ANÁLISE DO PERFIL DE INVASÃO DOS POLÍMEROS COMPONENTES DO FLUIDO DE PERFURAÇÃO EM ARENITOS INCONSOLIDADOS

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1 2005 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2005 Santos, SP, Bra zil, August 28 to September 2, 2005 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN ISBN: ANÁLISE DO PERFIL DE INVASÃO DOS POLÍMEROS COMPONENTES DO FLUIDO DE PERFURAÇÃO EM ARENITOS INCONSOLIDADOS Ribeiro, J. L. B 1, Lopes, R.T 1., Anjos, M. J 1,2., Queiroz Neto, J.C 3., Bianco, L.C.B 3., 1 Laboratório de Instrumentação Nuclear, COPPE/UFRJ. Caixa Postal: Cep: Rio de Janeiro, Brasil. jribeiro@lin.ufrj.br Ricardo@lin.ufrj.br 2 Instituto de física, Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ). RJ. Brasil. marcelin@lin.ufrj.br 3 PETROBRAS/CENPES/PDP/TEP Cidade Universitária / Quadra 07 Ilha do fundão. Cep: Rio de Janeiro, Brasil joaoqueiroz@petrobras.com.br lbianco@petrobras.com.br RESUMO Durante a perfuração de um poço horizontal inevitavelmente, ocorre invasão da formação produtora tanto pelos sólidos presentes no fluido de perfuração (reboco) quanto pelo filtrado desse fluido. Nos poços horizontais produtores a remoção do reboco é normalmente feita sem problemas durante a fase de completação, o índice de sucesso nessa operação é alto. Entretanto, no caso dos poços horizontais injetores essa remoção ainda constitui um problema. Dessa forma, o índice de sucesso nos tratamentos de remoção do reboco é bem menor que nos poços produtores. Assim, o conhecimento do perfil da invasão e da composição dos sólidos invasores na formação podem melhorar o índice de sucesso nos tratamentos de remoção, devido à melhoria na escolha do tratamento. Em virtude disso, foi desenvolvido um primeiro projeto experimental utilizando luz síncroton, com o objetivo de obter estes dados. Este projeto foi realizado utilizando a linha de fluorescência de raios X (XRF) da fonte de luz síncroton (LNLS), em Campinas, Brasil. Luz síncroton é a intensa radiação eletromagnética produzida por elétrons de alta energia num acelerador de partículas. A luz síncroton abrange uma ampla faixa do espectro eletromagnético: Luz Ultravioleta e Infravermelha, Luz Visível além de Raios X que foram utilizados para diferenciar e avaliar carbonato e polímeros marcados. Esta metodologia foi capaz de obter o perfil de invasão em arenitos inconsolidados com composição similar ao de rochas reservatório de poços de petróleo gigantes em grandes profundidades, situados na bacia de Campos. Juntamente com o perfil de invasão, a análise por fluorescência de raios X (LNLS) foi usada para mapear e identificar os componentes do reboco que invadiram o corpo-de-prova. A identificação dos componentes do reboco ofereceu a possibilidade de distinguir a diferença entre o carbonato e polímeros em termos da concentração e penetração. Os resultados obtidos constituem uma primeira fonte de dados que afirmam a eficiência e confiabilidade dos resultados obtidos pela técnica proposta. 1. INTRODUÇÃO Durante as operações de perfuração de poços horizontais, a invasão da formação produtiva pelos sólidos do fluido de perfuração (reboco) e pelo filtrado sempre acontece. A remoção e limpeza do reboco é geralmente realizada sem maiores problemas durante a fase de completação, sendo o nível de sucesso destas operações alto. Contudo, para poços horizontais injetores, esta remoção é geralmente um problema. Então, o nível de sucesso é bem menor

