Produção de areia em poços de petroleo

1. 2
Produção de areia em poços de petróleo
2.1
Introdução
A produção de partículas durante a extração de fluídos de uma rocha
reservatório é designada por produção de areia. A produção de areia ou produção
de sólidos referenciada normalmente a arenitos não consolidados, engloba além
destes materiais, rochas como calcário e arenitos de resistência média a elevada,
também susceptíveis a este fenômeno. Os danos mais comuns devido à produção
de areia incluem abrasão e desgaste de equipamentos, perda da produtividade do
poço, colapso de revestimento e disposição dos resíduos impregnados por
hidrocarbonetos.
Em uma escala microscópica, a produção de areia é um processo
desencadeado pela força de arraste associada ao fluído em movimento atuando em
um conjunto de partículas próximas a uma superfície livre (parede do poço,
cavidade do canhoneado). O transporte de partículas ocorre, quando esta força,
originada na diferença de pressão estabelecida entre o poço e a formação,
eventualmente se torna maior do que as forças estabilizadoras provenientes da
coesão do material e da tensão de arco desenvolvida entre as partículas, como
ilustrado na figura 2.01.
No intuito de compreender como a perfuração e a completação do poço
influem na produção de areia, descreve-se sucintamente tais etapas.
A perfuração de um poço de petróleo realizada através de uma sonda do
tipo rotativa, consiste no avanço obtido pela rotação e peso aplicado por uma
broca existente na extremidade de uma coluna de perfuração. Os fragmentos da
rocha perfurada são continuamente removidos por um fluido de perfuração. Este
fluido tem a função de limpar o fundo do poço dos fragmentos produzidos,
estabilizar a parede do poço, resfriar e lubrificar a coluna de perfuração e a broca.
Atingida a profundidade do reservatório, retira-se à coluna de perfuração e uma
coluna de revestimento de aço é colocada.
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2. 26
Figura 2.01 – Produção de areia a nível microscópico (Dusseault e Santarelli, 1989)
Concluída a perfuração, seguem-se às atividades de revestimento,
cimentação e caso necessário o canhoneio. A esta etapa designa-se o nome de
completação, ou seja, o conjunto de atividades destinadas a equipar um poço para
a produção de óleo ou gás.
Na figura 2.02, observa-se à união do revestimento à formação feita
através de um cimento e as perfurações (canhoneio) existentes através das quais
ocorrerá a produção de óleo ou gás. Essas perfurações realizadas com o uso de
pistolas se estendem desde o revestimento até a formação, suas formas dependem
do tipo e quantidade de carga utilizada, apresentando um aspecto fino e alongado
inicialmente. À medida que o poço é explorado, elas crescem e tornam - se
cavidades com possibilidade de virem a fundir. O crescimento destas perfurações
implica na perda de material sólido da formação, o qual é carreado pelo fluxo de
fluido, desencadeando o processo de produção de areia. Uma forma conveniente
de verificar a alteração da geometria destas cavidades é monitorar o volume
acumulado de areia produzido em um determinado intervalo.
Veeken (1991) sugere a classificação da produção de areia para uma
melhor interpretação e comparação dos eventos que levam um poço a produzir
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sólidos. Esta classificação baseada em observações de campo permite a distinção
de três modos:
- Produção de areia transiente: refere-se ao declínio da produção de areia
com o tempo sob condições de produção constante do poço. Este tipo de
fenômeno é freqüentemente observado durante a limpeza da parede do poço após
a perfuração das cavidades.
- Produção de areia contínua: na maioria dos campos de exploração,
observa-se a produção contínua de areia. A limitação da produção de areia deve
obedecer a restrições operacionais como capacidade de separação, disposição de
areia, localização do poço, etc. Limites típicos são da ordem de 6 a 600 g/m3
para
formações de óleo e de 16 g/103
m3
para formações de gás. Dependendo da
capacidade do fluido em transportar partículas e da concentração, eventualmente
ocorrerá a obstrução de parte do intervalo produtor.
- Produção de areia catastrófica: causa a suspensão das operações de um
poço, pode ocorrer devido a uma produção maciça de areia que preenche e obstrui
o poço.
revestimento
canhoneadoformação
Figura 2.02 - Esquema da completação de um poço (Fjaer e outros, 1992)
Diante da necessidade de se minimizar a níveis toleráveis a produção de
areia, um mecanismo de controle deverá ser utilizado. Estes mecanismos atuam
diretamente nos parâmetros de produção do poço ou diretamente na produção de
areia. O controle feito sobre os parâmetros de produção consiste em manipular o
drawdown (diferença entre a pressão no poço e a poropressão no reservatório) e a
taxa de produção. O segundo tipo de controle é efetuado por técnicas como:
- Gravel packing;
- Consolidação química;
- Pré–consolidação da formação;
- Seleção das perfurações;
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- Frac–Pack.
