Evaporitos da Bacia de Santos

Mecânica das Rochas para Recursos Naturais e Infraestrutura
SBMR 2014 – Conferência Especializada ISRM 09-13 Setembro 2014
© CBMR/ABMS e ISRM, 2014
Evaporitos da Bacia de Santos: Aspectos Geológicos e de
Estabilidade de Poços
João Silveira Gomes Junior
UNIMONTE, Santos, Brasil, [email protected]
Anderson do Nascimento Pereira
UNIMONTE e PETROBRAS, Santos, Brasil, [email protected]
Samara Cazzoli y Goya
UNIMONTE e IO-USP, Santos, Brasil, [email protected]
RESUMO: A presença de estruturas evaporíticas em bacias sedimentares proporcionam condições
favoráveis para o acúmulo de hidrocarbonetos e aumentam a probabilidade de sucesso exploratório.
Na bacia de Santos existem grandes reservas de óleo leve abaixo de uma espessa camada de rochas
evaporíticas. Estas rochas são constituídas por minerais salinos, e por este motivo possuem
propriedades químicas e físicas diferentes das demais rochas da crosta terrestre. Os evaporitos são
rígidos, mas se deformam caso sejam submetidos a um diferencial de tensão ao longo do tempo. A
deformação destas rochas pode ocasionar problemas operacionais durante a perfuração como o
colapso do poço, prisão da coluna de perfuração e colapso do revestimento. O objetivo deste
trabalho é relacionar o comportamento mecânico dos evaporitos com problemas de estabilidade de
poços em camadas salinas. Realizou-se um levantamento bibliográfico e posteriormente, um estudo
de caso envolvendo o planejamento da perfuração de um poço vertical hipotético atravessando uma
seção salina em determinada porção da bacia de Santos. A sequência salina é composta por camadas
de anidrita, taquidrita, carnalita e halita, onde a taxa de fluência destes sais são distintas. Para
controlar a fluência e a dissolução destas rochas, optou-se por utilizar um fluido de perfuração de
base sintética, variando a densidade conforme a camada atravessada. Contudo, conclui-se que para
manter a estabilidade de um poço em zona evaporítica, é necessário o conhecimento prévio das
camadas salinas a serem perfuradas a fim de estabelecer as melhores práticas, como a escolha do
fluido de perfuração a ser utilizado. O fluido de perfuração é a principal ferramenta utilizada para
evitar o colapso do poço por fluência. A integridade estrutural do poço deve ser preservada, pois o
custo da perfuração de um poço é muito alto, devendo-se evitar prejuízos. O projeto deve ser
realizado por uma equipe multidisciplinar que deverá discutir a melhor maneira de estabelecer a
trajetória do poço.
PALAVRAS-CHAVE: Evaporitos, Estabilidade de Poços, Bacia de Santos.
1
INTRODUÇÃO
Os evaporitos são rochas sedimentares de
origem química e são compostas por camadas
de minerais salinos. A precipitação dos minerais
salinos ocorre devido à evaporação da água de
uma salmoura em ambiente restrito com clima
quente e seco. Para que ocorra a precipitação
destes minerais é necessário que o aporte de
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água doce seja nulo ou menor que a taxa de
evaporação. A ordem de precipitação depende
da solubilidade e da quantidade de cada
composto disponível na água do mar.
Geralmente, o mineral halita (NaCl) é
encontrado em maior quantidade nas camadas
evaporíticas, pois os íons de Na+ e Cl- são
predominantes na composição da água do mar.
As rochas evaporíticas são encontradas no
estado sólido, mas se forem submetidas à
pressão ao longo do tempo, estas rochas se
deformam, assim como os fluidos. Este
fenômeno é conhecido como Fluência do Sal ou
Creep. Segundo Medeiros (1999), os evaporitos
tem capacidade de deformar pacotes
sedimentares adjacentes, propiciando uma
estrutura favorável à acumulação de
hidrocarbonetos.
Além
disso,
possuem
permeabilidade praticamente nula, tornando-as
excelentes rochas selantes.