2 que para poços horizontais produtores. Desta forma, um melhor conhecimento do perfil de invasão e da composição dos sólidos que invadiram a formação pode melhorar o índice de limpeza, devido a uma melhora na seleção dos tratamentos empregados. Dano à formação é uma preocupação quando se atenta para a invasão de partículas sólidas durante as operações de perfuração. O modo usual de tratar o assunto é o uso de agentes obturantes e polímeros na confecção dos fluidos para minimizar a invasão de fluido. No entanto, o uso destes aditivos contribuem para o dano à formação [1]. A perda de fluido durante a perfuração é um processo complexo onde uma significante parte do fluido é perdida abaixo da broca de forma contínua durante a perfuração [2]. Durante o jato inicial de fluido de perfuração, é formado um reboco interno, o qual também leva a formação de um reboco externo. A composição do reboco é composta pelos agentes obturantes (finos gerados, carbonato de cálcio e polímeros) e também polímeros viscosificantes (goma xantana e polímeros modificados) que cobrem os poros da parede do poço. Este reboco é benéfico desde que ele possa reduzir significantemente a invasão de filtrado prevenindo um maior dano a formação. Durante a fase inicial, contudo, os fluidos penetram na formação resultando em um dano potencial. A profundidade de invasão e a redução na permeabilidade da zona invadida irá determinar a produção do poço durante a fase produtora. Neste primeiro estudo utilizando luz síncroton, foi feito um estudo de exploração do perfil de invasão do agente obturante carbonato de cálcio (CaCO 3 ) e dos polímeros componentes de um fluido de perfuração a base água. Micro fluorescência usando radiação síncroton (µsrxrf) é uma técnica analítica multielementar. As características intrínsecas da radiação síncroton permitem obter uma análise química com uma resolução espacial em escala micrométrica, alta eficiência para a determinação de traços de elementos além de um reduzido tempo para as análises [3]. A técnica de µsrxrf é uma poderosa ferramenta para o estudo da composição elementar de plugues de rocha após ensaios de dano. Neste texto, a resolução espacial da técnica de µsrxrf foi utilizada para o estudo do perfil de invasão de fluidos de perfuração em arenitos inconsolidados com composição similar de reservatórios de poços de petróleo, para isto, foi necessário o uso de iodo como marcador para os polímeros no fluido de perfuração. E só desta forma foi possível identificar e distinguir o perfil de invasão causada somente pelos polímeros em arenitos inconsolidados após a injeção de fluido em relação aos outros componentes. 2. PRINCÍPIOS DA MICRO FLUORESCÊNCIA UTILIZANDO LUZ SÍNCROTON Luz Síncroton é uma intensa radiação eletromagnética produzida por elétrons de alta energia dentro de um acelerador de partículas, abrangendo um ama ampla faixa do espectro eletromagnético: raios X, Luz ultravioleta e infravermelha, e luz visível que sensibiliza o olho humano, que são emitidas por uma fonte de luz branca. Com esta luz cientistas estão descobrindo novas propriedades físicas, químicas e biológicas existentes em átomos e moléculas, componentes básicos de todos os materiais. A estação de micro fluorescência de raios X (µ-xrf) consiste de um capilar projetado para repetibilidades e alta resolução angular, com completa capacidade translacional. Quatro estágios de translação linear podem ser mecanicamente efetuados com flexibilidade para efetuar movimentos de translação e rotação perpendicular ao eixo longitudinal do capilar. Movimentos de translação linear em um mesmo ponto, resultam em movimentos horizontais e verticais. Movimentos em diferentes posições resultam em deslocamentos angulares em relação ao capilar. O micro feixe é gerado com um fino capilar cônico com 13 mm de

3 diâmetro de abertura. A µ-xrf também inclue um detector de Si(Li) com uma janela de berílio com 8 mm, um microscópio ótico e estágios de posicionamento de amostras com liberdades X,Y,Z, qz Fig. 1, sendo todos os estágios totalmente controlados remotamente. O feixe de XRF cobre uma faixa de energia que vai de 4 até 23 kev com uma resolução em energia de DE/E = E para este propósito, a Si (111) e Si (220) duplo cristal (channelcut type) monocromador foi usado. 3. EQUIPAMENTOS E MATERIAIS Neste estudo foi usada micro fluorescência de raios X utilizando luz síncroton (µsrxrf). O Laboratório Nacional de Luz Síncroton (LNLS) está localizado em Campinas, Brasil. A energia do elétron dentro do anel de armazenamento é de 1,37 GeV com um campo do dipolo magnético de 1,65T, o qual produz um fóton com energia de 2.08 kev. A emitância natural é de 100 nm rad com uma freqüência de 3.2 MHz sendo o comprimento da máquina de 93.2 m. A fonte de radiação síncroton para a linha de XRF é a D09B formando uma curva de (15 o ) com o anel [4]. Os componentes da linha incluem uma janela de berílio de 125 µm para isolar o feixe na câmara de vácuo, um cristal monocromador, e uma mesa de posicionamento de amostras controlada por computador. As amostras foram posicionadas para irradiação em um plano de 0,5 µm em dois eixos (x,y) controlados remotamente. Um vídeo microscópio (manificação de 500 X) foi utilizado para posicionamento preciso da amostra em relação ao feixe. As medidas foram realizadas com a geometria padrão (45 o + 45 o ) conforme Fig.1 mostrando ao arranjo experimental. Capilar Microsc ópio Ótico Detector Amostra Figura 1. Arranjo experimental O espectro de fluorescência foi obtido utilizando-se um detector Si(Li) com resolução em energia no ar atmosférico de 165 ev até 5.9 kev. Para obtenção dos perfis de invasão em arenitos inconsolidados as superfícies polidas das amostras são posicionadas no porta amostra da linha de XRF e excitadas com um feixe de raios X em uma área de (200 X 200 µm). Desta forma, um pixel de 200 X 200 µm são feitos com um tempo de contagem para cada pixel de 60 s/passo com um passo também de 200 µm mantendo um alto fluxo de fótons excitando a amostra. Um espectro típico de um arenito inconsolidado é mostrado na Fig. 2. Neste estudo o objetivo é. Juntamente, com a análise do perfil de invasão, mapear e identificar os elementos componentes do reboco, no plugue, sendo que esta identificação fornecerá elementos para diferenciar entre o carbonato e os polímeros em termos de concentração e penetração. Podese então, obter informações sobre os danos causados somente pelos polímeros em relação aos danos causados pelo carbonato, e desta forma distinguir qual sólido causa mais dano.

