pirderea de circulatie

Seciunea 5

Pierderea de circulaie,

Fracturarea Hidraulic i Kicks.

INTRODUCERE

5.2 PIERDEREA de CIRCULAIE

5.3 CAUZE

Pierderea de circulaie apare atunci cnd fluidul de foraj este reinut de ctre formaiunea litologic traversat. Rata de pierdere depinde de tipul formaiunii precum i de densitatea fluidului iar cunoterea acestora poate crea o imagine clar asupra severitii situaiei. Exist ase cauze majore rspunztoare pentru pierderea de circulaie:

sapa a penetrat o formaiune poroas, cavernoas.

sapa a interceptat fracturi deschise ((litoclaze) sau falii active ((deschise), rezultnd ((intalnind) o presiune potentiala mai redusa

presiunea de circulatie a fluidului a depasit presiunea de fisurare a formatiunii geologice

o curatire slaba a gaurii de sonda rezultand astfel o infundare ((obturare) a spatiului inelar. In acest caz presiunea fluidului de foraj va creste pan cnd se produce o fracturare ((fisurare) dedesuptul zonei de obturare.

a fost penetrat o zon cu presiunea porilor subnormal astfel c formaiunea a fost att fisurat (vezi paragraful 5.7) ct i un surpuls de greutate (sau o pierdere de echilibru) a acionat asupra fluidului de foraj datorit filtraiei puternice din formaiunea permeabil.

fisurarea formaiunii ca urmare a decuplrii rapide (tripping) sau datorita faptului ca coloana de tubaj (casing) s-a introdus la o rata excesiv.

Alte pierderi de fluid, mai puin drastice dect precedentele, dar care rmase nesupravegheate pot genera o serie de probleme sunt cele care nu presupun pierderi masive ci sunt rezultatul unei filtrri excesive. Acestea se datoreaz urmatoarelor:

pierderi mari de echilibru ((apariia unor surplusuri mari de greutate)

pierderi mari de fluid/compoziia chimic a fluidului de foraj

turta de filtrare este slab

formaiunea geologic este foarte permeabil

Ca rezultat, va aprea o pierdere continu a fluidului de foraj in timpul sprii sondei precum i o umplere (colmatare) a gurii de sond (excessive hole fill-up on trips). O reducere extensiv a permeabilitii rezervoarelor poteniale, denumit skin damage (distrugerea, ruperea pojghiei) poate apare ca urmare a colmatrii (plugging) si interaciunii filtratului cu argilele sensibile din spaiul poros. Necorectate, acestea pot genera parametri falsi de rezerva in timpul testarii, din acest motiv, trebuie facute eforturi pentru a le neutraliza.

5.4 EFECTE

In functie de rata si de mecanismul pierderii fluidului de foraj, efectul normal consta intr-o pierdere rapida de diferite grade ((amploare), caz in care, cantitatea de fluid de foraj care revine la suprafata poate fi mult diminuata sau chiar se pierde complet. Daca este penetrata o formatiune poroasa, in care exista si alta legatura ((comunicare) atunci volumul efectiv al macroporozitatii poate atat de mare incat nu poate fi egalat de volumul fluidului de foraj. Pierderile de fluid vor continua pana cand se vor lua masuri preventive.

O formatiune fisurata ((fracturata) cu o permeabilitate fisurala (fracture permeability) considerabila, poate cauza pierderi de fluid de foraj variabile, in functie de permeabilitatea si de presiunea potentiala a fluidului (fluid pressure potential) dintre formatiunea fisurata si gaura de sonda. Pe de alta parte si reversul poate fi adevarat: presiunile fluidului in/pe fisuri/diaclaze poate fi mai mare decat presiunea din gaura de sonda iar in acest caz gaura de sonda colapseaza. In general, daca se intalneste o formatiune puternic fracturata/fisurata, pierderile de fluid de foraj vor fi foarte mari si rapide si nu se vor opri pana cand nu se vor lua masuri preventive.

Daca densitatea fluidului de foraj este mare in raport cu presiunea porilor si presiunea stratelor acoperitoare (overburden pressure) atunci formatiunea se poate fisura. Pierderea de fluid de foraj este rapida, dar circulatia poate fi usor restabilita prin scaderea densitatii fluidului de foraj pana cand reducerea presiunii permite inchiderea fisurii. Aceasta era una dintre cele mai frecvent intalnite probleme in zorii ((inceputurile) forajului de exploarare, dar a fost depasita imediat ce a inceput aplicarea metodei reducerii fluidului de foraj. Fracturarile hidraulice intamplatoare sunt mult mai putin frecvente in forajul modern. Totusi, lucrari experimentale cu borehole televiewer (un dispozitiv sonor, TV ?) in lungul gaurii de sonda au indicat ca multe gauri de sonda experimenteaza fracturari hidraulice minore de diferite grade, cauzate probabil de catre variatiile ((neregularitatile, pulsatiile) presiunii din timpul functionarii .....(running pipe).

In cazul in care este intalnita o zona cu o presiune a porilor mai mica decat normal, atunci exista posibilitatea aparitiei fracturarii hidraulice datorita faptului ca o reducere a presiunii porilor (pore presssure) va produce o scadere a presiunilor de fisurare (paragraful 5.24).

Daca apare o colmatare/umplere continua a gaurii de sonda precum si sarcini sporite asupra instalatiei/sarcinii de carlig (hook loads) in timpul decuplarii (tripping) inseamna ca formatiunea a fost fisurata intr-un punct situat sub sapa sau ultimul siu de coloana (daca are loc tubarea). Cauza este combinatia dintre densitatea fluidului de foraj si variatiile presiunii. In mod normal, fisurile se vor obtura/inchide atunci cand marsul garniturii de foraj este terminat si variatiile de presiune sunt reduse la minim.

Pierderea de circulatie din timpul tubarii este deosebit de periculoasa deoarece poate aparea datorita unei cimentari proaste, permitandu-se in acest fel o circulatie in spatele tubajului. Multe eruptii au avut loc dupa cimentarea tubajului, pierderea de circulatie din timpul saparii si cimentarii tubajului, fiind de multe ori un factor contribuabil.

5.5 SOLUTII

Pierderile rapide si continue de fluid de foraj din timpul circulatiei ar putea fi cauzate de doua mecanisme si anume: (1) fracturarea si (2) pierderi datorate golurilor interconectate si fracturilor deschise pre-existente. Primul mecanism enuntat poate fi impiedicat prin reducerea/scaderea ratei de pompare (scazand astfel si ECD) sau prin schimbarea propretatilor fluidului de foraj in cazul in care presiunea fracturii a fost usor depasita; alternativ poate fi necesara si o reducere a densitatii fluidului de foraj. Cel de-al doilea mecanism presupune adaugarea continua de material de pierdere prin circulatie (LCM-lost circulating material) in incercarea de a obtura golurile respective. Daca aceste metode se dovedesc a nu fi suficiente, atunci este necesara o operatie de presare a cimentului (cement squeeze operation).

Pierderile de fluid de foraj care apar intr-o formatiune puternic fisurata ar putea fi diminuate prin injectarea de pelete si nisip in fractii descrescatoare, astfel incat fisurile s-ar putea colmata si astupa. Daca aceasta operatiune reuseste atunci o injectare ulterioara de material din ce in ce mai fin va imbunatatii abilitatea materialelor respective (pelete si nisip) de a reduce scurgerea/pierderea. O turta de filtrare se va putea forma in cele din urma, permitand astfel o saparea viitoare normala, fara alte pierderi de fluid de foraj. Daca nu se reuseste colmatarea si obturarea (packing and bridging) fisurilor, atunci intervalul respectiv trebuie cimentat si ulterior, resapat.

