ESTUDOS EXPERIMENTAIS SOBRE A AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES DE FLUIDOS DE PERFURAÇÃO EM MEIOS POROSOS ANISOTRÓPICOS

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1 3 a 6 de outubro de 0 Univeridade Federal Rural do Rio de Janeiro Univeridade Severino Sombra aoura RJ ESTUDOS EXPERIMENTIS SOBRE LIÇÃO DS PROPRIEDDES DE FLUIDOS DE PERFURÇÃO EM MEIOS POROSOS NISOTRÓPICOS. T.. WLDMNN, D. RODRIGUES, E.. SNTOS, F. S. JOSINO e. L. MRTINS Petrobra/Cenpe/Interação rocha luido awaldmann@petrobra.com.br BRTS Filtro Sinterizado daniel@brat.com.br RESUMO - Eventualmente durante a peruração da rocha reervatório trecho com heterogeneidade de permeabilidade podem er atraveado, epecialmente em reervatório carbonático, portanto, a avaliação da propriedade iltrante de luido de peruração em meio poroo aniotrópico é de extrema iortância para o projeto de luido para atender tai cenário. propriedade iltrante do luido de peruração ão normalmente avaliada em laboratório atravé de tete de iltração. Nete tete, o luido é preurizado contra um meio poroo inerte conolidado. O volume de luido que tranpaa o meio poroo é monitorado ao longo do teo. Para atender tai objetivo, oi realizado um etudo em parceria do CENPES com a BRTS, epecialita na abricação de meio poroo interizado, contelando o deenvolvimento e produção de meio poroo de aço interizado com aniotropia de permeabilidade. Ete trabalho aborda o método utilizado para a abricação do meio poroo e ilutra o reultado experimentai de iltração de luido de peruração em meio poroo aniotrópico. PLRS-CHE: aniotropia, ecoamento em meio poroo, luido de peruração e engenharia de petróleo. INTRODUÇÃO peruração de um poço de petróleo ocorre normalmente atravé da aplicação de peo e rotação na coluna, cuja extremidade etá acoplada a uma broca cortante. Simultaneamente, circula-e luido de peruração pelo interior do poço, de acordo com o eguinte caminho: o luido é injetado pelo interior da coluna, atravea o jato exitente na broca e retorna pelo epaço anular ormado pela parede do poço e a coluna de peruração. Uma da unçõe báica do luido de peruração é exercer preão hidrotática obre a ormaçõe permeávei, de modo a evitar a invaão de luido da ormação para o poço durante uma operação de peruração. O luido de peruração é um coonente undamental na contrução de um poço de petróleo e deve apreentar a eguinte caracterítica, além da citada anteriormente (Thomaz, 00):

2 não cauar dano à ormaçõe produtora; er bombeável, apreentar cuto coatível com a operação, etabilizar a parede do poço, mecânica e quimicamente; manter o ólido em upenão quando etiver em repouo; acilitar a eparação do ólido gerado pela broca (cacalho) em uperície e acilitar a interpretaçõe geológica do material retirado do poço; Manter a integridade íica do poço evitando um poível demoronamento da ormação, epecialmente a mai riávei; Liar o undo do poço, trazendo de volta à uperície o ólido gerado pela broca (cacalho); Reriar a broca e lubriicar a coluna de peruração. Durante uma operação de peruração a propriedade do luido devem er contantemente monitorada a im de garantir o curimento de ua unçõe. propriedade íica mai iortante e reqüentemente medida na onda de peruração ão a denidade, o parâmetro reológico, o parâmetro de iltração e o teor de ólido. Dierente tipo de luido ão utilizado para divera ae da peruração de um poço de petróleo. Durante a ae de peruração da rocha reervatório, ão utilizado luido chamado drill in, contituído por oluçõe polimérica com uma determinada concentração de ólido taonadore (agente obturante). técnica de peruração convencional conite em manter a preõe no poço ere uperiore à preõe na rocha reervatório de modo a evitar inluxo de luido nativo para dentro do poço. Tai inluxo acarretariam ério problema de egurança. Devido ao dierencial de preão poitivo entre o poço e a ormação poroa ocorrerá a iltração do luido pela mema, ormando uma torta de iltração de baixa permeabilidade na parede do poço enquanto que a ae líquida do luido invadirá o reervatório. O entendimento do proceo de iltração do luido de peruração e ua inluência no mecanimo de ormação da torta de iltração e dano à ormação têm atraído interee contínuo na engenharia de petróleo. O controle da iltração tem um coniderável iacto no cuto da operaçõe de peruração e na produtividade do poço. avaliação da propriedade iltrante de luido de peruração é normalmente realizada em laboratório atravé de tete de iltração etática padronizado. Nete enaio, um volume ixo de luido é poicionado obre um meio poroo (papel de iltro, cerâmica ou aço interizado), que poui uma única permeabilidade, e ubmetido a um dierencial de preão contante pré-etabelecido. O volume de luido que atravea o meio poroo é monitorado ao longo do teo. Figura ilutra o aparato experimental. Fluido Meio poroo Figura Equema experimental do wexperimento de iltração etática