Mackay et al. (2007) destacaram a
perspectiva de crescimento da produção
nacional de hidrocarbonetos após a descoberta
de novos campos petrolíferos, e citam como
exemplo a descoberta de petróleo leve em
reservatório de alta produtividade situado
abaixo de uma espessa camada de sal na Bacia
de Santos.
Em contrapartida, existe uma grande
dificuldade em perfurar extensas camadas de sal
devido ao seu comportamento mecânico e sua
capacidade de fluência. Botelho (2008)
descreve que a complexidade destes corpos
salinos requerem altos custos e tecnologia
inovadora para alcançar os campos de produção,
sendo necessária a utilização de procedimentos
especiais para perfuração através de evaporitos.
Uma alternativa para minimizar a taxa de
fluência do sal é gerenciar o peso do fluido de
perfuração, garantindo uma maior estabilidade
até que o poço seja devidamente revestido.
Deste modo, o objetivo deste trabalho é
relacionar o comportamento geomecânico dos
evaporitos com problemas de estabilidade de
poços em zonas de sal, através de revisão
bibliográfica e um estudo de caso.
2
EVAPORITOS DA BACIA DE SANTOS
A Bacia de Santos é uma bacia sedimentar de
margem passiva, localizada na região sudeste da
margem continental brasileira, com 352.000
km² de área. A Figura 1 ilustra o limite da Bacia
de Santos com a Bacia de Pelotas, no Alto
Florianópolis e com a Bacia de Campos, no Alto
do Cabo Frio. Sua evolução é resultado da
propagação da ruptura do supercontinente
Gondwana, que ocorreu em fases. Segundo
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Chang et al. (2008) a deposição dos evaporitos
ocorreu após o rompimento litosférico, quando
a circulação da água do mar foi restringida pela
presença de altos vulcânicos. O clima na época
era quente e seco, propiciando a evaporação.
Figura 1. Localização da Bacia de Santos (Chang et al.,
2008).
Moreira et al. (2007) relata que o tempo
estimado de deposição dos evaporitos é de 0,7 a
1 milhão de anos, permanecendo, ainda,
imprecisa a taxa de acumulação devido à alta
mobilidade da halita. Os evaporitos da Bacia de
Santos foram depositados durante o período
Cretáceo e estão presentes na Formação Ariri,
onde o seu limite inferior se dá pelos carbonatos
da Formação Barra Velha, e o limite superior
pela transição dos evaporitos para os
sedimentos siliciclásticos e carbonáticos das
Formações Florianópilos e Guarujá.
3
ESTABILIDADE DE
ZONAS EVAPORÍTICAS
POÇOS
EM
3.1. Estudo Geomecânico
Segundo
Rocha
e
Azevedo
(2009),
geomecânica é o ramo da ciência que estuda o
comportamento mecânico de todos os materiais
geológicos, solos e rochas e suas reações aos
campos de força que se manifestam sobre o
respectivo ambiente físico.
O estudo da mecânica das rochas se
assemelha ao estudo da mecânica dos materiais.
Gere e Goodno (2010) definem que os
conceitos fundamentais na mecânica dos
materiais são a tensão e a deformação. Estes
autores descrevem que a tensão é dada em
unidades de força por unidade de área e é
referida pela letra grega σ (sigma).
As rochas evaporíticas presentes na bacia de
Santos, assim como as demais rochas da bacia,
estão sujeitas às tensões resultantes do peso das
camadas que as sobrepõe, das forças de coesão
das rochas e dos esforços tectônicos. A hipótese
utilizada na Engenharia de Petróleo é que a
tensão vertical (σv) é considerada uma tensão
principal, logo, no plano horizontal há duas
tensões que são chamadas de tensão horizontal
maior (σH) e tensão horizontal menor (σh). A
Figura 2 representa a ação das tensões nas
formações.