Penetrarea intr-o zona cu presiune subnormala poate crea alte probleme majore, altele decat fracturarea formatiunii. Aceste zone sunt permeabile, astfel ca blocarea/lipirea conductei/tevii (pipe sticking) devine un adevarat pericol. In acest caz este necesara reducerea pe cat posibila a densitatii fluidului de foraj, tinandu-se cont de gaura deschisa (open hole) de deasupra zonei cu presiune scazuta. Totusi, datorita scaderii cantitatii de fluid de foraj disponibil, stratele acoperitoare ar putea kick sau cojii (slough). Daca magnitudinea reducerii presiunii din formatiunea permabila este prea mare astfel incat continuarea saparii ar putea cauza o cretere a instabilitatii gaurii de sonda, atunci este necesara sigilarea cu ciment a zonei respective. In asemenea circumstante, aceasta operatie este foarte dificila pentru ca cimentul ar putea crapa (flash-set), nerealizandu-se in acest fel nici o imbunatatire a situatiei. In acest caz, trebuie sa se realizeze o captusire/sigilare impermeabila, inainte ca saparea sa poata fi reluata in siguranta. Daca toate aceste metode nu dau rezultat iar tubarea (casing) trebuie sa continue atunci vor fi necesare alte operatiuni de cimentare.

Pierderile de fluid de foraj catre o formatiune geologica, datorate golurilor si fisurilor deschise nu trebuie confundata cu cele datorate presiunii de fracturare. Daca formatiunea este fracturata atunci intre gaura de sonda si fluidele din fisuri si goluri va aparea un potential mare de presiune (high pressure potential) ceea ce va duce la pierderi de fluid de foraj foarte mari (indicand ca acolo este o zana cu permeabilitate mare) pana cand potentialul de presiune va fi normalizat. In general, daca porii si fisurile sunt interconectati, atunci volumul necesar pentru egalizarea de presiune este de departe mai mare decat cantitatea de fluid de foraj existenta. In acest caz, fluidul de foraj nu va mai reveni la suprafata pana cand zona de pierdere nu va fi astupata/sigilata sau densitatea fluidului va fi redusa pana cand va egala presiunea fluidelor din fisuri. Deasemenea, daca o formatiune cavernoasa sau fisurata are presiune normala dar permeabilitate ridicata, atunci datorita volumului enorm disponibil din aceasta formatiune fluidul de foraj cu o presiune usor mai ridicata va curge preferential in respectiva formatiune. In acest caz, nu intervine fisurarea, formatiunea fuctionand asemenea unui burete.

Totusi, fisurarea ar putea apare in formatiunea respectiva de-a lungul unor limite inguste, destul de bine definite in cazul in care toti parametrii sunt precisi. Aceste formatiuni, cunoscute ca zone de pierdere (thief zones) (ex: 10 lb/gal de fluid de foraj se pierde continuu, iar pierderea continua chiar daca densitatea fludului de foraj este redusa sub 8.6 lb/gal) datorita fisurilor mari precum si porozitatii vor avea presiuni de fracturare ce vor depinde de natura efectiva a presiuni porilor, tipul de roca si presiunile acoperitoare (overburden pressures). Pierderile de fluid de foraj apar atunci cand presiunea fluidului de foraj depaseste presiunea fluidelor din fisuri si pori. Presiunea efectiva a porilor din roca respectiva va fi foarte similara cu presiunea fluidelor din fisuri, exceptie face cazul in care fisurarea (ex: brecifierea faliei) s-a produs recent iar permeabilitatea intregii roci este in functie de echilibrul care trebuie sa apara intre presiunea porilor si cea de fisurare din pori. In aceste zone de pierdere, presiunea de fracturare pentru aceasta formatiune va fi meaningless daca zonele de curgere nusunt obturate.

Daca apare pierderea de circulatie, trebuie cu orice efort incercat ca gaura de sonda sa fie tinuta plina prin aditie continua de fluid de foraj sau apa. In cazul in care se permite ca presiunea hidrostatica dintr-o formatiune permeabila sa scada sub nivelul presiunii porilor, atunci se va ajunge la un kick sau o prabusire subterana (undergound blowout), care vor fi foarte greu de controlat.

Ca si concluzii, trebuie specificat ca zonele de circulatie au permeabilitati si porozitati foarte mari iar pierderile de fluid de foraj vor continua pana cand presiunea din gaura de sonda egaleaza presiunea fluidului din fisuri si goluri. Daca presiunea in gaura de sonda va scadea sub presiunea fluidului, atunci curgerea va avea loc in sens contrar. Pierderile vor inceta atunci cand zona de pierdere va fi etansata printr-un tampon/dop sau turta de filtrare iar densitatile fluidului de foraj ar putea fi ridicate pana la o valoare sub presiunea de fisura estimata, fara pierderi ulterioare.

5.5 FRACTURAREA HIDRAULICA

5.6 TEHNOLOGIE VECHE SI TEHNOLOGIE MODERNA

Tehnica fisurarii hidraulice aplicata in foraje a fost folosita incepand din anii 40. Pana pe la mijlocul anilor 50, costul si intarzierile cauzate de pierderile de circulatie din timpul forajului cu densitati mari ale fluidului de foraj erau considerate rezultatul actiunii fisurilor pre-existente precum si a fetelor de stratificatie. Explicatia data pentru aceasta era ridicarea depozitelor acoperitoare (lifting overburden), fara a se tine cont de faptul ca presiunile din gaura de sonda din timpul fracturarii erau considerabil mai reduse decat greutatea total a stivei acoperitoare. Studiile teoretice alaturi de masuratorile exacte de presiune facute in timpul cimentarii sub presiune au ridicat semne de intrebare asupra validitatii argumentului dupa care pierderile de circulatie apar datorita formarii fisurilor orizontale; presiunile din gaura de sonda fiind de cele mai multe ori mai reduse decat ale stivei acoperitoare astfel ca orientarea fisurilor se presupune a fi una verticala. In anul 1949, Clark (de la Stanolid Oil and Co.) a demostrat modul in care fluxul/curgerea de-a lungul fisurilor hidraulice ar fi putea fi ridicata intr-o mare masura prin pomparea de nisip si fluide. Nisipul previne inchiderea/obturarea fisurilor, formandu-se in acest fel o conducta de la rezervor catre gaura de sonda. La aceasta data, exista deja printre geologi un concept refractar in ceea ce privea afirmatia ca toate fisurile sunt de fapt. fete de stratificatie. In acest sens, in 1955, compania Shell l-a angajat pe M.K. Kubbert pentru a face o recunoastere critica asupra situatiei, rezultatul fiind lucrarea clasica Mecanismele fracturarii hidraulice, publicata in 1957.

Lasand la o parte teoria inginereasca acceptata, Hubert si Willis au aratat ca regimul stresului subteran se manifesta astfel, atunci cand apar falii normale (600 de la orizontala) stresul orizontal compresiv minim este de ordinul 1/3 pana la jumatate din valoarea maxima a stresului compresiv vertical.

Intr-un mediu subteran actioneaza un sistem de stresuri. La orice punct in acest mediu, stresurile care actioneaza in acel punct ar putea fi descompuse/impartite in trei componente mutuale perpendiculare: unul maxim, intermediar si unul minim, respectiv (1, (2 si (3. Geologii folosesc un sistem de notatie in care stresurile compresive sunt pozitive in timp ce inginerii considera ca stresurile de tractiune/extensionale sunt pozitive, unde, in acest ultim caz, (3 este stresul compresiv maxim. Stresul este presiunea sau forta pe unitatea de suprafata si actioneaza intotdeauna pe un plan selectiv. Daca se ia in considerare un mediu subteran normal, simplu (strate orizontale, topografie orizontala, roci elastice si constraint horizontal) atunci stresul compresiv maxim ((1) este vertical si egal cu presiunea din rocile acoperitoare, iar tinandu-se cont de faptul ca aceste roci sunt considerate isotropice, stresurile orizontale vor fi egale si vor actiona intr-un plan orizontal in toate directiile, fiind cauzate de o functie Ratei lui Poisson, a tipului de roca si (1. Daca asupra sistemului se aplica un alt stres orizontal (ex: tectonic stress) atunci stresele orizontale vor deveni inegale si directionale astfel ca (2 este paralel cu stresul tectonic iar (3 este normal cu (2 in plan orizontal. Pentru exemplificare vezi Fig. 5. In cazul in care asupra gaurii de sonda se aplica o presiune, atunci in jurul/pe peretilor gaurii se creeaza o serie de stresuri extensionale/tractionale (tensile stresses). Daca stresul extensional este mai mare decat stresul compresiv orizontal din rocile inconjuratoare iar .....tensile strength este deasemenea depasit, atunci de-a lungul zonei de rezistenta minima se va forma o fisura extensionala, normala cu (3 si paralel la (2 si (1. Daca (1 este vertical (in cazul unui bazin relaxat din punct de vedere tectonic), atunci fracturile extensionale vor fi verticale si orientate paralel cu (2 in cazul in care (2 este mai mare decat (3. Daca este aplicat un stres tectonic care este de o magnitudine mai mare decat presiunea stratelor acoperitoare (overburden pressure) atunci (1 este orizontal si paralel cu stresul tectonic, in timp ce (3 este vertical. In acest caz, pentru ca o fractura sa se poata forma, este necesar ca presiunea in gaura de sonda trebui sa fie ceva mai mare decat presiunea totala a rocilor acoperitoare, caz in care fisura va fi orizontala.

