Stabilitatea formațiunilor geologice traversate de sonde

Stabilitatea găurilor de sondă. Aspecte practice

Acest articol e numărul 8 din totalul de 12 articole ale seriei Stabilitatea rocilor

Hits: 44

Hai să vedem și aspecte mai practice ale problemei stabilității pereților găurii de sondă…

Considerații preliminare

Modelul analogic al lui Terzaghi

Terzaghi a imaginat un model analogic prin care a căutat să explice fenomenele ce apar în cazul unei suficiente compactări a rocii argiloase în raport cu adâncimea la care se află. Cu ajutorul aparatului său, el a folosit niște plăci metalice pe post de particule de rocă. Eforturile unitare ce apar în aceste particule (așadar, în scheletul mineral al rocii) sunt concretizate în constrângerile ce se dezvoltă în resorturile (arcurile) dintre plăci, iar apa folosită joacă rolul fluidului interstițial. Plăcile etanșează perfect pe cilinfrul folosit, în care e închis sistemul.

Cei ce vor să aprofundeze, o pot face studiind cartea lui Terzaghi, „Theoretical soil mechanics”.

Oricum, el a ajuns la o relație simplă:

P=P_m+P_r,

unde:

P – presiunea pe placa superioară a aparatului său;
Pm – presiunea citită la manometru;
Pr – presiunea preluată de resorturi, rezultată din transformarea deformației acestora.

Extrapolarea concluziilor lui Terzaghi la rocile reale

Prin similitudine, se poate afirma că pentru o formațiune argiloasă de la o anumită adâncime, din care apa a putut fi eliminată normal, pe măsură ce formațiunea s-a adâncit, presiunea litostatică dată de coloana de roci de deasupra adâncimii considerate, se va repartiza, pe de o parte în scheletul mineral al rocii, iar pe de altă parte, direct asupra fluidului din porii acestei roci. Când, însă, apa din formațiune nu a putut fi eliminată (din varii motive), pe măsură ce formațiunea s-a scufundat, atunci întreaga presiune litostatică se va transmite asupra fluidului interstițial, presiunea în scheletul mineral rămânând nulă, particulele de argilă fiind supuse și ele, fiecare în parte, la o compresiune triaxială, egală pe toate direcțiile.

O compactizare anormală a formațiunii argiloase va atrage după sine:

  • o presiune a fluidelor din pori cuprinsă între presiunea hidrostatică dată de coloana de apă sărată cu greutatea specifică de 1,07 kgf/dm3 și presiunea litostatică;
  • o porozitate și o umiditate anormal mărite față de adâncimea de punere în loc.

Când între astfel de formațiuni argiloase masive, cu umiditate anormal mărită, se găsesc închise strate poros-permeabile ce conțin fluide, presiunea apei din porii argilelor se va transmite integral asupra fluidelor din formațiunile amintite. Presiunea apei din porii argilelor, o presiune anormal mărită față de punerea în loc, această presiune va fi regăsită și în stratele închise între formațiuni argiloase masive.

Supoziția a fost verificată în șantiere. Asemenea argile „umede” sunt denumite în literatura americană argile „gumbo”. Din această categorie fac parte formațiunile argiloase montmorillonitice sodice, aflate la adâncimi de peste 800÷900 m, ce conțin apă în proporție de 20÷30%.

Posibilitatea pătrunderii filtratului fluidelor de foraj în masivele argiloase traversate de sonde

Importanță:
Dacă filtratul din fluidul de foraj cu care se traversează formațiunea argiloasă masivă poate pătrunde în aceste roci, se ridică discuția a trei aspecte distincte: mecanic, structural și fizico-chimic.
 

Aspectul mecanic

În cazul formațiunilor argiloase masive, indiferent de procentul lor de umiditate naturală și deci de caracterul plastic sau mai puțin plastic, există posibilitatea tehnologică prin reglarea greutății specifice a fluidului de foraj, de a menține în pereții găurii deformații elastice. Există totuși anumite situații în care condițiile din sondă  nu permit să se lucreze cu greutate specifică prea mare. Astfel, va trebui luat în considerare și cazul în care apariția deformațiilor plastice  din pereți nu poate fi evitată. Așadar, pentru o analiză completă vor trebui discutate ambele situații, discuția ducând la influența pe care o are concentrarea eforturilor unitare asupra admiterii filtratului fluidului de foraj în interiorul formațiunilor traversate.