Destas técnicas, provavelmente a mais utilizada é o gravel packing, que
consiste na utilização de um filtro sólido granular, para impedir a produção de
grãos na formação. A consolidação química promove um aumento na resistência
da formação pela injeção de resina, todavia leva a uma redução da permeabilidade
e conseqüentemente da produção de um poço.
A seleção dos locais de perfuração é um outro meio para minimizar a
produção de areia, a idéia consiste em perfurar regiões onde a formação possui
uma boa resistência mecânica, e com isto uma pequena possibilidade de produzir
areia.
O frac-pack é uma técnica adequada para reservatórios onde a taxa de
produção de óleo é elevada, cuja convergência do fluxo radial pode se tornar um
agravante para a produção de sólidos. O método consiste na criação de uma
pequena fratura condutora, cuja função é transformar o fluxo radial em fluxo
linear através do poço, reduzindo o gradiente de pressão.
Apesar de controlarem a produção de areia, estas técnicas apresentam
como inconveniente o alto custo de instalação e manutenção, assim como a
redução da produção do poço. A escolha de qual técnica e quando utilizá-la torna
necessária a introdução de um método para a previsão da produção de areia.
As técnicas de previsão de produção de areia existentes são baseadas em
observações de campo, ensaios de laboratório ou modelos teóricos (Morita, 1989).
A previsão que utiliza a observação de campo consiste no estabelecimento de uma
correlação entre dados de produção de areia de um poço e parâmetros
operacionais. A precisão deste método é proporcionalmente dependente da
quantidade de parâmetros utilizados. Dada à dificuldade de monitorar e armazenar
parâmetros, poucos são incluídos em uma análise. A tabela 2.01 apresenta alguns
parâmetros que influenciam a produção de areia.
Formação Completação Produção
Resistência da rocha
Diâmetro e orientação do
poço
Taxa de fluxo
Tensões vertical e horizontal
in – situ
Perfuração – tamanho, fase,
densidade
Drawdown
Heterogeneidade Dimensão dos tubos Depletação
Tabela 2.01 – Parâmetros que influenciam a produção de areia
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Ensaios de laboratório permitem reproduzir a produção de areia em
condições controladas e desta forma observar separadamente a influência de cada
parâmetro. Além disto, possibilitam a validação de um modelo teórico e também
podem ser utilizados como ferramentas de previsão. Em seu trabalho,
Veeken(1991) cita a utilização do Thick Walled Cylinder (TWC), relacionando a
maior tensão vertical efetiva suportada pela parede de uma perfuração horizontal
( wv, )σ com a tensão de ruptura inicial de uma amostra( )i,TWCσ , através da
expressão:
i,TWCw,v σ=σ (2.01)
a tensão vertical efetiva é definida empiricamente como:
ddvwv += σσ , (2.02)
onde é o drawdown. Como a tensão inicial de ruptura não é facilmente
identificada, estabeleceu-se uma relação com a tensão de colapso
dd
( )TWCσ baseada
em uma série de ensaios em arenitos friáveis e consolidados, .
TWCw,v 86.0 σ×=σ (2.03)
Na figura 2.03 valores fornecidos pela equação acima são comparados
com dados de produção de areia obtidos em campo. Nota-se os valores
conservativos quanto ao início da ruptura, mas que podem ser utilizados com certa
confiança.
Modelos teóricos agrupam-se em soluções fechadas ou numéricas. Apesar
da solução fechada ter um uso atraente, por muitas vezes elas simplificam os
parâmetros envolvidos na produção de areia, como por exemplo, a trajetória de
tensão, geometria do poço e canhoneado. A solução numérica torna-se uma
valiosa ferramenta para a simulação deste processo.
A confiabilidade da solução numérica na representação dos mecanismos
de ruptura envolvidos na produção de areia dependerá principalmente do modelo
constitutivo adotado. Mclean (1991) discute sobre modelos que consideram o
caráter tridimensional do critério de ruptura e a natureza não linear do material,
que são fatores importantes na caracterização do comportamento volumétrico e de
endurecimento do material geológico.
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Figura 2.03 – Tensão vertical efetiva próxima ao poço versus pressão de colapso em um
TWC (Veeken e outros, 1991).
Morita (1987) cita como obstáculos à utilização de códigos de elementos
finitos comerciais a pouca flexibilidade para representar o fluxo de óleo através de
um meio poroso, onde suas propriedades são complexas e por muitas vezes o
fluxo não é regido pela lei de Darcy.