Figura 1-5.

Regimul stresurilor atat in zonele relaxate din punct de vedere tectonic cat si in cele tectonizate.

(1) zona relaxata din punct de vedere tectonic cu geologie simpla si topografie orizontala. (1 este vertical si egal cu greutatea (weight) rocilor acoperitoare, in timp ce (2 si (3 sunt orizontale si normale la (1 ((1>(2=(3).

(2) aplicarea unui stres tectonic orizontal duce la cresterea variabilei (2 ((1((2>(3).

(3) Regiune puternic tectonizata. Este caracterizata prin falii de forfecare si cute, (1 este orizontal, (2 este orizontal si normal la (1. (3 este vertical si egal cu greutatea rocilor acoperitoare. Orientarea stresurilor va fi afectata/dictata de topografie.

Problemele ridicate de incercarile de predictie a rezistentei extensionale/rezistenta la extensii (tensile strenghts) a rocilor in situ, au fost depasite prin observatiile lui Hubert si Willis care au aratat ca multe fisuri, fracturi si intercalatii inchise intersecteaza gaura de sonda. Astfel, valoarea rezistentei extensionale (tensile strenght) efective a rocilor pentru intervalul respectiv sunt apropiate mult de zero. Daca un interval este fisurat hidraulic, atunci presiunea in gaura de sonda trebuie sa echilibreze (to balance) stresul minim care prevenea inchiderea fisurilor si care ulterior trebuie sa furnizeze o mica cantitate de energie necesara extinderii fisurilor. In cazul in care exista o fisura intr-un cadru in care actioneaza un stres compresional iar o presiune este aplicata in interiorul respectivei fisuri astfel incat sa egaleze stresul compresional care actioneaza asupra marginilor fisurii, atunci o crestere usoara a presiunii din fisura (crack pressure) va produce un stress extensional foarte mare asupra varfului/bucsei de sprijin/element activ (tip). Acest stres extensional va depasi cu putin rezistenta la extensie (tensile strenght) astfel ca fisura respectiva se va propaga/largi rapid.

Folosindu-se de aceste presupuneri, Hubert si Willis au demistrat ca fisura va aparea atunci cand:

F=((S-P)/3)+P (5-1)

unde:

F= presiunea din gaura de sonda la/in punctul de fisurare (psi)

S= presiunea totala a rocilor acoperitoare/litostatica (psi)

P= presiunea porilor/din pori (pore pressure) (psi)

In acest mod, presiunea de injectie minima (injection pressure) necesara pe o unitate de adancime intr-o zona cu falii normale incipiente este:

F/D({[(S/D)+(2P/D)]/3} (5-2)

unde:

D= adancimea (ft)

Aceasta relatie reprezinta o estimare pentru presiunile minime de fisurare care apar intr-un bazin inactiv/relaxat din punct de vedere tectonic si care se afla in punctul/intr-un regim de faliere normala (normal faulting). Hubert si Willie au ajuns la concluzia ca presiunile de fisurare sunt afectate de (1) magnitudinea stresului regional preexistent, (2) de geometria gaurii de sonda (aici sunt incluse si fisurile preexistente) si (3) de calitatea penetrativa a fluidului. Mai departe, pentru simplificarea calculelor, autorii respectivi au sugerat ca daca in conditii hidrostatice normale (P/D) de 0.46 psi/ft, valoarea S/D este aproximativ egala cu 1 psi/ft, atunci presiunile de fisurare minime care apar in regiunea Gulf Coast ar putea fi in jur de 0.64 psi/ft.

Lucrarea lui Hubert si Willis a reprezentat o baza teoretica si tehnica in ceea ce priveste incercarile de prezicere a presiunilor de fisurare minime fiind deasemenea un mijloc de a prezice presiunile de fisurare in zone cu regim tectonic si presiune abnormala, asta in cazul in care au fost masurati parametrii relevanti. Totusi, acesta lucru nu a fost suficient din moment ce sondele sapate in zonele cu regim tectonic activ/faliere normala avtiva (active normal faulting) sunt foarte putine si distantate unele de altele. Nevoia de a prezice cat mai adecvat presiunile de fisurare care actioneaza in orice punct de-a lungul gaurii de sonda devine o necesitate pentru planificarea programelor de tubare (casing programs), in special in regiunile in care, datorita unei presiuni de pori mari/presiunea porilor si/sau stresurilor tectonice, conditiile abnormale sunt cele comune.

In anul 1967, Matthews and Kelly au publicat un studiu in care au demostrat ca presiunile de fisurare din anumite rezervoare/strate colectoare nisipoase din regiune Gulf Coast puteau fi prezise prin folosirea informatiilor empirice (empirical data). Din moment ce aceasta regiune a fost intens explorata, informatiile oferite de ei au permis efectuarea de foraje sigure si economice. Din pacate, Matthews si Kelly nu au progresat in celasi mod ca si Hubert and Willis. Cei doi au considerat presiunea minima de fisurare ca fiind egala cu presiunea porilor/de pori iar presiunea maxima de fisurare egala cu cea a rocilor acoperitoare (overburden pressure). O presiune de fisurare care a fost observata ca fiind mai mare decat presiunea porilor a fost interpretata drept un efect al fortei necesare pentru depasirea (overcame)...matrix load sau naturii coezive a masei de baza/matricei (cohesive nature of the matrix). In consecinta, plecand de la presupunerea ca proprietatile coezive ale masei de baza/roci mama pot fi in legatura/legate cu/de cu matrix stress, si in consecinta actioneaza numai in functie de gradul compactizarii, caz in care ecuatia urmatoare poate fi utila in ceea ce priveste calcularea gradientului de fracturare al formatiunilor sedimentare (vezi Figura 5-2).

F/D=P/D + ki (/D (5.3)

unde:

F= presiunea de fisurare (psi)

P= presiunea formatiune/fluid la adancimea cercetata (psi)

D= adancimea la punctul de interes (ft)

(= matrix stress la punctul de interes (psi)

ki= coeficientul matrix stress pentru adancimea la care valoarea sa ar putea fi egal cu matrix stress-ul normal

In timpul cercetarilor, Matthews and Kelly au presupus ca gradientul hidrostatic normal mediu este de 0.465 psi/ft si gradientul mediu de ingropare (overburden) este de 1.0 psi/ft. In zonele cu presiune abnormala, o crestere a presiunii porilor (P) produce o descrestere corespunzatoare in matrix stress ((), din moment ce:

(= S - P (5.4)

unde:

S= presiunea de ingropare (overburden pressure)

Valoarea lui ki este luata de la adancimea la care ( este normala (Fig. 5-3). Aceste valori empirice precum si relatiile dintre ele sunt limitatea exclusiv pentru arealul de studiu.

Figura 5-2 Coeficientul matrix stress (ki) vs. adancimea, pentru Gulf Coast Sands (Matthews si Kelly, 1967).

Figura 5-3. ki este obtinut de la adancimea la care ( este normal.

-presiunea porilor normal/anormal

-adancimea de la care s-a calculat ki din figura 5-2.

-punct de observatie/interes

Alte studii empirice au mai fost publicate in 1967 de catre Costley care a folosit concepte similare. In anul 1969, Eaton a publicat a metoda de o acuratete mult mai buna si care foloseste o valoarea variabila pentru gradientul de ingropare (overburden gradient). Deasemenea, Eaton a folosit Raportul lui Poisson ca o variabila care controla gradientul presiunii de fisurare. Rata lui Poisson (() este definita in mod normal ca:

Raportul dintre unitatea strainului lateral si strainul longitudinal intr-un corp care a fost supus unui stres longitudinal pana la limitele sale elastice. Este o constanta elastica.