Deformațiile elastice ale pereților găurii sondei

Având ca bază de plecare situația cea mai generală, gaura de sondă înclinată, rezultă relația de distribuție a eforturilor unitare:

\sigma_{r}=\dfrac{\gamma_r H}{4(m-1)}[m+(m-2) \cos(\theta)+2](1-\dfrac{a^2}{r^2})-\gamma_n H \dfrac{a^2}{r^2} + \dfrac{\gamma_r H}{4(m-1)}[m+(m-2) \cos (2 \theta) -2](1+3\dfrac{a^4}{r^4}-4\dfrac{a^2}{r^2}) \cos(2 \varphi),

\sigma_{\theta}=\dfrac{\gamma_r H}{4(m-1)}[m+(m-2) \cos(2 \theta)+2](1-\dfrac{a^2}{r^2})+\gamma_n H \dfrac{a^2}{r^2} - \dfrac{\gamma_r H}{4(m-1)}[m+(m-2) \cos (2 \theta) -2](1+3\dfrac{a^4}{r^4}) \cos(2 \varphi)

și

\tau_{r \theta}=\dfrac{\gamma_r H}{4(m-1)}[m+(m-2) \cos(2 \theta) -2](-1-2 \dfrac{a^2}{r^2}+ 3 \dfrac{a^4}{r^4}) \sin(\varphi)

Pentru unul și același punct aflat la adâncimea H și la distanța R de originea sistemului de axe, în cazul în care în masiv nu s-a realizat încă gaura de sondă, distribuția eforturilor unitare e dată de relațiile:

\sigma_{r}=\dfrac{\gamma_r H}{4(m-1)}[m+(m-2) \cos(2 \theta)+2]+\dfrac{\gamma_r H}{4(m-1)}[m+(m-2) \cos(\theta)-2]\cos(2 \varphi),

\sigma_{\theta}=\dfrac{\gamma_r H}{4(m-1)}[m+(m-2) \cos(2 \theta)+2]-\dfrac{\gamma_r H}{4(m-1)}[m+(m-2) \cos(\theta)-2]\cos(2 \varphi)

și

\tau_{r \theta}=- \dfrac{\gamma_r H}{4(m-1)}[m+(m-2) \cos(\theta) -2] \sin(2 \varphi)

Făcând diferențele dintre primul set de ecuații și corespondentele lor din acest al doilea set de mai sus, se obțin diferențele dintre eforturile unitare ale masivului neatacat și mărimile eforturilor unitare din același punct, în situația străpungerii masivului cu gaura de sondă. Iată aceste diferențe:

\Delta \sigma_r=[A_1 \dfrac{a^2}{r^2} + A_2 (4 \dfrac{a^2}{r^2}-3 \dfrac{a^4}{r^4}) \cos(2 \varphi)+A_3 \dfrac{a^2}{r^2}],

\Delta \sigma_\theta=-[A_1 \dfrac{a^2}{r^2} -3 A_2 \dfrac{a^4}{r^4} \cos(2 \varphi)+A_3 \dfrac{a^2}{r^2}]

și, respectiv

\Delta \sigma_{r \theta}=A_2 (2 \dfrac{a^2}{r^2}-3 \dfrac{a^4}{r^4}) \sin(2 \varphi),

în care:

A_1=\dfrac{\gamma_r H}{4(m-1)}[m+(m-2) \cos(2 \theta)+2];

A_2=\dfrac{\gamma_r H}{4(m-1)}[m+(m-2) \cos(2 \theta)-2];

A_3=\gamma_n H

Din expresiile astfel obținute rezultă că \Delta \sigma_r este pozitiv, iar \Delta \sigma_\theta este negativ. Având în vedere că atât \sigma_r, cât și \sigma_\theta sunt eforturi normale de compresiune, prin convenția de semn adoptată fiind pozitive, rezultă că prin realizarea unei găuri de sondă se va produce o micșorare a compresiunii radiale \sigma_r, comparativ cu cazul masivului neatacat (\Delta \sigma_r>0) și o mărire a compresiunii pe direcția tangentei \sigma_\theta (\Delta \sigma_\theta<0).

Comparând valorile absolute ale lui \Delta \sigma_r și \Delta \sigma_\theta, rezultă că \Delta \sigma_r > \Delta \sigma_\theta, deoarece A_2 (4 \dfrac{a^2}{r^2}-3 \dfrac{a^4}{r^4}) > -3A_2 \dfrac{a^4}{r^4}.