Onde σv representa a tensão de sobrecarga, ρ
é a massa específica, z é a profundidade
desejada, g é a constante gravitacional e dz é a
variação da profundidade. Utiliza-se uma
relação da teoria da elasticidade baseada na Lei
de Hooke, onde a razão entre a tensão (σ) e a
deformação (ε) é dada pelo módulo de
elasticidade ou módulo de Young (E),
demonstrada na Equação (2):
E=


(2)
A relação entre duas deformações é dada
pelo coeficiente de Poisson (ʋ), representada na
Equação (3), que mede a deformação
transversal de um material homogêneo e
isotrópico.
 =-
 radial

  horizontal
 axial
 vertical
(3)
Generalizando-se a Lei de Hooke para um
espaço tridimensional isotrópico e homogêneo,
as deformações normais nas três direções, como
descritas nas Equações (4), (5) e (6).
Figura 2. Tensões atuantes na formação.
As tensões atuantes na rocha são
responsáveis por sua deformação. Segundo
Rocha e Azevedo (2009), a deformação de um
corpo resulta em sua movimentação, a partir de
uma configuração original, para uma nova
configuração deformada, ocasionando uma
mudança na posição relativa dos pontos do
corpo. Para o cálculo da tensão vertical, integrase o perfil de densidade, demonstrado na
Equação (1).
z
 v =   (z)gdz
0
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(1)
x 
1
 x   ( y   z )
E
(4)
y 
1
 y   ( x   z )
E
(5)
z 
1
 z   ( x   y )
E
(6)
Supondo-se que εx = εy = 0 e que σx = σy,
pode-se escrever a Equação (7):
y 

1
z
(7)
A tensão vertical efetiva pode ser relacionada
com a tensão horizontal máxima efetiva pela
relação de Poisson. Admitindo-se que a direção
z seja a vertical e que x e y as horizontais, podese reescrever a Equação (7), obtendo-se a
Equação (8).
h H 

1
v
(8)
Onde h a tensão horizontal menor, H a
tensão horizontal maior,  é o coeficiente de
Poisson, e v é a tensão de sobrecarga. Nesta
aproximação as tensões horizontais são supostas
como tendo a mesma magnitude.
Calculando-se as tensões horizontais e a
vertical é possível estimar os esforços atuantes
na formação a ser perfurada. O conhecimento e
monitoramento destas tensões são de extrema
importância para a obtenção de sucesso na
construção de poços em zonas evaporíticas,
pois, conhecendo as tensões in-situ e as tensões
atuantes na parede do poço, é possível evitar
problemas operacionais, como por exemplo,
colapso do revestimento.
3.2. Fluência dos Evaporitos
Segundo Botelho (2008), na ciência dos
materiais, a fluência, ou “creep”, é o termo
usado para descrever a tendência de um material
se deformar ao longo do tempo para aliviar a
tensão. A fluência dos evaporitos depende de
alguns fatores como a espessura da camada de
sal, a temperatura da formação, a composição
mineralógica, o teor de água, a presença de
impurezas e a extensão onde o diferencial de
tensão é aplicado.
Costa (1984) e Botelho (2008) reforçam que
a velocidade de deformação por fluência (dε/dt)
é fortemente dependente do nível de tensão
aplicada, como representada na Figura 3. Os
autores ainda estabeleceram que quanto maior a
temperatura, maior será a velocidade de
deformação por fluência ou taxa de deformação,
como indica o gráfico da Figura 4.
Com o objetivo de compreender o
comportamento
de
seções
evaporíticas
perfuradas durante a construção de um poço de
petróleo, realizam-se ensaios de corpo de prova,
a fim de aperfeiçoar a perfuração de zonas
salinas.
Segundo estudos de Poiate et al. (2006) e
Botelho (2008) uma alternativa para combater a
fluência de camadas evaporíticas é aumentar o
peso do fluido de perfuração para que as
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tensões, assim como as deformações,
diminuam.
Esta compensação realizada pelo fluido de
perfuração é de extrema importância, pois
permite que o poço seja revestido ou
completado a tempo, sem que haja o colapso do
poço devido à fluência das camadas
evaporíticas.
Figura 3. Curvas de fluência para variação com tensão e
temperatura constante (Botelho, 2008).