Raportul lui Poisson este o proprietate a rocii insasi. Prin recurgerea la relatii empirice, Eaton a depasit problema predictiei masurarii raportului lui Poisson. Mai mult, raportul lui Poisson folosit de catre Eaton nu este o functie a rocii ci a campului stresului regional-care este raportul dintre stresul orizontal si cel vertical. In acest fel, Hubbert si Willis au presupus ca stresul orizontal minim ar putea fi (1/3, corespunzand unui raport Poisson de 0.25:

F/D={[(S/D)-(P/D)][((/1-()](P/D)} (5.5)

unde:

S/D=1.0 psi/ft si (=0.25

In acest caz,

F/D=(1.0 + 2D/D)/3 (5-6)

fiind acelasi cu relatia gradientului minim de fisurare al lui Hubbert si Willis. Totusi, un raport Poisson de 0.25 presupune valori care sunt mult mai mici decat valoarea datelor de teren, iar alaturi de presupunerea ca S/D=1.0 psi/ft, pot duce la aparitia erorilor (exceptie fac sondele din vestul Texasului, unde gradientii de fisurare (fracture gradients) au valori minime, dupa cum au aratat Hubbert si Willis). Eaton a prezentat a serie de curbe empirice , pentru datele din regiunea Gulf Coast in ceea ce priveste raportul dintre raportul Poisson si adancime. Curbele respective, cu o adancime apropiata de limita superioara a lui 0.5 ar putea fi interpretate ca: actiunea unui strain longitudinal produce un stres lateral de acceasi marime, fenomen care apare in materialele cu un modulus shear egal cu 0 (ex. lichide) precum si in materialele incompresibile. Aceste curbe, independente de tipul de roca, sunt ilustrate in Fig. 5-4.

Cea mai importanta contributie a lui Eaton a fost conceptul de ingropare variabila (variable overburden). Plecand de la presupunerea ca un gradient de ingropare (gradient overburden) de 1 psi/ft este incorect, s-a constatat ca acesti gradienti variaza intre 0.6 psi/ft la adancimi reduse pana la valori usor mai ridicate dacat 1.0 psi/ft la adancimi mari. Din moment ce presiunile de ingropare (overburden pressures) joaca un rol important in estimarile gradientului de fisurare, o imbunatatire in acuratetea acestei variabile va permite estimari mult mai exacte ale gradient de fisurare. Tehnica dezvoltata de Eaton poate fi aplicata si pentru alte areale/regiuni doar in cazul in care curba raportului lui Poisson este cunoscuta. In acest fel, metoda este limitata pentru areale cu o explorare concentrata in regiunile stabile din punct de vedere tectonic si nu poate fi folosita intr-un mod sigur pentru sondele de explorare.

Figura 5-4 Curbele empirice raportul lui Poisson vs. adancimea pentru nisipurile din Gulf Coast (Eaton , 1967).

Presupunerea lui Eaton prin care sustinea ca raportul Poisson era unicul stress ratio factor pare a fi nefondata atunci cand valorile raportului Poisson pentru rocile sedimentare comune sunt comparate cu cele obtinute din fisurarea hidraulica. Nu este un lucru iesit din comun calcularea raportului Poisson din experimentele asupra unei fisuri si a carui valoare reiese a fi undeva intre 0.45 si 0.8. Determinarile experimentale ale raportului Poisson au dat valori de la 0 pana la mai putin de 0.5. Este important de mentionat faptul ca raportul Poisson este o masura a abilitatii unei roci de a se deforma intre limitele sale elastice, definita ca stresul maxim la care poate fi supus un material fara a ramane deformat atunci cand stresul este indepartat. Argilele de suprafata ( surface clays) sunt in general atat de umede inact se comporta ca niste fluide. Odata cu cresterea adancimii, granulele rocillor sunt responsabile pentru un raport Poisson unic, iar odata cu cresterea compactarii rocile devin mult mai dense si solide, mult mai sfaramicioase (brittle) si elastice. Aceasta se datoreaza in mare masura inchiderii fisurilor si alunecarii (creep) mineralelor astfel incat roca roca devine din ce in ce mai isotropica cu cresterea adancimii. Din moment ce rocile elastice transmit in mod eficient energia seismica, iar cele mai plastice pot transmite doar unde acustice compresionale dar nu si shear waves, atunci ar trebui luat in considerare faptul ca rocile plastice nu vor intalnite intre adancimile sapabile (drillable depths).

In 1973, Anderson et al., au publicat o alta metoda empirica. Principalul scop al lor a fost determinarea parametrilor necesari estimarii presiunilor de fisurare din diagrafiile electrice. Folosind relatia lui Biot pentru stress/strain in mediile poroase, ei au propus urmatoarea relatie:

F/D= (2(/1-() ( S/D + (1-3(/1-() ( (P/D (5.7)

unde:

( = 1 Cr/ Cb

Cr = compresibilitatea matricei materialului solid (solid matrix material)

Cb = compresibilitatea scheletului unei roci poroase (porous rock scheleton)

si care ar putea fi aproximata prin:

(= 1 - (1 - (D)n (5.8)

Daca n=1, este o metoda adecvata pentru modele teoretice.

De unde,

( ( (D (5.9)

De aici rezulta ca ( depinde de porozitate, dar este o marime imensurabila pentru un/intr-un mediu de forare (drilling environment). Terzaghi este cel care a demostrat experimental ca daca (=1, atunci relatia de mai sus devine:

F/D= (2(/1-() ( S/D + (1-3(/1-() ( P/D (5.10)

si care astfel nu depinde de porozitate.

Problema insa nu este pe deplin rezolvata in ceea ce priveste obtinerea lui ( pentru rocile in-situ. Teoretic, valoarea lui ( s-ar putea obtine prin folosirea in urmatoarea formula a velocitatiilor compresionale (Vs si Vc) si a forfecarii acustice (acustic shear) din formatiunea litologica respectiva:

( = 1 2 ( (Vs/Vc)2 / 2 ( (1 - Vs/Vc)2 (5-11)

Reconosterea sosirilor undelor de forfecare (shear waves) in majoritatea sectiunilor geologice sedimentare este in general imposibil de realizat.

Pentru a obtine raportul Poisson pentru Nisipurile din/de Gulf Coast, Anderson et al., au facut o propunere larga ca raportul Poisson este o functie a indicelui de argilizare/istuozitate (shaliness index) al nisipurilor, din moment ce argila istoasa (shale) acioneaza ca si un agent plastic de legatur. Estimarea coninutului n argil (shale) al nisipului a fost desavarsit/terminat odata cu utilizarea indicele de argilizare (shale index):

Ish = (S - (D / (S (5-12)

unde:

Ish = indicele de argilizare/sistuozitate

(S = porozitatea din diagrafia sonica

(D = porozitatea din diagrafiile de densitate

Pentru un indice de argilizare/sistuozitate intre 0 si 40%, raportul Poisson pentru nisipurile Gulf Coast variaza intre 0.27 si 0.33. Aceasta relatie liniara poate fi rezolvata pentru (:

( = A ( Ish + B (5-13)

unde:

Ish = indicele de argilizare/sistuozitate

A = panta liniei

B = intersectia pe axa y (y=Ax+B)

Aceasta relatie a fost dezvoltata/aplicata doar pentru informatiile/datele colectate anterior (ex: pentru nisipurile din Gulf Coast), in timp ce pentru alte sedimente nisipoase cu diferite continuturi in argila, structura argilei, relatiile nisip/argila, tipuri de nisip sunt valabile alte relatii.

Christman este cel care in anul 1973 a accentuat problema care apare in urma folosiri unui gradient de ingropare (overburden gradient) de 1-psi/ft atunci cand se foreaja in largul marii (offshore). Pentru instalatiile de foraj din largul marii datorita unui high flow elevation above sea level precum si forarii in apele adanci, apar importante modificari atat de gradient de ingropare (overburden pressure gradient) cat si pentru alte presiuni. Consulta Sectiunea 3, Overburden Pressure, paragraful 3.4, pentru o mai buna informare.