Reducerea compresiunii radiale e legată de destinderea rocii pe direcție radială, iar mărirea compresiunii pe direcția tangentei e legată de comprimarea elastică a rocii pe această direcție. Variația eforturilor tangențiale nu e legată de variația de volum, ci mai curând de variații ale formei.

Destinderea elastică radială a rocii va facilita admiterea unei cantități de filtrat al fluidului de foraj în interiorul masivului, iar comprimarea pe direcția tangențială va tinde să producă o eliminare a acestuia din formațiune.

Faptul că \Delta \sigma_r > \Delta \sigma_\theta are ca rezultat admiterea filtratului datorită destinderii elastice pe direcția razei nu este compensată de expulzarea acestuia dată de comprimarea elastică pe direcția tangentei, ceea ce arată că prin străpungerea unui masiv alcătuit din roci argiloase omogene cu o gaură de sondă înclinată, eforturile unitare ce apar în jurul acestei găuri, în cazul deformării elastice, vor provoca o creștere a umidității formațiunii pe baza admiterii filtratului fluidului de foraj.

Dacă \theta = \pi/2 și \cos(\theta)=1, rezultă situația particulară a unei găuri verticale, caz în care: A_1=\dfrac{\gamma_r H}{m-1}, A_2=0 și A_3=\gamma_n H, iar diferențele eforturilor dintre în cele două situații (masiv neatacat și masiv traversat cu o gaură de sondă) devin:

\Delta \sigma_r = (\dfrac{\gamma_r}{m-1}+\gamma_n) H \dfrac{a^2}{r^2},

\Delta \sigma_\theta = -(\dfrac{\gamma_r}{m-1}+\gamma_n) H \dfrac{a^2}{r^2}

și

\Delta \tau_{r \theta}=0

Așadar, în cazul găurilor verticale, destinderea pe direcția razei va fi egală cu comprimarea pe direcția tangentei, rezultând că eforturile unitare ce iau naștere prin executarea sondei nu vor avea nici un fel de influență asupra umidității formațiunii.

Deformații plastice ale pereților găurii sondei

Fiind în domeniul plastic, nu mai poate fi aplicată aceeași metodică, deoarece în domeniul plastic nu mai există proporționalitate între efort și deformație. Se folosește o ipoteză de bază a teoriei plasticității, care arată că deformațiile plastice au loc doar în variația formei unui element de volum infinit mic și nu în variația volumului acestui element. Altfel spus, indiferent dacă gaura e verticală sau nu, în cazul în care intensitatea eforturilor unitare din jurul găurii sondei este suficient de mare pentru a depăși anumite caracteristici mecanice ale rocii și dacă această rocă prezintă un pronunțat caracter plastic, atunci, în pereții găurilor rezultă deformații plastice neexistând nici un motiv pentru a presupune că va avea loc o creștere a procentului de apă din pori prin admiterea ei din fluidul de foraj, datorită unor cauze mecanice.

Aspectul structural

Privind lucrurile doar sub aspect mecanic, apare tentația de a afirma că în cazul sondelor aproximativ verticale, umectarea argilelor într-un procent care să depășească umiditatea inițială a masivului neatacat nu se produce, indiferent dacă roca din pereții găurii suferă o deformație elastică sau plastică. Și totuși, fenomenul se produce!

Formațiuni argiloase cu umiditate normală

Concluziile experiențelor făcute demonstrează că în cazul umidităților naturale mici, procentul inițial de umiditate este depășit, în condiții de compresiune triaxială, la contactul îndelungat dintre formațiunile argiloase și fluidul de foraj. Consecințe:

  • umezirea suplimentară, funcție de proprietățile fizico-chimice ale filtratului fluidului de foraj, ca și de natura formațiunilor argiloase, implică acordarea unui rol important următorilor doi factori:
    • limita de elasticitate a rocilor argiloase se reduce;
    • deformațiile plastice, chiar dacă roca se află inițial într-o stare de deformare elastică; deformațiile plastice apărute vor prezenta o tendință de creștere în timp, ceea ce va duce în final la curgerea formațiunilor argiloase și la închiderea găurii de sondă.

Explicație: roca argiloasă e discontinuă, fiind alcătuită, ca orice rocă, dintr-un material solid ce formează scheletul mineral și fluid interstițial. La interpretarea corectă a relațiilor anterioare, trebuie să se țină seama de simplificarea făcută (ipoteza omogenității perfecte a rocilor argiloase), pentru a nu trage concluzii eronate.