Figura 4. Curvas de fluência para variações de
temperatura a uma tensão constante (Botelho, 2008).
3.3. Fluido de Perfuração
Uma das principais funções do fluido de
perfuração é equilibrar a pressão hidrostática do
poço através de sua densidade. Quando a
perfuração acontece em zonas evaporíticas, a
escolha do fluido de perfuração a ser utilizado é
muito importante, pois, neste caso o fluido é
responsável por diminuir a taxa de fluência de
camadas salinas, evitando o colapso do poço.
Holt e Johnson (1986) afirmam que em muitos
casos, especialmente em formações salinas, a
taxa de fluência da formação é inversamente
proporcional à densidade do fluido de
perfuração. Um estudo realizado por Mackay et
al. (2008) indicou que a causa de um rápido
colapso de poço em zona salina, deve-se ao
baixo peso do fluido de perfuração.
Dusseault et al. (2004) explicam que na
perfuração de seções salinas, algumas
propriedades específicas do sal, como a fluência
e a alta solubilidade, devem ser reconhecidas e
incorporadas no projeto de perfuração. Os
autores ainda ressaltam que estratégias adotadas
para o sucesso da perfuração em camadas
salinas envolve o reconhecimento do
comportamento de fluência do sal, tensões,
ajuste da densidade do fluido de perfuração e
temperatura.
Bleler (1990) afirma que a utilização de
fluidos de perfuração à base de água (WBM –
Water Based Mud) em zonas evaporíticas pode
causar danos como a dissolução da rocha, a
menos que o fluido seja saturado antes da
perfuração da camada salina. Portanto, é
importante entender que a solubilidade dos sais
está ligada a temperatura, portanto, os fluidos
saturados em superfície podem não ser
eficientes ao entrar em contato com formações a
elevadas temperaturas. Dusseault et al. (2004)
destacam que os fluidos à base de óleo ou
sintéticos são indicados para perfuração de
camadas salinas espessas, pois o risco de
dissolução da rocha é menor e o fluido possui
alta eficiência contra a fluência.
Zhang et al. (2008) relatam que é de extrema
importância realizar a modelagem da
estabilidade do poço em função do peso do
fluido de perfuração. Esta modelagem permite
que seja criada uma janela operacional para
pressão anular. Uma janela operacional segura é
caracterizada pela densidade do fluido, que é
suficientemente elevada para assegurar a
estabilidade do poço e baixa o suficiente para
assegurar que perdas de fluido não ocorram.
A escolha inadequada do fluido de
perfuração pode acarretar problemas como a
formação de batentes, que acontece em seções
com intercalações de anidrita e halita ou seções
com intercalações de outros tipos de rochas
solúveis e rochas insolúveis, washout, que é o
alargamento do poço devido à interação da
coluna com o poço ou pelo excesso de vazão, e
break-outs, que são falhas por cisalhamento.
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4.
ESTUDO DE CASO
O estudo de caso está relacionado à perfuração
de um poço vertical hipotético com o objetivo
localizado a 6.400 metros de profundidade,
sendo 1.500 metros de lâmina d’água. A zona
mais crítica do projeto está localizada na
profundidade de 5.000 metros a 6.000 metros
que compreende uma sequência evaporítica com
as rochas anidrita, taquidrita, carnalita e halita.
O poço está localizado em determinada porção
da bacia de Santos. Discute-se principalmente a
profundidade de assentamento das sapatas de
revestimento e o dimensionamento do fluido de
perfuração
necessário
para
manter
a
estabilidade.
4.1. Previsões Geológicas
Na geologia, a descrição de uma coluna
geológica é realizada no sentido da base para o
topo, mas neste trabalho será realizada no
sentido topo para base, já que é nesta ordem que
será realizada a perfuração.
Tabela 1. Previsões Geológicas
Profundidade
Litologia
(m)
0 – 1.500
Lâmina d’água.
1.500 – 1.900
Argilito pouco compactado, maciço.
1.900 – 2.500
Folhelho pouco compactado, maciço.
2.500 – 3.000
Arenito fino, maciço, moderadamente
poroso.