Mai recent, Bradley (1979 a,b) a publicat un concept teoretical foarte complicat cu ajutorul caruia se pot calcula limitele stabilitatii gaurii de sonda atunci cand intre gaura de sonda si stresurile regionale exista o oarecare inclinare/panta/unghi. Limitele sunt date pentru cadererile/dizlocarile de compresie (alunecari de teren-sloughing) sau cele de tractiune/tensiune (fisurare-fraction). Din cauza unui numar foarte mare de variabile implicate este folosit un computer pentru calcularea si reprezentarea grafica a naturii stresurilor pentru toate unghiurile si directiile gaurii de sonda. Rezultatul il reprezinta o arie, sau altfel spus stress cloud. Orice schimbare a variabilei va produce o schimbare in forma stress cloud-ului (cloud=nor, umbra) alaturi de o deplasare a umbrei (cloud stress) de-a lungul stresului mediu de forfecare /planului stresului mediu normal (mean shear stress/mean normal stress plane). Acest model poate fi folosit in cazul platformelor in extindere (development platforms) in care se sapa sonde deviate.

5.8 LIMITARILE SI AVANTAJELE MODELELOR ACCEPTATE

5.9 Gradientul de fisurare minim al lui Hubbert si Wellis

Faptul ca acest model teoretic nu foloseste constante sau relatii empirice, ar trebui privit ca un avantaj al acestei metode. Din nefericire, se pare totusi ca sa inteles gresit obiectul muncii acestui model-care este de fapt acela de a produce un mijloc/metoda prin care pot fi obtinuti gradientii minimi de fisurare. De asemenea, in cazul in care sunt indeplinite toate necesitatile (ex: o zona caracterizata prin faliere normala, topografie simpla si strate orizontale), teoria poate fi aplicata pentru orice locatie. Principalul dezavantaj al acestei metode este imprecizia. In cazul in care sonda necesita aplicarea unor gradienti de fisurare foarte precisi, atunci nu este suficienta doar valoarea lor minima.

5.10 Metoda lui Matthews si Kelly

Posibilitatea de aplicarea a acestui model este limitata pentru zona Gulf Coast, deoarece modelul a fost dezvoltat petru sondele din aceasta zona (in special pe nisipurile producatoare). Valoarea empirica a lui ki poate fi recalculata/dedusa dintr-o succesiune de teste de fisurare pentru aceasta zona, urmand ca apoi curbele sa fie reprezentate grafic in functie de adancime. In general, curba lui Matthews si Kelly nu poate fi folosita pentru ca modelul a fost conceput pentru nisipurile rezervoare/rezervoarele nisipoase din zona Gulf Coast si pentru un gradient de ingropare de 1 psi/ft. Aceasta metoda poate fi folosit doar pentru un singur cmp, daca exista suficienta informatie despre conditiile de fisurare pentru a se putea reproduce curba ki, a carei valoare va fi unica pentru acel cmp.

5.11 Metoda lui Eaton

Eaton a incercat sa lamureasca problema determinarii regimului stresului subteran actual/efectiv (actual subsurface stress regime) prin folosirea raportului Poisson. In esenta, principiul este acelasi ca si cel folosit de Hubbert si Willis, exceptie facand doar faptul ca Eaton a luat in calcul un stres orizontal mare, mai degraba decat unul minim. Eaton a aflat ca la un gradient de ingropare (overburden gradient) variabil, raportul stresurilor (stress ratio, ((3/(1) sau ki variaza nonliniar cu adancimea. La fel ca si pentru metoda lui Matthews si Kelly, curbele ki trebuie deduse din informatiile existente pentru un singur cmp iar asta inainte sa fie facuta orice fel de predictie.

5.12 Anderson et al.,

In acest model, raportul Poisson este din nou variabila necesara, fiind considerat o functie a rocii insasi si nu un raport al stresurilor (stress ratio), independent de tipul de roca. Din cauza dificultatilor recunosterii pe diagrafiile sonice a sosirilor undelor de forfecare (shear arrivals) acest raport este legat intr-un mod empiric de procentul de argila din nisipurile rezervoare din zona Gulf Coast. De asemenea, parametrul de compresibilitate al rocii (() poate fi definit de o relatie care este la randul ei legata empiric de caracteristicile nisipurilor respective; anume:

( = 1 - (1 - (D)n (5-14)

unde:

n = 1,

(D = porozitatea dedusa din diagrafia de densitate

Daca n=1, atunci relatia devine (= (D si poate fi aplicata doar nisipurilor in cauza. In combinatie cu relatia problematica/discutabila dintre ( si gradul de argilizare (shaliness) aceasta relatie este din nou limitata la zona pentru care modelul a fost dezvoltat. In cazul in care se aplica pentru alte zone atunci este necesara dezvoltarea unor relatii noi intre ( si gradul de argilizare (shaliness), caz in care va trebui reevaluata determinarea lui (.

Trebuie mentionat faptul ca ultimele doua metode au fost dezvoltate/enuntate in mod specific pentru gresii. Calcarele, marnele (shale) sau alte roci sedimentare pot genera rezultate false ca urmare a faptului ca proprietatile lor nu au fost luate in calcul.

5.13 ESTIMAREA PRESIUNILOR DE FISURARE

Odata cu avansarea lucrarilor de foraj spre ape adanci si latitudini mari, costurile acestor lucrari devin din ce in ce mai mari. Saparea unor sonde adanci de explorare in regiunile in care se cunoste putin despre constitutia geologica, poate fi extrem de periculoasa si de costisitoare ca urmare a lipsei de date adecvate referitoare la presiunea porilor si cea de fisurare specifice zoneler respective. Daca se intalnesc presiuni ale porilor abnormal de mari, atunci va fi necesara o coloanei de tubaj suplimentara; daca zona de presiune respectiva este mai mica decat sarcina/cursor (target), atunci terminarea/incheierea in conditii de siguranta a sondei poate fi periclitata.

De o importanta majora pentru aceste sonde este estimarea corecta a valorii kick tolerance. Pentru aceasta este necesar sa se cunoasca presiunile de fracturare care actioneaza in orice punct si la orice adancime din sonda netubata. Predictia/anticiparea presiunilor de fisurare pentru campurile productive din zona Gulf Coast sau din alte regiuni in care s-au sapat multe sonde, a fost insotita de utilizarea formulelor empirice. Acestea pot fi folosite cu certitudine doar in regiunile similare din punct de vedere geologic si tectonic si in care s-au efectuat foraje suficiente pentru a permite calcularea constantelor empirice necesare. Totusi, absenta unei metode de determinare a presiunilor de fisurare, care sa poata fi aplicata si altor areale decat cele mentionate mai sus, a condus la determinarea presiunilor de fisurare cu ajutorul formulelor empirice, rezultatul aratand insa ca aceste presiuni determinate prin formule empirice sunt diferite de presiunile de fisurare reale. Aceasta se datoreaza aplicarii constantelor derivate empiric reprezentand stress ratio si care in general nu sunt relevante/ in legatura pentru arelele ne-explorate prin sonde. Informatii exacte cu privire la principalele stresuri care actioneaza in situ sunt vitale pentru rezolvarea problemei presiunii de fisurare. Nici una dintre formulele empirice nu poate prezice in mod adecvat stresurile care actioneaza in/asupra unor anumite regiuni.

In ceea ce urmeaza este propusa o noua ipoteza conform careia este posibil rezolvarea si extrapolarea principalelor stresuri normale care urmeaza dupa un test de fracturare asupra unei formatiuni compacte. In acest context prin compact este definit punctul la care sedimentul poate transmite un stress aplicat (applied stress) prin/de-a lungul contactelor dintre granule. Alaturi de alte date adecvate calculate de obicei pentru sondele de explorare, gradientii de ingropare (overburden pressure) si presiunile porilor, presiunile de fracturare pot fi obtinute pentru orice punct din gaura de sonda. Calculele pentru kick tolerance par a fi mult mai realistice in cazul in care se bazeaza pe calculele presiunii de fisurare pentru sonda respectiva, asa ca in varianta in care in sonda apar conditii anormale, sansele de a redresa situatia sunt mult mai mari decat in cazul in care accentul se pune pe formule pe baza de constante empirice fara legatura cu situatia in cauza.

