Stabilitatea formațiunilor geologice traversate de sonde

Views: 102

Câteva generalități

Teoria elasticității și a plasticității are și o ramură aplicată: mecanica rocilor. Aceasta se ocupă, pe de o parte, de problemele legate de comportarea rocilor în condițiile diverselor stări de eforturi unitare în condiții atmosferice sau în condiții reale (in situ sau simulate) – lucru ce se constituie în cercetare fundamentală, iar pe de altă parte de fructificarea informațiilor astfel obținute și aplicarea lor pentru soluționarea unor probleme specifice, de natură practică, aplicativă.

Deși au trecut niște ani, multe dintre principiile stabilite în lucrări ale lui Köter, Rankine, Terzaghi, Fenner sau Casagrande și-au menținut valabilitatea. Ulterior, s-a dezvoltat o disciplină de frontieră, la intersecția dintre mecanica rocilor și reologie, disciplină numită fluajul rocilor. În vreme ce mecanica rocilor se ocupă cu aspectul static al stărilor de eforturi unitare și al deformațiilor în diverse momente de timp, momente bine precizate, ce tind să fragmenteze dezvoltarea proceselor mecanice ce apar în roci, fluajul rocilor se ocupă de aspectele dinamice, încercând să refacă procesul istoric ce leagă cauza de efect.

Aplicarea mecanicii rocilor în activitatea de foraj a sondelor

Se impun câteva delimitări: în timp ce în problemele de stabilitate a găurii de sondă ce includ atât stabilitatea unei găuri deschise, cât și pe cea a găurii tubate se cere determinarea condițiilor necesare ca roca să rămână în echilibru static în condițiile diverselor stări de eforturi unitare ce apar în practică, în procesele de dislocare și fisurare hidraulică se pune o problemă diametral opusă, aceea a găsirii soluțiilor care să conducă la o distrugere cât mai rapidă și completă a rocii.

Nu odată, aceste două aspecte capătă caracterul de contradicție ireductibilă, așa cum este cazul deschiderii succesive prin foraj a unor formațiuni puternic instabile și a unora predispuse la fisurare, chiar și la un gradient de presiune mic.

Stabilitatea găurii de sondă

Pe lângă aspectele de natură mecanică, stabilitatea găurii de sondă comportă și o seri de altele, cu caracter diferit, dar care trebuie corelate cu primul, pentru menținerea unei imagini generale asupra fenomenelor de care depinde această stabilitate. Astfel, se vor lua în considerare:

1. aspectul mecano-reologic;
2. influența presiunilor de zăcământ anormale;
3. influența temperaturii și a variației acesteia;
4. influența umflării formațiunilor argiloase;
5. influența undelor de suprapresiune și de depresiune;
6. influența gradului de fisurare naturală a formațiunilor;
7. influența interacțiunii dintre filtratul fluidului de foraj și formațiunile geologice străbătute de sondă.

Aspectul mecano-reologic

Un corp poate avea simultan caracteristicile unui solid, dar și pe cele ale unui lichid. Spre exemplu, bitumul poate fi spart cu un ciocan, dar poate chiar să curgă printr-o gaură a unui butoi în timp îndelungat. Curgerea lui nu diferă de curgerea lichidelor obișnuite decât prin faptul că are loc în timp îndelungat datorită unei vâscozități foarte mari.

În geologie există exemple tipice de curgeri ale corpurilor solide (curgerea terenurilor marnoase la Runcu sau la Ceptura). În anumite condiții de compresiune triaxială și de temperatură, în unele roci apare fenomenul de fluaj, deși acestea au caracter casant în condiții de suprafață.

Prin generalizare, se poate afirma că toate corpurile naturale se pot comporta fie ca solide, fie ca fluide, funcție de intensitatea stării eforturilor unitare ce tind să le deformeze, dar și de timpul cât această stare de eforturi se manifestă asupra lor.

Orice deformație a unui corp solid face ca în el să apară o constrângere ce caută să se opună efortului deformant. În solidele perfect elastice, cât timp constrângerea persistă, deformarea e proporțională cu aceasta. Dacă admitem că la corpurile reale, când s-a depășit o anume valoare a stării eforturilor unitare, această constrângere începe să se micșoreze de la sine, cu timpul, ca și când corpul s-ar adapta progresiv la deformare, dacă starea de eforturi unitare e menținută constantă, cu timpul, echilibrul static dispare, fiind înlocuit cu un echilibru dinamic ce se traduce printr-o creștere continuă a deformațiilor. Dar, atenție, o deformație în creștere înseamnă curgere!