3.000 – 3.200
Folhelho pouco compactado
3.200 – 3.400
Arenito fino, maciço, moderadamente
poroso.
3.400 – 3.600
Siltito, maciço, levemente compactado.
3.600 – 3.800
Arenito fino, maciço, moderadamente
poroso.
3.800 – 4.000
Folhelho terrígeno, maciço.
4.200 – 4.300
Folhelho carbonáticos, maciço.
4.300 – 4.400
Calcário
moderadamente
poroso,
maciço.
4.400 – 5.000
Intercalações de calcarenito, calcário e
folhelho carbonático.
5.000 – 6.000
Sequência de deposição de evaporitos
estratificados.
6.000 – 6.200
Calcário, baixa porosidade, maciço.
6.200 – 6.400
Calcarenito bastante poroso.
6.400 – 6.500
Folhelho carbonáticos, maciço.
A seção evaporítica inicia-se com uma
camada de 100 metros de anidrita no topo. Logo
abaixo se encontra uma camada de 50 metros de
taquidrita e 50 metros de carnalita. Em seguida
encontra-se uma camada de 700 metros de
halita, e 100 metros de anidrita na base.
4.2.
Gradientes de Pressão
Rocha e Azevedo (2009) definem que gradiente
de pressão é a razão entre a pressão e sua
profundidade
de
atuação,
geralmente
referenciada à mesa rotativa na sonda de
perfuração, podendo ser expresso em psi/ft ou
psi/m, entretanto, é muito comum que os
gradientes de pressão sejam expressos em
unidades de massa específica, como lb/gal ou
g/cm³. No caso em que o gradiente de pressão é
expresso em unidades de massa específica, o
gradiente de pressão é chamado de peso de
fluido equivalente, densidade equivalente ou
peso de fluido.
Este trabalho apresenta a profundidade em
metros e o gradiente de pressão em lb/gal,
conforme apresentado na Figura 5. O cálculo do
gradiente de pressão está representado na
Equação (9).
Figura 5. Gradiente de Pressão.
Segundo Borges (2008), a pressão de colapso
é a pressão que leva a falha da rocha por
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cisalhamento e a pressão de poros muitas vezes
é referida como pressão da formação, e pode ser
definida como a pressão do fluido contido nos
espaços porosos da rocha. A pressão de fratura é
a pressão que leva à falha da rocha por tração.
G=
P
C.D
(9)
Onde G é o gradiente de pressão, P é a
pressão, D é a profundidade vertical e C é uma
constante de conversão de unidades. A
constante C tem valor de 0,1704 quando a
pressão estiver expressa em psi, a profundidade
em metros, e o gradiente de pressão em lb/gal.
Se a profundidade estiver expressa em pés, a
constante C receberá o valor de 0,0519.
4.3.
Planejamento da Perfuração do Poço
Segundo Mohriak et al. (2009) o melhor
planejamento é através da discussão dos
cenários
geológicos
com
a
equipe
multidisciplinar
de
projeto, e prever
contingências para agilizar a solução de
problemas. O importante é não generalizar
nada, pois o comportamento do sal é único para
cada poço perfurado.
O projeto de revestimento em zonas
evaporíticas deve ser criterioso, pois, nas
regiões onde se localizam os sais com maior
mobilidade, a fluência pode comprometer a
integridade do revestimento. Segundo Wilson et
al. (2002) as consequências do colapso de um
poço pode resultar em bilhões de dólares em
custos de reparação e perda de produção.
Seguindo os critérios necessários para manter a
estabilidade do poço, garantir a eficiência da
perfuração e reduzir o tempo não produtivo, o
revestimento do poço do presente trabalho
ocorre em seis fases.
Durante a construção do poço foram
utilizadas brocas com diferentes diâmetros,
sendo eles: 36”, 26”, 17 ”, 14 ”, 8 ” com
alargador de 12 ” durante a seção evaporítica,
e 8 ” novamente na porção final.