Pentru ca o formaiune sa devin fisurat hidraulic este necesar sa se depsesc stresul compresiv minim. Formula general descrie stresul orizontal compresiv minim ca o funcie a presiunii de ngropare (overburden), care este obinut empiric din urmtoarea:

F = (3 + P (5-15)

unde:

F = presiunea de fisurare

P = presiunea porilor

(3 = stresul compresiv minim efectiv

si

(3 = K (S-P) (5-16)

unde:

K = costanta empiric stress ratio

S = presiunea de ngropare (overburden pressure)

Presiunea de ngropare (overburden pressure) se obine prin integrarea densitii totale n respect cu adncimea:

z

S = ( (g ( () dz (Jaeger si Cook, 1976) (5-17)

ounde:

g = acceleratia gravitationala

( = densitatea

z = adancimea

Regimul stresului pentru rocile in-situ poate fi calculat din:

(3 = (t + (1 (( / 1- () (5-18)

unde:

(t = stresul tectonice orizontal suprapus (superposed horizontal tectonic stress)

(1 = stresul compresiv maxim efectiv

( = raportul lui Poisson

si

(1 = S P (5-19)

(t / (1 = ( (5-20)

5.14 STARILE/CARACTERISTICILE STRESULUI SUBTERAN (subsurface stress states)

5.15 Stresurile efective (effective stresses)

Conceptul stresurilor efective a fost introdus pentru prima data de catre Terzaghi in 1923, fiind folosit mai ales in aplicatiile mecanice. In esenta, stresul hidrostatic (P) exercitat de fluidul din pori nu influenteaza deloc deformarea, care este de fapt controlata de stresurile efective. Stresul hidrostatic este un stres neutru (neutral stress) care actioneaza in toate directiile cu aceeasi intensitate/cantitate. Acest stres se manifesta atat in materialele solide cat si in cele lichide, asa ca stresurile efective actioneaza/apar exclusiv pentru scheletul solid al rocilor. Studiile de specialitate referitoare la deformarea rocilor (Handin et al., 1963) au aratat ca fracturarea este controlata de stresurile efective, dovedind ca rocilor dispun de un sistem conectat de pori:

(1 = (1 P , (2 = (2 P , (3 = (3 P (5-21)

unde:

(1 (2 (3 = stresul compresiv principal maxim, intermediar si respectiv, minim.

P = presiunea porilor

(1 (2 (3 = stresurile compresive efective

O conditie esentiala pentru aplicarea acestui model unui mediu subteran este presupunerea ca permeabilitatea este suficient de ridicata pentru a permite miscarea fluidelor iar fluidul din pori este inert, astfel incat efectele sunt pur de natura mecanica. Pentru a exemplifica efectul presiunii porilor asupra stresului vertical se considera ca presiunea totala de ingropare (total overburden pressure) la adancimea de 10000 ft va fi de 9500 psi iar presiunea porilor la acceasi adancime va fi de 4671 psi. Stresul vertical efectiv este in cazul de fata 9500 4671 = 4829 psi. In cazul in care la adancimea de 10000 ft presiunea a fost de 8304 psi atunci stresul vertical efectiv ar fi doar 1196 psi.

5.16 Starile teoretice ale stresului subteran/(determinari teoretice ale ~)

Exista doua concepte majore in ceea ce priveste starea stresului in scoarta terestra:

1. Stresul este hidrostatic caz in care cele trei stresuri principale sunt egale

2. Stresurile orizontale principale sunt o functie a stresului efectiv vertical si raportului Poisson.

Prima ipoteza este cunoscuta sub denumirea generala de regula lui Hule, ulterior fiind descrisa de Anderson (1942) drept starea standard (standard state). Aceasta ipoteza a fost enuntata in urmatoarea forma: stresurile care actioneaza asupra unei roci tind sa devina egale datorita capacitatii rocilor de a aluneca/dilata (creep), astfel incat in cele din urma orice diferenta de stres se va atenua. Ipoteza ar putea fi mult mai bine ilustrata prin vizualizarea unui model aplicat la scara Pamantului (Hubbert, 1945). Cu toate ca Pamantul ca intreg are soliditatea/rezistenta otelului, in cazul in care este modelat sub forma unei sfere cu diametrul de 4 ft va avea soliditatea/rezistenta unui aluat, o vascozitate aproximativ de doua ori mai mare decat a mierii si va cantari nu mai mult de 6.6 tone.

A doua ipoteza descrie starea stresului intr-un strat tabular, elastic, cu extensie orizontala semi-infinita. Daca presiunea/greutatea (weight) stratelor acoperitoare este sursa unica de stres iar pe directie orizontala elongatiile sunt egale cu zero, atunci este valabila urmatoarea relatie:

(H = (1 (( / 1- () (5-22)

unde ( este raportul Poisson iar (H si (1 reprezinta componentele stresului orizontal efectiv, respectiv vertical efectiv. In cazul in care raportul Poisson pentru un anumit tip de roca este de 0.25, atunci stresurile orizontale ar fi egale cu o treime din valoarea stresului vertical, dovedind in acest fel ca conditiile teoretice sunt indeplinite. Acest lucru este in contradictie cu Regula lui Heim care sugereaza ca stresurile orizontale ar trebui sa fie egale cu cele verticale.

Cele doua discutii teoretice de mai sus, au in comun presupunerile ca stresul principal total este vertical si egal cu greutatea/presiunea exercitata pe unitatea de suprafata de rocile inconjuratoare/ acoperitoare iar stresul total orizontal normal are aceeasi valoare pe orice directie de-a lungul planului orizontal principal.

Prin existenta unui numar mare de structuri si procese deformationale care pentru formarea si mentinerea lor necesita stresuri inegale demonstreaza faptul ca starea stresului crustal nu este in principal de natura hidrostatica. Jeffreys (1952) a sugerat faptul ca diferente semnificative de stres apar doar pe primii 50 de km ai scoartei terestre, datorita existentei lanturilor montane si oceanelor adanci. Prezenta in aceste zone a unor structuri la scara mare, grabene, zone de forfecare, dyke-uri, panze, cute, fracturi si falii transcurente sugereaza atat ca in trecut au prelevat diferente mari de stres cat si faptul ca stresurile se manifesta si in prezent, asa cum o dovedeste aparitia cutremurelor. Pentru generarea unor astfel de structuri este necesara interventia unui stres extern, tectonic. Este posibila imaginarea unei orientari particulare a stresului tectonic chiar si pentru arealele inactive din punct de vedere seismic fiind deasemenea rezonabil sa presupunem ca daca o regiune nu prezinta structuri tectonice si seismicitate, totusi regiunea in cauza poate experimenta anumite stresuri tectonice (Jaeger & Cook, 1976).

In anul 1951 Hafner a sugerat ca pentru a obtine/realiza un sistem de tipul stresului hidrostatic (sau starea standard/ standard states) pentru un strat tabular cu extensie laterala infinita si in care nu apare o extensie laterala, atunci sistemul stresului este compus din doua parti:

1. Efectul gravitatiei, descris in a doua ipoteza prezentata anterior.

2. Suprapunerea unui stres orizontal, acelasi pentru orice plan orizontal, dar care creste uniform cu adancimea.

Mai mult decat atat, pentru ca proceselor de faliere si cutare sa apara, stresul orizontal suprapus trebuie sa aiba o orientare particulara pe planul orizontal respectiv. In cazul in care exista un stres tectonic, acesta ar putea creste uniform in raport cu adancimea daca stratele respective se comporta isotropic si elastic.

Stresul orizontal va avea o valoare minima atunci cand nu actiuneaza nici un stres tectonic, astfel ca:

(3 = (1 (( / 1- () (5-23)

unde (3 reprezinta stresul orizontal principal, minim efectiv, (1 este stresul maxim principal efectiv care este egal cu presiunea efectiva exercitata de rocile acoperitoare iar ( este raportul Poisson pentru un tip particular de roca. Magnitudinea maxima pe care o pot atinge stresurile orizontale efective este de aproximativ trei ori stresul vertical efectiv, punct la care fracturarea apare sub forma falierii reversive (reversive faulting) (Hubbert, 1951).

In acest caz, stresul tectonic orizontal suprapus (superposed) poate varia intre urmatoarele limite:

0 ( (t < 3 (1 - (1 (( / 1- () (5-24)

Din moment ce (1 se calculeaza prin substragerea presiunii de pori din greutatea totala (total weight) a rocilor acoperitoare, atunci valoarea lui este cunoscuta in orice punct din gaura de sonda. Daca stresul orizontal suprapus este prezent va creste uniform in functie de adancime sau in functie de (1. In acest caz, raportul (t /(1 ramane constant.