Segundo Dusseault e Santarelli (1989), um modelo teórico deverá prever a
produção de areia tanto a nível microscópico partículas, fenômenos de arcos de
areia, desintegração de grãos, efeitos da força viscosa do fluido e variações da
resistência proporcionada pela coesão, assim como a nível macroscópico a análise
da plastificação e do caráter viscoso do fluido como funções do campo de tensões
e gradientes de pressão. O modelo a ser utilizado deverá considerar a envoltória
de plastificação e critério de ruptura do material, devendo ser validado com
ensaios de laboratório ou dados de campo.
A implementação destes modelos na produção de areia é caracterizada por
um alto grau de incerteza devido ao envolvimento de vários parâmetros
relacionados a ela. Assim como, a redução de parâmetros a serem utilizados
conduz a uma simplificação do problema e a desconfiança dos resultados.
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7. 31
2.2
Mecanismos de produção de areia
A produção de areia durante a exploração de hidrocarbonetos pode ser
relacionada a dois mecanismos fundamentais de desestabilização. O primeiro
relacionado ao comportamento mecânico, que leva a ruptura e a plastificação
localizada da rocha. O segundo está associado ao fluxo, que pode conduzir a
instabilidades hidrodinâmicas como o arraste de partículas.
O comportamento mecânico é influenciado pela ruptura por compressão e
por tração. A rocha fragmentada pela compressão, devido à concentração de
tensão na vizinhança do poço, disponibiliza partículas que podem ser “arracandas”
pela força de percolação do fluido, caracterizando a produção de areia por ruptura
de tração. Este tipo de produção de areia é comum em arenitos pouco
consolidados, produzindo baixa quantidade de areia e em geral de forma
esporádica (Morita e Boyd, 1991).
O mecanismo hidrodinâmico inicia-se com o cisalhamento do cimento que
une os grãos da rocha. Os grãos desagregados pela desintegração do cimento
mineral ficam susceptíveis ao carreamento pelas forças de percolação do fluido. A
remoção de partículas aumenta a cavidade do poço, redistribuindo as tensões, o
que favorece o primeiro processo de desestabilização. Observa-se nesta situação a
interação dos dois mecanismos.
A produção de sólidos normalmente não é decorrente apenas de um
evento, mas de uma seqüência. Portanto a história da formação deve ser conhecida
desde a perfuração até o momento em que o poço é utilizado. Dusseault e
Santarelli (1989) propuseram um modelo conceitual para a produção de sólidos.
Baseado neste modelo ilustra-se alguns mecanismos envolvidos neste fenômeno.
Anteriormente citou-se a perfuração de um poço como uma atividade a ser
conhecida, sua influência na produção de sólidos está relacionada à estabilização
das paredes do poço pelo fluido de perfuração. A utilização de um fluido não
penetrante, colocado a uma pressão maior do que a poropressão na formação,
confere à rocha na parede do poço um aumento de resistência, o que normalmente
impede a plastificação. Entretanto, se houver plastificação na parede, a perfuração
eventualmente origina um material granular, facilmente removido pelo fluido de
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perfuração. Em arenitos de média a alta resistência, o cimento mineral pode ser
destruído gerando um material de resistência reduzida e usualmente granular.
Na completação, muitos cimentos utilizados para unir revestimento e
formação retraem, possibilitando a tensão radial na parede do poço ser menor do
que na etapa de perfuração. O descarregamento gerado propicia a formação de um
material granular, iniciada à produção de hidrocarbonetos, este material é
carreado. A cavidade produzida pelo canhoneamento apresenta regiões de coesão
reduzida e grãos triturados, o que leva mais sólidos a serem carreados. A figura
2.04 ilustra esta situação.
Figura 2.04 - Dano de arenito brando durante o canhoneio (Dusseault e Santarelli, 1989)
Uma analogia entre a região perfurada pelo canhoneio e um modelo
elastoplástico permite visualizar o comportamento da rocha. Envolvendo a
cavidade, existe um material granular comportando-se de forma totalmente
plástica. Próximo à cavidade, o arenito se comporta de forma elastoplástica, sob
regimes de “endurecimento” ou “amolecimento”. Afastando-se da cavidade, a
rocha se comporta de forma elástica, praticamente sem danos.
A geometria da perfuração é outro item a ser considerado. Há vinte anos
quando o sistema de perfuração era menos eficiente, cavidades de pequena
dimensão e uma baixa densidade de perfurações no intervalo produtor levavam a
problemas relacionados à ruptura por tração (Morita, 1987).