Os revestimentos possuem os seguintes
diâmetros: 30”, 20”, 16”, 11 ”, 9 ” e liner
7”. A Figura 6 ilustra o as fases de revestimento
do poço.
e na base da seção evaporítica, a fim de
promover o isolamento da área com maior
confiabilidade. O topo e a base da seção são
compostos por anidrita, que é a rocha mais
rígida e com menor taxa de fluência dentre as
rochas evaporítica presentes na seção.
A escolha do fluido de perfuração utilizado
foi feita com base nas análises da estratigrafia e
propriedades dos sais encontrados na coluna
geológica. Optou-se por utilizar um fluido de
perfuração de base sintética, a fim de prevenir
problemas como a dissolução dos sais. A
densidade do fluido foi definida com base na
taxa de fluência, conforme apresentada na
Tabela 2.
Tabela 2. Taxa de fluência (pol/h) por tipo de sal e pela
densidade do fluido (modificado de Mohriak et al. 2009).
Densidade do fluido (lb/gal)
Tipo de
10,5
12
13
14
Sal
Taquidrita
0,2345
0,0879
0,0433
0,0196
Carnalita
0,0417
0,0149
0,0067
0,0026
Halita
0,0052
0,0018
0,0008
0,0004
Figura 6. Previsão geológica e fases de revestimento
As profundidades de assentamento das
sapatas de revestimento foram definidas através
da análise da janela operacional formada a partir
dos dados de pressão de sobrecarga, pressão de
fratura e pressão de poros.
Segundo Rocha e Azevedo (2009) não existe
um critério definido para a determinação da
profundidade de assentamento do revestimento
condutor, mas geralmente em poços marítimos
ocorre entre 10 e 50 metros a partir do fundo do
mar. Ainda segundo estes autores, o
assentamento do revestimento condutor ocorre
entre 400 e 500 metros de profundidade,
dependendo da experiência que se tem na área.
O assentamento de revestimentos de áreas
profundas é realizado com base na experiência
do profissional na área, gradientes de pressão de
poros, colapso e fratura, a possibilidade de
ocorrência de kick ou não, zonas de perda de
circulação, longas extensões de poço aberto,
entre outros.
Neste projeto, optou-se assentar as sapatas de
revestimento das zonas mais profundas no topo
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Nas formações acima da sequência
evaporítica, a densidade de fluido adotada
variou entre 8,5 lb/gal e 9 lb/gal. Já a densidade
adotada para casa camada salina atravessada
variou de acordo com os valores da Tabela 2.
5. CONCLUSÃO
A presença de estruturas evaporíticas em bacias
sedimentares propicia um ambiente favorável à
acumulação de hidrocarbonetos, pois, o
evaporito é praticamente impermeável, o que o
torna uma rocha selante por excelência.
Possuem propriedades químicas e físicas
distintas das demais rochas da crosta terrestre,
pois, o evaporito é um sólido com
comportamento fluido, admitindo a capacidade
de fluir (creep) ao longo do tempo geológico.
Esta fluência ocasiona divessos problemas
operacionais como prisão da coluna de
perfuração, colapso de revestimento, formação
de batentes, entre outros.
Contudo, conclui-se que para manter a
estabilidade de um poço em zona evaporítica, é
necessário o conhecimento prévio das camadas
salinas a serem perfuradas a fim de estabelecer
as melhores práticas, como a escolha do fluido
de perfuração a ser utilizado. O fluido de
perfuração é a principal ferramenta utilizada
para evitar o colapso do poço por fluência.
A definição da profundidade para o
assentamento
das
sapatas
dependem
principalmente da experiência do profissional
na área, dos gradientes de sobrecarga, pressão
de fratura e pressão de poros, e outros fatores
que variam de acordo com a área a ser
perfurada, como por exemplo, a ocorrência de
gases superficiais.
A integridade estrutural do poço deve ser
preservada, pois o custo da perfuração de um
poço é muito alto, devendo-se evitar prejuízos.
O projeto deve ser realizado por uma equipe
multidisciplinar que deverá discutir a melhor
maneira de estabelecer a trajetória do poço.
REFERÊNCIAS
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