillonitice sodice obișnuite, care ar avea următoarele etape:
    • ionul de sodiu, care e semi-legat în rețea, joacă rolul de „pană” între foițele de argilă, prin faptul că e puternic hidratabil și astfel dă posibilitatea apei să pătrundă între aceste foițe; acest proces de hidratare se produce în timp;
    • existând apă în exces, urmează etapa dispersiei efective, în care are loc formarea rapidă a soluției coloidale propriu-zise.

Explicația faptului că în cazul argilelor auto-dispersabile este omisă prima etapă: apa în exces, existentă în formațiuni, a provocat anterior hidratarea lor, pătrunzând între foițele de argilă și mărind distanța dintre ele, urmând ca, la momentul traversării acestor formațiuni și detritusul provenit din ele vine în contact cu un surplus de apă, să apară doar fenomenul de dispersie. Acest efect de „auto-dispersare” ce se traduce prin mărirea anormală a vâscozității și scăderea filtratului fluidului de foraj are drept consecință sesizarea cantității mici de detritus separat la site și creșterea anormală a volumului de fluid de foraj format în gaura de sondă, ceea ce e un indiciu prețios  și sigur, ce semnalează traversarea formațiunilor montmorillonitice cu conținut anormal mărit de apă.

În cazurile curente din șantier se utilizează fluid de foraj cu greutatea specifică mai mică decât cea necesară asigurării unor deformații elastice în pereții găurilor, facilitându-se astfel curgerea plastică a acestor roci; deci, cantitatea de rocă din gaura de sondă e mai mare decât în mod normal, rezultând o contaminare accentuată a fluidului de foraj cu solide. Așadar, problemele ar fi: împiedicarea contaminării fluidului de foraj cu argile „auto-dispersante” și încercarea de găsire a unui fluid de foraj care să împiedice curgerea elastică a materialului din pereții găurii sondei, material format din roci argiloase cu umidități anormal mărite.

Preîntâmpinarea contaminării fluidului de foraj duce la necesitatea folosirii unor inhibitori, iar pentru rezolvarea celei de a doua problemă, ar exista două posibilități: fie să se lucreze cu un fluid de foraj cu densitate foarte mare, care pe de o parte să asigure stabilitatea mecanică a pereților (lucru nerecomandat, și uneori inacceptabil din cauza riscului fisurării celorlalte formațiuni), iar pe de altă parte să consolideze această stabilitate prin proprietățile sale fizico-chimice, fie să se încerce folosirea unui fluid de foraj adecvat, cu greutate specifică mai mică, dar care să îmbunătățească proprietățile rocii argiloase din pereți pentru a o aduce din starea de deformare plastică într-o stare de deformare elastică.

Eșecurile înregistrate în această ultimă problemă s-au datorat premisei eronate de la care s-a plecat în prepararea acestor fluide de foraj. S-a considerat că în acest caz, filtratul pătrunde în formațiunea străbătută. Adoptând această presupunere ca pe un postulat, prin extrapolare de la cazul în care formațiunile argiloase aveau o umiditate normală pentru adâncimea de punere în loc, în cazul unor astfel de formațiuni cu umidități de 20÷30% s-a procedat în consecință, mergându-se pe tentația de a obține fluide de foraj cu filtrat care să conțină ioni de calciu în concentrație cât mai mare, pentru ca, odată pătruns acest filtrat în interiorul masivului, el să schimbe natura formațiunilor, transformându-le – prin schimbul de bază – din argile sodice, hidratabile, în argile calcice, mai puțin hidratabile, obținându-se astfel o îmbunătățire a proprietăților mecanice ale rocilor. Însă, filtratul fluidului de foraj cu greutăți specifice uzuale nu poate pătrunde în masivele de roci argiloase cu conținut anormal mărit de apă, astfel că, evident, apar eșecurile.

Deoarece în acest caz ne putem aștepta la un fenomen de filtrare inversă, dinspre formațiune spre gaură, e rațional să favorizăm acest proces, atingând de această dată scopul propus, acela de a consolida pereții găurii, nu prin schimbarea naturii fizico-chimice a rocii, ci prin reducerea umidității inițiale. Reușind reducerea acestei umidități până la valori care să permită, în funcție de natura rocii și de adâncime, creșterea limitei de elasticitate a materialului peste valoarea concentrării eforturilor unitare din jurul găurii, se va obține oprirea (cel puțin temporar, până la finalizarea sondei/fazei de foraj) a fenomenului de curgere plastică, deoarece roca, având proprietăți mecanice îmbunătățite, va tinde să aibă o deformare elastică constantă în timp.