Exceptând cazul umidităților anormale, presiunea fluidelor din formațiune va fi apropiată de presiunea hidrostatică a unei coloane de apă sărată cu greutatea specifică de 1,07 kgf/dm3, diferită de presiunea litostatică, fiind, în ultimă instanță, doar o fracțiune din aceasta, fracțiune diferită de împingerea laterală, care, și ea, reprezintă tot un procent din presiunea litostatică.

Folosind în gaura de sondă un fluid căruia îi va corespunde o presiune mai mare decât cea din porii formațiunii argiloase, și dacă aceasta este cât de cât permeabilă, atunci rezultă o filtrare similară cazului oricărei roci poroase obișnuite.

Formațiuni argiloase cu umiditate anormal de mare

Astfel de formațiuni conțin în cantități mari montmorillonit sodic. Umiditatea exagerată constituie una din explicațiile unanim acceptate a suprapresiunilor de strat din zăcămintele care au în culcuș și acoperiș pachete foarte mari din astfel de argile tip „gumbo”. Cauza apariției presiunilor anormale în astfel de zăcăminte este tocmai suprapresiunea fluidelor din porii formațiunilor argiloase ce se transmite și fluidelor din stratul productiv cuprins între două „tampoane” formate din astfel de argile.

Cauze ale umidităților anormal mărite ale argilelor tip „gumbo”:

  • viteza mare de scufundare și grosimea mare a sedimentelor argiloase, acești doi factori împiedicând eliminarea normală a apei, ceea ce are ca rezultat o compactizare anormală (scăzută); în același timp, datorită grosimii mari a acestor formațiuni și a permeabilității lor foarte scăzute, apa nu va putea fi eliminată nici ulterior;
  • o parte din cantitatea inițială a montmorillonit-ului sodic din aceste argile, ce conține multă apă de cristalizare, se va transforma – datorită condițiilor de presiune și temperatură corespunzătoare adâncimii de punere în loc–, în illit, care, așa cum se știe, face parte din grupa micelor hidratate ce rețin în rețeaua lor de cristalizare o cantitate de apă mai mică decât montmorillonit-ul; excesul de apă rezultat din această transformare fiind pus în libertate, va rămâne totuși în masiv, neputând fi expulzat.

Se poate afirma că la deschiderea formațiunilor argiloase cu apă în exces nu este posibilă creșterea conținutului de apă pe seama filtratului fluidului de foraj, pentru că:

  • din punct de vedere al concentrării eforturilor unitare, pentru găuri aproximativ verticale, indiferent de structura formațiunilor argiloase, admiterea apei din filtrat în formațiune nu este influențată;
  • din punct de vedere structural, față de cazul analizat anterior (formațiuni argiloase cu conținut normal de apă față de adâncimea de punere în loc), în cazul formațiunilor argiloase cu conținut anormal de apă (ceea ce implică o compactizare insuficientă), lucrurile se vor schimba.

Din modelarea lui Terzaghi, rezultă că în cazul formațiunilor argiloase cu exces de apă, e rațională presupunerea că va avea loc un fenomen de filtrare inversă, dinspre formațiune spre gaură.

Aspectul fizico-chimic

Acesta se referă la mecanismul de hidratare a argilelor. În trecut, fenomenul de strângere și de dărâmare a pereților găurii ce traversa formațiuni argiloase se explica în cea mai mare parte prin acest aspect, absolutizându-l.

Totuși, există două mecanisme de hidratare a argilelor:

  • hidratare de suprafață;
  • hidratare prin osmoză.

Hidratarea de suprafață depinde de energia de hidratare a cationilor de schimb ai argilei, precum și de densitatea acestora pe suprafața foițelor de argilă.

Hidratarea osmotică depinde de concentrația în sare a fluidului de foraj și poate fi inversată în situația în care concentrația în sare a apei din fluidul de foraj depășește concentrația în sare a apei interstițiale.

Forțele totale de hidratare ale unei argile pot fi considerate ca suma forțelor de hidratare de suprafață și a celor osmotice.

În timp ce la traversarea formațiunilor argiloase cu conținut normal de apă pentru adâncimea de punere în loc există posibilitatea pătrunderii filtratului din fluidul de foraj în masa formațiunilor argiloase, la traversarea acestora cu conținut anormal mărit de apă pentru adâncimea de punere în loc – argile „gumbo” –, nu există această posibilitate; dimpotrivă, în acest caz se poate manifesta tendința de filtrare inversă.

Deplasare prin serie<< Distribuția eforturilor unitare în jurul găurilor de sondăDeterminarea greutății specifice a fluidului de foraj (1) >>

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...

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *

*