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Destas técnicas, provavelmente a mais utilizada é o gravel packing, que
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A produção de areia durante a exploração de hidrocarbonetos pode ser
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  1. 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. PUC-Rio-CertificaçãoDigitalNº0124946/CA
  2. 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 PUC-Rio-CertificaçãoDigitalNº0124946/CA
  3. 3. 27 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; PUC-Rio-CertificaçãoDigitalNº0124946/CA
  4. 4. 28 - 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 PUC-Rio-CertificaçãoDigitalNº0124946/CA
  5. 5. 29 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. PUC-Rio-CertificaçãoDigitalNº0124946/CA
  6. 6. 30 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. PUC-Rio-CertificaçãoDigitalNº0124946/CA
  7. 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 PUC-Rio-CertificaçãoDigitalNº0124946/CA
  8. 8. 32 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). PUC-Rio-CertificaçãoDigitalNº0124946/CA
  9. 9. 33 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 PUC-Rio-CertificaçãoDigitalNº0124946/CA
  10. 10. 34 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. PUC-Rio-CertificaçãoDigitalNº0124946/CA
  11. 11. 35 - 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. PUC-Rio-CertificaçãoDigitalNº0124946/CA

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