4 10 4 Ca I Fe 10 3 Si Ar Contagens Counts 10 2 Cl K Mn Cu Zn Energia Energy (kev) Figura 2. Espectro típico de fluorescência de raios X de um arenito inconsolidado 4. AMOSTRAS DE ROCHA E FLUIDO O arenito inconsolidado foi construído com uma mistura de vários tipos de areia com diferentes granulometrias, que foram usadas para confeccionar amostras sintéticas de arenitos que simula a composição de poços inconsolidados de campos de petróleo gigantes situados na Bacia de Campos. Esta mistura de areias é colocada no simulador de interação rocha-fluido, aplica-se uma vibração, satura-se com água de formação sintética (formulação que simula a composição da água do mar encontrada na formação) e logo em seguida é aplicada uma pressão axial de 3500 psi para compactação da areia no simulador. O plugue de rocha tem propriedades físicas como: comprimento = 136 mm, diâmetro = 117 mm furo central = 9,52 mm, porosidade 36%, permeabilidade 2,6 D (Darcy), saturação ao óleo 86% e 14 % de água residual. O fluido de perfuração utilizado foi um à base de água e polímeros marcados, que usa CaCO 3 como agente obturante, goma xantana como viscosificante e polímero modificado como controlador de filtrado. Este tipo de fluido foi escolhido para os ensaios por ser o tipo atualmente, mais utilizado para perfuração horizontal na Bacia de Campos no Rio de Janeiro Preparação do Fluido (marcador de polímeros) Uma solução de iodo foi o marcador utilizado para o polímero, porque ele forma um complexo de cor azul intensa com o mesmo, Sendo este nosso ponto ótimo de mistura para a marcação do polímero [5]. A parte ativa do polímero é a amylase, um polímero do açucar α-d-glicose. Este polímero se apresenta como uma hélice em forma de espiral na qual pequenas moléculas podem se combinar. Na presença dos polímeros o I - das moléculas de iodo formam cadeias de I 6, que entram no centro da hélice de amilase. A cor azul escura do complexo iodo-polímero aparece da absorção visível devido à ligação das cadeias de I 6 dentro da hélice, mostrada na Fig. 3.

5 Figura 3. Esquema da estrutura do complexo iodo-polímero O uso do iodo como marcador para os polímeros foi efetuado da seguinte maneira: primeiro, o fluido de perfuração era confeccionado como a formulação padrão. Separadamente, os polímeros foram dissolvidos em água e a solução de iodo misturada a ela, até o ponto de viragem quando intensa cor azul aparece. E esta solução misturada ao restante do fluido padrão de perfuração Preparação das amostras Após os ensaios de dano os plugues de rocha são retirados da célula de alumínio do simulador, e colocados em uma caixa térmica para um pré-congelamento com gelo seco. Por 4 horas e logo em seguida o plugue de rocha era colocado em nitrogênio líquido por 15 min. O plugue congelado era então cortado com serra circular de aço em três partes iguais em forma de discos cilíndricos. Os discos foram colocados em moldes de alumínio com as aberturas inferior e superior dos moldes cobertos com uma tela. Após completa secagem os discos forma resinados com resina epoxi com o objetivo de preencher os poros do plugue com esta resina. Os moldes em seguida ao processo de resinagem eram colocados em estufa a 45 o C para completa cura da resina por mais 12 horas. Após a completa cura da resina os moldes de alumínio foram retirados, e os discos resinados forma cortados ao meio em duas partes iguais e identificadas em relação a suas posições. De cada parte foi retirada uma lâmina, que era colocada em uma máquina politriz computadorizada para obtenção de uma superfície polida. 5. INJEÇÃO DE FLUIDO Dentro do simulador os plugues de arenitos inconsolidados foram submetidos a pressões das mesmas magnitudes encontradas in-situ (poços de petróleo). A pressão de injeção de fluido foi de 500 psi por duas horas, tempo necessário para ocorrerem as interações rocha-fluido. Na engenharia de poços do CENPES/PETROBRAS, foi desenvolvida uma célula de alumínio que simula as interações rocha-fluido. A característica essencial deste equipamento é promover as interações rocha-fluido. Através de um sistema de circulação de fluido o mesmo é bombeado para dentro do plugue de rocha por um furo central simulando um poço de petróleo ou pelas laterais por drenos 180 o diametralmente opostos. Então, o fluido circula