Este ideal ca raportul Poisson pentru tipul de roca in care se executa forajul sa fie cunoscut in momentul forajului respectiv, dar acest lucru nu este intotdeauna posibil. Totusi, raportul Poisson a fost masurat experimental pentru multe tipuri de roci si pare a fi unic pentru fiecare tip litologic in parte. Raportul lui Poisson nu poate fi masurat pentru fiecare tip de roca in parte dar in cazul in care se reuseste separea diferitelor tipuri litologice pe criterii in functie de raportul Poisson atunci exista o modalitate cu ajutorul careia rezultatele experimentale ar putea fi aplicate rocilor in situ.

Pentru a putea caracteriza/descrie stresul minim orizontal este necesar sa se masoare magnitudinea stresului tectonic suprapus (t. Acest lucru se poate face cu ajutorul unui test de fracturare. In acest fel, dupa ce (t a fost determinat, starea stresului minim orizontal poate fi extrapolata pentru orice punct in gaura de sonda.

5.17 CONCEPTUL DE ZERO TENSILE STRENGHT

O estimare corecta a tensile strenghts actuale pentru rocile subterane este cel mai probabil imposibil de realizat. Din fericire, aceasta problema dispare daca se ia in considerare faptul ca orice segment sedimentar poate fi intersectat de fisuri si intercalatii/strate de separare (partings). De-a lungul acestor discontinuitati naturale tensile strenght este efectiv egal cu zero. Totusi, aparitia fisurilor si crapaturilor deschise este in general destul de rara, acestea fiind limitate pentru un anumit interval sedimentar sau litologie. Fisurile din rocile competente sunt rezultatul diferentelor locale de stres care apar ca urmare a compactizarii si proceselor diagenetice. Pot aparea deasemenea microfisuri datorita proceselor de foraj si reducerii stresului rezultant la peretii gaurii de sonda. Acele fisuri care sunt mentinute inchise de catre stresurile compresive in-situ necesita aparitia unei presiuni in interiorul gaurii de sonda egala cu stresul compresiv, astfel incat presiunea care mentine fisurile inchise sa fie redusa la zero. O crestere usoara a presiunii in gaura de sonda va permite intrarea fluidului in interorul fisurilor astfel ca presiunea va fi transmisa marginilor acesteia. Presiunea respectiva va cauza o extindere nedefinita a fisurii, dovedind faptul ca poate fi transmisa catre leading edge.

Acest fenomen poate fi exemplificat presupunand ca exista o gaura de sonda cilindrica, perfect omogena situata intr-un mediu elastic in care se dezvolta o fisura incepand de la peretele gaurii respective. In momentul aplicarii unui stres in interiorul gaurii de sonda si care este usor mai mare decat stresul normal care actioneaza asupra fisurii, atunci se va forma un stres extensional la varful/extremitatea fisurii si care va avea o magnitudine infinita, asa cum este ilustrat in Figura 5-5 (Hubbert si Willis, 1957).

Presiunea minima (F) in interiorul gaurii de sonda necesara pentru mentinerea deschisa si extinderea unei fisuri pre-existente este in consecinta usor mai mare decat stresul regional orizontal normal la planul fracturii:

F = (t + (1 (( / 1- () + P (5-25)

unde:

P = presiunea din pori

Planul de-a lungul caruia va incepe formarea unei fisuri va fi acel plan pe care stresul compresiv este minim, stres compresiv care va fi redus la zero odata cu cresterea presiunii in gaura de sonda. In cazul in care stresul compresiv orizontal este mai mic decat stresul compresiv vertical planul va fi vertical; daca stresurile orizontale sunt mai mari decat stresul vertical, planul va fi orizontal.

Explicatie Figura 5-5. Un stres extensional foarte mare apare la varful/extremitatea unei fisuri atunci cand presiunea din gaura de sonda este de aproximativ 5 ori mai mare decat stresul orizontal minim (Hubbert si Willis, 1957).

5.18 TESTUL FISURARII/TESTUL DE FISURATIE (FRACTURE TEST)

Testele de fisuratie sunt de obicei efectuate dupa montarea tubajului. Rezultatul acestui text atunci cand este convertit intr-o densitate a fluidului de foraj echivalenta este considerat a fi densitatea maxima a fluidului de foraj la care urmatoarea sectiune a gaurii de sonda nu va suferi pierdere de circulatie ulterioare. Examinarea principiilor implicate arata ca aceasta presupunere este valida doar in anumite circumstante. In cazul in care sabotul de coloana a fost cimentat intr-o zona cu presiune din pori mare, abnormala si gradientul presiunii din pori descreste in functie de adancime, atunci gradientul presiunii de fisurare va descreste deasemenea. Calcarul are un raport Poisson mare ceea ce va duce in cazul respectiv la aparitia unei presiunii de fisurare mai mare decat in cazul in care sabotul de coloana a fost montat intr-o roca cu un raport Poisson mai redus. In momentul in care forajul trece dintr-un calcar intr-un nisip pentru care gradientul de presiune din pori este egal sau mai mic decat corespondentul pentru calcar, atunci gradientul presiunii de fisurare va fi si el mai redus.

In majoritatea cazurilor, punctul din gaura de sonda in care gradientul presiunii de fisurare este minim va fi acel punct pentru care gradientul presiunii din pori si raportul Poisson au valoarea cea mai mica. Densitatile maxime ale fluidului de foraj necesare forarii ulterioare sunt dependente de acesti parametrii si nu de valoarea unica determinata la sabotul de coloana.

Odata ce formatiunea a fost fracturata va fi necesara aplicarea aceleasi presiuni de fisurare pentru ca fracturarea sa apara din nou. Pentru orice test de fisurare, punctul la care stresurile orizontale sunt echilibrate de catre presiunea din gaura de sonda va fi acelasi chiar daca testul va fi repetat sau nu. Totusi, daca este testata o formatiune permeabila, atunci graficul presiunii de fisurare nu va fi unul liniar: cresterea volumului va produce o crestere usoara a presiunii ca urmare a patrunderii fluidului in formatiunea respectiva. Rezultanta este o crestere a presiunii din pori a formatiunii imediat adiacent gaurii de sonda. Cresterea presiunii din pori va cauza o reducere a concentrarii stresului la peretele gaurii de sonda sl carei efect va fi o presiune mai scazuta necesara fracturarii. Din moment ce fisurarea se extinde in campul stresului nedisturbat, presiunea necesara extensiei respective este aceeasi ca si in cazul in care nu aparea invazia fluidului in formatiune (Hubbert si Willis, 1957).

Testele de fisuratie facute pe argile marine neconsolidate situate la adancimi reduse au aratat ca aparent pot aparea presiuni de fisurare abnormale destul de mari. Argilele umede/hidratate se pot comporta ca si lichidele, astfel ca raportul Poisson va fi in jur de 0.5. Deasemenea, din moment ce apa din pori si apa absorbita inconjoara fiecare granula argiloasa, atunci granulele nu vor fi in contact unele cu altele dar vor fi sustinute de catre apa respectiva. In acest caz, rezistenta la forfecare a acestor argile este neglijabila (shear strenght). Presiunea efectiva din pori ar putea in acest caz sa depaseasca presiunea exercitata de greutatea sedimentelor acoperitoare; iar daca este combinat cu un raport Poisson foarte mare va parea ca presiunile de fisurare calculate ar putea depasi seminificativ presiunea de ingropare (overburden pressure). In aceste conditii datorita ridicarii sedimentelor acoperitoare se va forma o fisura orizontala caz in care presiunea de fisurare va fi aproximativ egala cu presiunea rocilor acoperitoare.

La anumite adancimi, datorita compresiunii exercitate de greutatea rocilor acoperitoare o parte din apa din pori va fi eliminata, caz in care peletele argiloase vin in contact unele cu altele. Atunci cand apare acest fenomen, sedimentul poate suporta un stres orizontal suprapus. Raportul Poisson pentru argila in acest caz va fi foarte similar cu cel corespondent unei argile compacte. Testele de fisurare facute pe o argila aflata in acest stadiu de deshidratare pot fi folosite la calcularea streselor orizontale.