Desigur, după finalizarea forajului și intervenției asupra masivului, recăpătându-și starea plastică, roca va tinde să-și refacă umiditatea în jurul găurii sondei, lucru ce trebuie avut în vedere la dimensionarea coloanelor, pentru a preîntâmpina turtirea.

Natural, se poate pune întrebarea: dacă greutatea specifică a fluidului de foraj, în cazul formațiunilor analizate, este inferioară valorii necesare menținerii unor deformații elastice în pereți, atunci, nu cumva, curgerea plastică a formațiunilor argiloase va fi mai rapidă decât deshidratarea acestora prin filtrare inversă? Răspuns: reamintindu-ne că în afara unei cantități de material pătrunsă în primul moment în gaura sondei, curgerea restului de material se va produce într-un timp mai îndelungat, necesar relaxării eforturilor în toate punctele zonei de cedare. Acest timp, denumit „perioadă de relaxare”, precum și cantitatea inițială și finală de detritus pătruns în sondă depinde de starea de eforturi unitare triaxiale și de proprietățile mecanice ale rocii. Determinările unor cercetători arată că acest timp de relaxare pentru formațiunile argiloase este de minimum 10 zile. De aici, rezultă că ar exista suficient timp ca, folosind un fluid de foraj adecvat să se reușească obținerea unei consolidări suplimentare a unor astfel de formațiuni argiloase, mai ales dacă se iau măsuri suplimentare de accelerare a procesului de filtrare inversă.

Se pare că cel mai indicat tip de fluid de foraj pentru astfel de cazuri ar fi unul tip emulsie inversă, care să conțină clorură de calciu sau clorură de sodiu în faza discontinuă formată de apă. Unii cercetători au explicat fenomenul de deshidratare a formațiunilor argiloase la traversarea lor, ca fiind de natură osmotică. Acest proces de curgere osmotică s-ar datora faptului că apa cu concentrație mică de săruri, existentă în formațiunile argiloase, curge spre interiorul găurii sondei și pătrunde în faza discontinuă formată din apă cu concentrație mare de săruri (NaCl sau CaCl2) existentă într-un astfel de fluid de foraj. Membrana semipermeabilă de emulgator permite trecerea apei nesaline , dar nu și curgerea în sens invers a soluției concentrate în săruri. Deci, în astfel de fluide de foraj tip emulsie inversă, filmul interfacial de emulgator din jurul particulelor de apă sărată joacă rolul acestei membrane . Condiția de deshidratare a argilelor, în acest caz, este satisfăcută când apa din argile are salinitate mică prin comparație cu apa fin faza discontinuă a fluidului tip emulsie inversă.

Traversarea argilelor din clasa B

În România, sunt multe zone în care, la traversarea formațiunilor triasice, se deschid pachete cu grosimi diferite de argile vișinii sau verzi, dintre care unele sunt antrenate foarte ușor de fluidul de foraj, prin simpla circulare a acestuia în gaura de sondă. Și asta, chiar dacă filtratul este redus la 2÷3 cm3/30 min. Alte pachete ce alternează cu primele se dispersează greu în masa fluidului de foraj, dar sunt tot instabile, desfăcându-se după planele de sedimentare și clivaj, curgând în gaura de sondă, mai ales datorită deranjamentelor provocate de manevrarea și rotirea garniturii de foraj.

În cavernele ce se formează astfel, se aglomerează o cantitate tot mai mare de detritus și dărâmătură, fără ca la site să ajungă o cantitate însemnată de rocă. Materialul e depozitat la diverse adâncimi pe gaură, până ce e adus la suprafață cu un regim hidraulic adecvat, sau se adună și ulterior cade, putând conduce la prinderea garniturii.

În formațiunile sarmațiene, badeniene, oligocene se deschid (în unele sonde) pachete de argile șistoase, foioase, cu înclinări mari ale planelor de sedimentare ce pot ajunge la 60÷70º. Aceste șisturi se dărâmă mai ales datorită fluctuațiilor bruște de presiune la introducere, extragere și corectări repetate. Există de asemenea structuri în care argila șistoasă cu înclinări mari e de vârstă paleozoică.

Se pare că mecanismul cel mai important ce produce dărâmarea marnelor friabile este umezirea microfisurilor și a planelor de stratificare prin invadarea lor de către filtrat, sau chiar de către fluidul de foraj. În carotele mecanice extrase se pot vedea, uneori cu ochiul liber, materiale din fluidul de foraj pătrunse între planele de stratificare, iar dacă filtratul e sărat, după uscare rămân și cristale de sare.