6 com um fluxo que atenda as condições de similaridade dinâmica, temperatura e pressão encontradas em poços da bacia de Campos a uma determinada profundidade. O simulador para de interação rocha-fluido para arenitos inconsolidados é mostrado na Fig. 4 sendo constituído pelas seguintes partes: Área 1: Tanque de estocagem de fluido com sistema de aquecimento; Área 2: Bomba pneumática, alta pressão baixa vazão, que é responsável pela pressão e fluxo a recomendados para os ensaios; Área 3: As setas verdes indicam nas duas extremidades a pressão axial a que é submetida o corpo-de-prova; Área 4: Representa o poço no plugue de rocha por onde o fluido circula; Área 5: Representa o sistema de aquecimento da célula de alumínio que simula a temperatura de fundo de poço Figura 4. Diagrama do simulador 6. RESULTADOS E DISCUSSÕES Seguido a injeção de fluido (ensaio de dano), as amostras de arenitos inconsolidados polidas foram analisadas usando radiação por luz síncroton. É importante enfatizar, que a µsrxrf é uma técnica elementar que não pode detectar, por exemplo, o CaCO 3, mas detectar Ca (cálcio) que é o componente predominante do fluido de perfuração como agente obturante. Da mesma forma, ela não pode detectar o polímero, mas pode detectar o I (iodo) que é o marcador dos polímeros usados na formulação. Pode-se observar na Fig. 5A as interações rocha-fluido após os ensaios de dano mostrando a invasão de fluido dentro dos poros da rocha em destaque nas caixas amarelas. A Fig.5B mostra o arenito preservado região onde o fluido não invadiu. A B Figura 5 A e B. Lâminas polidas observadas ao microscópio com aumento de 500 X mostrando a região danificada e preservada.

7 Neste estudo nosso foco foi mapear e identificar o perfil de invasão do CaCO 3 e também os polímeros componentes do fluido, porque nos fluidos de perfuração eles são os formadores tanto do reboco externo, quanto do reboco interno e conseqüentemente os agentes causadores de dano mais importantes. A possibilidade da associação dos elementos da amostra com suas características de emissões por fluorescência nos permite estabelecer a relação entre as intensidades relativas e a concentração de cada elemento constituinte da amostra. Inicialmente, os métodos de análise quantitativos eram empíricos. As curvas de calibração [7,8] representavam os métodos mais populares devido a sua simplicidade e alta precisão. Nos dias de hoje, os espectros são analisados por programas, de maneira rápida e precisa, fornecendo resultados mais rápidos e precisos. Neste estudo foram feitas as caracterizações de duas amostras de fluido, na primeira foi utilizado um fluido de perfuração a base água completo com polímeros e carbonatos. E um segundo fluido utilizando uma base de fluido sem agente obturante. As amostras foram divididas em três regiões: parte de baixo (injeção de fluido), parte central e parte de cima (saída de fluido após pressurização), e de cada região foram retiradas duas lâminas em toda extensão do corpo-de-prova, diametralmente opostas. Para a formulação de um fluido completo, um fluido que contém polímeros e carbonatos o perfil de invasão é mostrado na Fig. 6. Neste teste o objetivo foi mapear e identificar o perfil de invasão dos polímeros representados pelo I (iodo) e do agente obturante Ca (cálcio) dentro do plugue após o ensaio de dano. No gráfico apresentado na figura 6 observa-se que a profundidade de invasão dos polímeros está em torno dos 22 mm e do agente obturante em torno dos 27 mm. O gráfico mostra também que a profundidade de invasão dos polímeros é um pouco menor que a do agente obturante. 1.20E E-03 Fluido Drill-in (polímeros marcados e CaCO 3) Fundo Intensidade Relativa contagens por minuto 8.00E E E-04 Iodo Cálcio 2.00E E Profundidade de Invasão (mm) Figura 6. Gráfico de invasão de fluido de perfuração completo O gráfico com o perfil de invasão para um fluido sem CaCO 3 é mostrado na Fig. 7, onde foi mapeado e identificado somente o iodo indicando a presença dos polímeros. O objetivo deste ensaio era o de verificar o comportamento do fluido, quando da retirada do agente obturante.