Nisipurile neconsolidate situate la adancimi reduse si care au o permeabilitate foarte buna pot cauza aparitia pierderilor de circulatie. Cu toate ca aceste nisipuri sunt neconsolidate granulele individuale vor fi in contact unele cu altele astfel ca un stres suprapus ar putea fi suportat independent de presiunea din pori. Raportul Poisson va fi normal, depinzand de tipul de nisip. Daca se foreaza intr-un nisip neconsolidat situat la adancimea de 2000 ft, atunci presiunea de ingropare (overburden pressure) va fi de 1453 psi iar presiunea din pori va fi normala la 892 psi. Pentru o gresie fosilifera raportul Poisson este de 0.01. Presupunand ca rata/raportul stresului orizontal este normal, i.e (t / (1 este 0.2, atunci presiunea de fisurare calculata pentru acesti parametrii:

F = (1453-892) 0.2 + (1453-892)

EMBED Equation.3 + 892

F = 1010 psi, or 9.7 lb/gal la 2000 ft

Poate fi spus ca pentru sedimentele marine neconsolidate, cu un continut ridicat in apa si situate la adancimi reduse, presiunile de fracturare variaza de la magnitudini de ingropare (overburden magnitudes) pentru argilele umede pana la putin mai mult decat presiunea din pori in cazul nisipurilor neconsolidate.

Un exemplu tipic de test de fisuratie este cel reprezentat in Figura 5-6. Portiunea liniara AB a curbei respective sugereaza existenta proprietatilor elastice: creterea presiunii (stresul) este direct proportionala cu volumul pompat/injectat (strainul). In punctul B presiunea din gaura de sonda este egala cu presiunea din pori plus/la care se adauga si stresul total orizontal minim efectiv. In acest caz, nu mai exista forte compresionale care sa tina inchise fisurile, crapaturile si intercalatiile situate de-a lungul unui plan vertical normal la stresul minim orizontal in segmentul testat al gaurii de sonda respective. Pentru intervalul BC nu mai exista proportionalitate intre stres si strain astfel ca pentru o unitate de stress se produce o proportie mai mare de strain. Diferenta de presiune C-B, este acea presiune necesara injectarii fluidului in fisuri, aplicarii presiunii asupra peretilor si apexurilor/ extremitatilor fisurilor. In cazul in care presiunea din gaura din sonda este cu aproximativ 5 procente mai mare decat stresurile totale orizontale minime atunci la extremitatile fisurii va aparea un stres de forfecare de valoare aproape infinita. La acest punct, fisurile se vor extinde rapid de-a lungul zonei liniei cu rezistenta minima, i.e. pe un plan vertical, normal la stresul minim compresiv (o gaura de sonda verticala cu strate tabulare). Daca in acest moment se opreste pomparea de fluid, atunci fisura nu se va mai propaga iar presiunea va scadea pana la punctul D. In cazul in care presiunea din gaura de sonda a scazut (datorita cresterii de volum cauzate de aparitia fisurilor) pana la o presiune egala cu presiunea din pori si stresurile totale minime orizontale, atunci ar trebui sa se stabilizeze la o presiune egala cu B. Daca presiunea in exces este neutralizata, atunci cantitatea de fluid de foraj care reapare la suprafata ar trebui sa fie egala cu cantitatea pompata. Daca scaderea/izolarea de presiune (D) este mai mica decat B atunci este rezonabil sa se presupuna ca fisurile sunt inca deschise, fiinf posibil mentinute deschise de catre contaminantii sau detritusul din fluidul de foraj. O crestere mare de volum ca urmare a prezentei fisurilor deschise, conduce la o descrestere a presiunii, astfel ca BD> 0.

In acest caz, cantitatea de fluid de foraj care apare la suprafata este mai mica decat cantitatea pompata. Daca acest fenomen apare in formatiuni permeabile, ar fi posibila aparitia unor pierderi de fluid destul de mari ca urmare a maririi suprafetei zonei fracturate.

Explicatie Figura 5-6. Exemplu tipic de test de fisuratie, exemplificand punctul la care stresul minim orizontal devine echilibrat/egalat de presiunea totala din gaura de sonda (B). Daca B=D, atunci volumul fluidului de foraj revenit la curgere/bleed-off ar trebui sa fie egal cu volumul initial injectat/pompat.

-presiunea totala in punctul B (Gauge pressure+presiunea exercitata de fluidul de foraj)

B = (t + (H + P

-presiunea totala la punctul C

C = B + crack pressure losses (pierderile presiunii din fisura)

C = presiunea de extensie a fisurii

-presiunea totala in punctul D, D=B.

5.19 METODA

Toate informatiile necesare estimarii presiunilor de fisurare pot fi obtinute din interpretarea testului de fisuratie pentru o formatiune compacta, parametrii care sunt in mod normal masurati si calculati atunci cand se sapa sonde de explorare, la care se adauga valorile tipice pentru raportul Poisson. Valorile raportului Poisson, ilustrate in Figura 5-7, au fost obtinute prin testare sonica (Weurker, 1963). Raportul Poisson nu este masurat in mod direct, fiind calculat din modulul de elasticitate si modulul de rigiditate:

Raportul Poisson, (, = (modulul elasticitatii/ 2 (modulul rigiditatii)) 1 (5-26)

Raportul rezultat este unul dinamic si care in general este diferit fata de proprietatile elastice statice. Diferenta consideralbila dintre rezultatele dinamice si cele statice, poate fi privita ca indicatoarea unei zone cu rezistenta slaba, a anizotropiei, sau diferente directionale in ceea ce priveste proprietatile materialelor respective (U.S. Bureau of Reclamation, 1953). Raporturile dinamice in cauza ar putea fi mult mai realistice atunci cand se incerca determinarea stresurilor orizontale la adancime datorita anizotropiilor observate, decat in cazul aplicarii raportului Poisson statistic determinat pe anumite tipuri de roci. Fiecare tip de roca in parte (particular in situ) prezinta un raport Poisson unic, al carei valori vor varia in functie de variatia parametrilor care il influenteaza. Astfel, valorile specifice din tabelul alaturat sunt prezentate sub forma unui ghid aproximativ, fiind totusi utile pentru realizarea unor estimari rezonabile. In cazul in care doua sau mai multe minerale sunt prezente in aceeasi roca, i.e. argila nisipoasa, nisipuri argiloase, atunci trebuie determinata matricea rocii respective. Daca roca in cauza este un nisip in care granulele vin in contact unele cu altele iar argila este matricea rocii (continutul de argila este mai mic de 30%), atunci raportul Poisson va fi in functie de tipul nisipului respectiv. Daca continutul in argila este mai mare de 30%, caz in care granulele de nisip nu mai sunt in contact direct unele cu altele ci sunt diseminate in matricea argiloasa, atunci valoarea raportului Poisson depinde de tiul de argila. Mai mult decat atat, daca argila respectiva este calcaroasa (procentul de carbonat >50%), atunci carbonatul respectiv ar putea avea un efect major in ceea ce priveste proprietatile mecanice ale rocii; in cazul acesta ar trebui folosit un raport Poisson specific calcarelor sistoase. Un continut de carbonat mai mare de 80% in cazul unei argile, sau mai mult de 20% argila intr-o constitutie calcaroasa indica faptul ca gradarea a avut loc in general, de la argila catre micrit sau calcare fine. O analiza atenta a detritusului alaturi de o interpretare adecvata a diagrafiilor ar putea asigura o baza utila pentru aplicarea unor rapoarte Poisson corecte. Cel mai putin rezistent segment al gaurii de sonda va fi acel in care presiunea din pori si raportul Poisson sunt cele mai scazute. In cazul unei zone a gaurii de sonda pentru care presiunea din pori este scazuta iar

Tipulde rocaRaportul Poisson

Argila, foarte hidratata

Argila

Conglomerat

Dolomit

Graywacke:

Calcar:

Gresie:

Shale:

Siltstone:

Sist (ardezie-slate):

Tuf: grosier

fin

mediu

fin, micritic

mediu, calcarenit

poros

stilolitic

fosilifer

fosile (bedded ~)

sistos

grosiera

grosiera, ciment

fina

foarte fina

slab sortata, argiloasa

fosilifera

calcaros (