Constatare: acest tip de marne sunt mai stabile dacă cu NBA (a se vedea și „DRILLING FLUID OBSERVATIONS AND RECOMMENDATIONS FOR U.S. POLAR PROGRAM, WAISCORES DRILLING PROJECT”, cu caracteristici precum:

  • filtrare mai mică de 5 cm3/30 min;
  • clorură de sodiu 10 kg/m3;
  • calciu și/sau magneziu 0,1 kg/m3.

Cu acest tip de fluid de fora s-a obținut o bună stabilizare a găurii și pentru că solidele din fluid pătrund în fracturile fine ale marnei, unde formează un fel de turtă cu permeabilitate mică. Ca urmare a filtrării fluidului de foraj în fracturile fine, pereții găurii sondei se colmatează, iar filtratul nu mai pătrunde în strat. Fiind pe bază de sodiu, acest fluid de foraj produce și un schimb de bază între filtrat și suprafața marnei. Acest proces, asociat cu tendința naturală de hidratare, conduce la o înmuiere a suprafeței, astfel încât marnele devin mai compacte și mai omogene.

Din punct de vedere mecano-reologic, e indicat ca la început să se lucreze cu o greutate specifică sub cea necesară menținerii unor deformații elastice în pereții găurii sobdei, deoarece în acest caz, orice mărire a greutății specifice duce la accentuarea fenomenului de pătrundere a filtratului în interiorul fisurilor și pe planele de stratificare. Dărâmări masive ale argilelor din pereții găurii în prima fază a deschiderii acestora fac ca lucrurile să se petreacă similar cazului anterior discutat. Ulterior, după ce s-a obținut o plasticizare suficientă a pereților găurii, se poate mări greutatea specifică a fluidului de foraj până aproape de valoarea limită de menținere a echilibrului elastic în pereți, măsură ce va preveni în același timp și desprinderea stratului cilindric plasticizat ce ia naștere în jurul pereților găurii prin pătrunderea filtratului și care s-a format în prima fază a deschiderii respectivelor formațiuni.

Traversarea argilelor din clasa C

În contact cu apa din filtrat, aceste argile se hidratează puternic din cauza conținutului mare de montmorillonit de sodiu. Această reacție poate impermeabiliza pereții găurii, dar cum marna e tare și fracturată, hidratarea progresivă va facilita deplasarea rocii spre gaură. Roca antrenată de fluidul de foraj se va hidrata în continuare și ulterior se va dispersa, rezultând o puternică contaminare cu solide a fluidului de foraj. Cu cât contactul cu fluidul dulce este mai prelungit, cu atât cavernele ce se formează vor fi mai mari. În consecință, stratele ce alternează cu argilele și care sunt compacte rămân fără suport, fiind și ele supuse dărâmării.

Se pare că la traversarea acestor argile nu este indicat un fluid de foraj pe bază de apă dulce, fiind recomandat un NBA tratat cu calciu, puternic inhibat, cu filtrare redusă.

Interacțiunile posibile dintre argila din clasa C și fluidul de foraj recomandat: un schimb de bază pe suprafața deschisă în gaura de sondă și de-a lungul planelor de fractură. Acest schimb produce o reducere a volumului argilelor datorat transformărilor montmorillonitului de sodiu în montmorillonit de calciu, care are un volum specific mai redus și o lărgire a planelor de fractură, ceea ce poate avea consecințe asupra stabilității mecanice. În acest caz, aspectul mecano-reologic primează, fiind greu de oferit rețete garantate pentru asigurarea stabilității mecanice.

Traversarea argilelor din clasa D

Aceste formațiuni se sapă cel mai bine cu NBA dulce care produce o acoperire a micro-fisurilor și o colmatare bună a găurii. În acest caz, e important procesul de plasticizare, ca rezultat al interacțiunii cu fluidul de foraj, atât prin efectul de umplere a macro-fracturilor, cât și în urma schimbului cationic dintre minerale și filtratul fluidului de foraj.

Legat de aspectul mecano-reologic, rămân valabile cele spuse la traversarea argilelor din clasa B.


Ei bine, am ajuns la finalul acestei serii de articole. N-ar strica, zic, să oferi măcar un comentariu. De bine, de rău, nu contează. Ar fi încurajator pentru mine să văd că acest efort are sens… Ce spui?

Deplasare prin serie<< Determinarea greutății specifice a fluidului de foraj (3)

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...

2 Comments on “Recomandări practice pentru traversarea argilelor instabile

  1. Un articol foarte interesant si util. Autorul chiar vrea sa transmita ceva colegilor mai tineri si asta este de apreciat. Felicitari !

Lasă un comentariu