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Durante a vida produtiva de um poço, a migração de finos e o
tamponamento de poros podem conduzir a redução da permeabilidade da rocha,
aumentando desta forma a concentração de fluxo e conseqüentemente as forças
viscosas do fluido, levando rochas com baixa resistência a uma ruptura por tração.
Morita correlacionou a ruptura das cavidades de perfuração a um ensaio triaxial, a
figura 2.05 ilustra a situação.
Figura 2.05 - Comparação de ensaios triaxiais com a ruptura de cavidades (Morita,1994)
Sob um estado de tensão desviador pequeno, a cavidade apresentará
ruptura apenas se houver um grande fluxo, pois provavelmente ela não se
plastificou (ponto A). À medida que a tensão desviadora aumenta, a rocha
plastifica. Neste caso, duas situações podem vir a se desenvolver. A primeira
caracteriza o acréscimo de carga até o ponto de ruptura (C) seguido de um
descarregamento de um descarregamento (ponto B), desenvolvendo carregamento
fissuras na rocha de uma forma controlada, em geral paralela à direção da tensão
desviadora. Essas fissuras possibilitam o material, antes “integro”, ser carreado
por um pequeno fluxo.
A outra situação é o carregamento além do pico de ruptura (ponto D), onde
as fissuras já não se desenvolveriam de forma controlada. O desenvolvimento
descontrolado de fissuras possibilita o surgimento de fraturas, desagregando e
reduzindo a resistência do material. O cenário referente ao descarregamento pode
ser interpretado como os disparos do canhoneio em que a rocha é solicitada
rapidamente, atingido o estado de ruptura.
Uma envoltória de ruptura para a cavidade é proposta por Morita (1989)
considerando os dois tipos de ruptura, como ilustrado na figura 2.06. Os
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parâmetros de entrada nesta envoltória são o drawdown e o gradiente de pressão
normalizado, com este diagrama é possível estabelecer uma região segura de
operação do poço. Nota-se na figura que para um estado de tensão desviador
pequeno (proporcionado por baixos valores de drawdon), a cavidade deixará de
ser estável, caso aplique-se um alto gradiente de pressão. Aumentando-se o
drawdon, a ruptura por cisalhamento é favorecida e pequenos valores de gradiente
de poropressão são necessários para que ocorra a instabilidade da cavidade.
drawdown
Gradiente de poro-pressão
Ruptura por tração
Ruptura por cisalhamento
Operação segura
Figura 2.06 – Diagrama simplificado da envoltória de ruptura de cavidade proposto por
Morita (1987)
A depletação do reservatório é outro fator que influencia a produção de
areia, pelo simples fato de que a extração de hidrocarbonetos acarretará na
diminuição da poropressão na formação. Esta mudança na poropressão leva a um
aumento na tensão efetiva, proporcionando condições favoráveis a ruptura por
cisalhamento. Um procedimento para se evitar esta situação e também com o
objetivo de aumentar a produção é a injeção de água no reservatório.
Na literatura, relata-se o início ou aumento na produção de areia logo após
o water–cut, que é um fenômeno decorrente do processo de injeção. Algumas
causas ligadas ao water–cut que influenciam a produção de sólidos são
enumeradas abaixo:
- perda da pressão capilar que auxilia a união dos grãos ocasionada pela
injeção de água no sistema.
- baixa poropressão existente na formação no início do water-cut na época
da injeção, o que teria tornado favorável o desenvolvimento de tensões de
cisalhamento no reservatório.
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- a tentativa de se manter os níveis de produção antes da injeção induz a
um aumento na taxa de fluxo, o que leva a uma redução na pressão do poço e a
um aumento no gradiente de pressão na superfície da cavidade.
- migração de finos devido ao alto fluxo imposto leva a uma maior taxa de
tamponamento.
- a possibilidade de fusão entre as cavidades aumenta devido ao seu
crescimento.
- ação química da água de injeção em determinados cimentos.
Compreende-se que as diferentes etapas da vida de um poço como a
perfuração, completação e produção influem de diversas formas na produção de
sólidos, que é vista então, não como um processo estacionário, mas evolutivo ao
longo de uma seqüência de eventos.
Atividades como a perfuração, concentram tensões ao redor do poço,
conduzindo por muitas vezes a rocha a ruptura por compressão.Assim como, o
aumento na taxa de produção ou a depletação do reservatório conduzem a mesma
situação. Em decorrência do aumento de fluxo de fluído, o gradiente de
poropressão próximo à parede do poço, favorecendo a ruptura por tração. Esta
pesquisa visa, então, analisar os mecanismos de ruptura por compressão e tração
da rocha reservatório descritos acima e associá-los a produção de areia.
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