8 3.50E E-05 Fluido Drill-in (polímeros marcados sem CaCO 3) Fundo 1 Intensidade Relativa Contagens por Minuto 2.50E E E E-05 Iodo 5.00E E Profundidade de Invasão (mm) Figura 7. Gráfico de invasão dos polímeros marcados sem CaCO Pode-se observar que o perfil de invasão dos polímeros foi de cerca de 27 mm em relação ao furo representando o poço produtor. E que a adição de CaCO 3 diminui de forma significativa a concentração de polímeros, conforme pode ser notado pela área abaixo do gráfico dos polímeros representada ambos pela cor azul. Este fator é muito importante pois a remoção dos polímeros durante a fase de produção é muito difícil e de custos elevado devido à alta adsorção aos poros da rocha o que exige produtos específicos e de custo muito elevado. 7. CONCLUSÔES A técnica de µsrxrf por luz síncroton demonstrou ser uma ferramenta poderosa e eficiente para análise multi elementar para aplicações na industria do petróleo, porque ela foi capaz de identificar e mapear a profundidade de invasão do agente obturante e dos polímeros, que foram marcados com uma solução de iodo. Para esta análise o corpo-de-prova após o ensaio de dano foi resinado e teve sua superfície polida. Durante a análise do perfil de invasão por µsrxrf, como a profundidade dos polímeros diminui quando o fluido contém CaCO 3. Pode-se concluir que a distribuição granulométrica e a concentração do mesmos podem ter algum tipo de influência na profundidade de invasão dos polímeros. Outra conclusão importante observada quando da adição de CaCO 3 ao fluido. Há uma diminuição da profundidade de invasão dos polímeros além se tem um decréscimo em sua concentração. Fato este importante, pois sua remoção é muito difícil devido a sua grande absorção nos poros da rocha. Os polímeros apresentam grande tendência para a adsorção na superfície dos poros do meio poroso, menor mobilidade que os outros componentes sólidos do fluido. Este fato causa um retardo em relação à invasão de CaCO 3. Quando se faz uma comparação em relação às profundidades do perfil de invasão em um fluido com e sem carbonato a perda de carga (pressão de injeção) deve ser o fator preponderante na profundidade de invasão dos polímeros e carbonatos. Os polímeros causam muito mais dano que o carbonato, devido a sua difícil remoção por causa da elevada adsorção nos poros da rocha. Um grande número de partículas permanecem retidas nos poros da rocha. A adsorção destas partículas é função do reboco formado e da composição do fluido.

9 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o Laboratório de Instrumentação nuclear (LIN/COPPE-UFRJ) pelo suporte técnico e também ao CENPES/PETROBRAS que cedeu suas instalações e equipamentos utilizados na execução destes ensaios. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Navarrete, R.C., Himes, R.E., and Seheult, J.M., Applications of Xanthan Gum in Fluid- Loss Control and Related Formation Damage, paper SPE presented at the SPE Permian Basin Oil and Gas Recovery Conference, Midland, TX, Mar. pp 21-23, Wlaker, B. H. and Black, A.D., Dynamic Spurt-Loss Beneath an Oilfield Bit, paper SPE/IADC presented at the 1993 Drilling Conference, Amsterdam, The Netherlands, Feb , Anjos, M.J., Barroso, R.C., Pérez, C.A., et al., Elemental mapping of teeth using µsrxrf, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B 213, pp , Pérez, C.A.,. Radtke, M., Sánches, H.J., et al., X-ray Spectrometry no 28, pp , Bernasconi, G., Tajani, A., Quantitative X-ray Analysis System (QXAS) Software, Package: Documentation Version 1.2, International Atomic Energy Agency, Viena, Marshall, L.B., and Christian, G.D., A rapid spectrophotometric method for iodimetric α- amylase assay, Analytica Chimica Acta, 100, pp , L.S. Birks, X Ray Spectrochemical Analysis Interscience, New York, Chapter 7, R. Jenkins, An Introduction to X Ray Spectrometry, Heyden, London, 128, 1976.