În cazul fenomenelor de curgere, influența cauzelor trecute se resimte. Doar în cazul solidelor perfect elastice, la dispariția stării de tensiune dispare și deformația, astfel de corpuri nu au „memorie”…

La săparea unei sonde, apare dezechilibru între gaură și formațiunea geologică datorită diferenței dintre presiunea hidrostatică/hidrodinamică asigurată de fluidul de foraj din sondă pe de o parte și presiunea litostatică pe de altă parte.

Gradientul presiunii litostatice e o funcție de greutatea specifică a mineralelor și a cimentului de legătură ce formează rocile, dar și de mărimea spațiului inter-granular necimentat (porii) ocupat de lichide sau gaze.

Greutatea specifică medie a granulelor de minerale din rocile sedimentare este (în medie) de 2,7 kgf/dm³. În cazul unei porozități de 10% (spațiu poros umplut cu apă dulce), greutatea specifică medie e de 2,53 kgf/dm³, iar la o porozitate de 20%, greutatea specifică medie scade la 236 kgf/dm³. La o porozitate de 30%, greutatea specifică medie e de 2,19 kgf/dm³. Greutatea specifică medie a rocilor sedimentare se plasează în jurul valorii de 2,4 kgf/dm³.

Se impune a face distincție între presiunea litostatică și presiunea de strat (de zăcământ), aceasta din urmă fiind presiunea fluidelor ce umplu spațiul poros-permeabil, având de obicei caracterul unei presiuni hidrostatice, fiind o funcție de greutatea unei coloane de apă sărată, de la suprafață la punctul considerat, cu greutatea specifică de 1,07 kgf/dm³.

Totdeauna, presiunea litostatică va fi mai mare decât presiunea de zăcământ, iar presiunea hidrostatică a coloanei de fluid de foraj din gaura de sondă trebuie să fie doar cu puțin mai mare decât cea de strat (de zăcământ). Rezultă astfel că presiunea litostatică va fi, în mod normal, mai mare decât presiunea dată de coloana de fluid de foraj. Astfel, teoretic, în orice sondă va exista o forță deformantă față de situația în care masivul n-ar fi fost atacat (prin foraj). Se poate astfel întâmpla ca, după un timp mai lung sau mai scurt de la deschiderea formațiunilor, acestea să înceapă să curgă, dacă intensitatea concentrării forțelor unitare din jurul găurii de sondă depășește capacitatea de rezistență a rocilor respective.

În literatura clasică de specialitate, Terzaghi a fost primul ce a dat o soluție teoretică în privința distribuției eforturilor unitare ce se manifestă în jurul găurii de sondă, distribuție datorată dezechilibrului creat prin înlocuirea rocii cu fluidul de foraj, respectiv înlocuirea greutății specifice a rocii cu greutatea specifică a fluidului de foraj. El a fost preocupat de găuri verticale ce traversează formațiuni omogene și izotrope, alcătuite din roci coezive și cu un unghi de frecare interior diferit de zero. Terzaghi a studiat și apariția zonei de stare limită din jurul găurilor de sondă ce traversează formațiuni omogene și izotrope. În lucrările sale, analizează doar aspectele statice, fără a se extinde la analiza aspectelor reologice.

Preocupările lui Fenner au fost legate de rocile neconsolidate (pietrișuri, nisipuri) în sonde cu găuri verticale și orizontale (tuneluri), atât în domeniul elastic, cât și în apariția zonei de stare limită; s-a rezumat tot la aspectul static al problemei.

Ruppeneit și Pesleak s-au ocupat de roci coezive cu unghiul de frecare interior apropiat de zero, respectiv argile foarte plastice și masive de sare, studiind atât aspectul static, cât și pe cel reologic. Lucrarea lor e printre primele încercări serioase, dar iau în considerare doar găurile verticale. Studiul lor se extinde și la calculul coloanelor de tubaj, introducând un factor de corecție, ce ține seama de creșterea presiunii în timp, pe suprafața exterioară a inelului de ciment ce izolează coloana de formațiunile geologice.

În toate lucrările celor de mai sus se presupune că masivul este format din roci omogene și izotrope. Abia prin 1965-1966 (v. Wane, M.T. – „Ttransaction of the Society of mining engineers”, vol 32, martie 1965, p. 301-318 și Goodma, R. E. – „Lucrările primului Congres al Societății Internaționale de Mecanica Rocilor”, Lisabona, 1966, Tema 7, p. 249-255) apare tentativa de luare în considerare a anizotropiei rocilor.

Pentru activitatea de foraj, aspectul practic deosebit de important a fost acela al stabilirii greutății specifice a fluidului de foraj astfel încât să îndeplinească simultan trei criterii: asigurarea stabilității găurii de sondă, limitarea impusă de gradientului de fisurare a formațiunilor și asigurarea contrapresiunii pe stratele cu fluide sub presiune.

Seria de articole dedicate stabilității formațiunilor geologice traversate prin sonde va continua… Mai ales dacă veți considera util acest demers! 😆