3 Eventualmente durante a peruração da rocha reervatório trecho com heterogeneidade de permeabilidade podem er atraveado, epecialmente em reervatório carbonático, portanto, a avaliação da propriedade iltrante de luido de peruração em meio poroo aniotrópico é de extrema iortância para o projeto de luido para atender tai cenário. Para atender tai objetivo, oi realizado um etudo em parceria com a BRTS, epecialita na abricação de meio poroo interizado, que contela o deenvolvimento e produção de meio poroo de aço interizado com aniotropia de permeabilidade. METODOLOGI Para a viabilização do deenvolvimento e produção de meio poroo de aço interizado com aniotropia de permeabilidade oram utilizada dua abordagen ditinta: Coactação eparada de peça com dierente permeabilidade eguida de interização/ brazagem. Coactação única (dierente pó) eguida de interização. deejada. Coneqüentemente, epera-e que a metodologia deinida irva para um epectro alo de preõe e granulometria. O pare de permeabilidade deenvolvido oram o eguinte: 0 md e 00 md; 50 md e 500 md 75 md e 750 md 0 md e 750 md Conecção por intererência Dico e anel oram coactado eparadamente, montado num memo plano e recoactado para intererência. Figura 3 ilutra a metodologia propota. interização oi realizada na eguinte condiçõe: vácuo de 30 ºC a 300 ºC, por um teo de 30 a 60 minuto. deinição do valore de de, di e h arão parte do deenvolvimento. preõe P, P e P3, aociada ao pó deinirão a permeabilidade. O produto inal objetivado é ilutrado na Figura, a eguir. Trata-e de dico com 63,5 mm de diâmetro e 6 mm de epeura, com dua área iguai (,49 x 0-3 m ) para a quai a permeabilidade, deinida por α e α, ejam dierente. Figura 3 nel e dico coactado eparadamente, montado e re-coactado para intererência e ajute de altura Figura Dico com e α α BRTS já poui conhecimento para deinir a preõe e a granulometria do pó para obtenção da permeabilidade Conecção por coactação direta Nete cao oi realizada uma etapa de coactação obtendo-e uma peça a verde já na condiçõe próxima da objetivada. im, uma cavidade de matriz erá

4 preenchida com doi pó dierente, eparado iicamente, e coactado. O proceo é ilutrado na Figura 4. O coactado oram interizado na mema condiçõe já mencionada. Figura 8 Deenho equemático de iltração em meio poroo com ormação de torta, Maarani, 999. Figura 4 nel e dico coactado em uma única etapa Em ambo o cao, o interizado oram caracterizado iicamente (dimenional e permeabilidade) e microetruturalmente, com detalhamento da interace entre a dua regiõe com dierente permeabilidade. METODOLOGI MTEMÁTIC modelagem da iltração etática em meio poroo aniotrópico oi realizada com bae na modelagem de iltração para meio poroo homogêneo detalhada em Waldmann, 005. ormulação a eguir repreenta o ecoamento de um luido atravé de um meio poroo heterogêneo aturado, provocado por um dierencial de preão ioto. O luido por conter ólido, ao ecoar no meio poroo orma uma torta de iltração obre ua uperície, conorme ilutrado na Figura 8. O ecoamento de luido em meio poroo é comumente decrito pela Equação de Darcy (856): ( p ρ g) µ k q ρ + c q () k µ Onde k é a permeabilidade do meio poroo, µ é a vicoidade do luido, c é a contante de Forchheimer e Re é o número de Reynold que pode er deinido por: k q ρ Re () µ E q é a velocidade upericial do luido deinida por: q v ε (3) Para ituaçõe em que o ecoamento de luido no meio poroo é lento, ito é: c Re << (4) Nete cao, a orma quadrática exprea pela equação recai na orma linear, dada pela equação abaixo:

5 µ q k ( p ρ g) eguir, a ormulação etará particularizada para o ecoamento linear unidirecional atravé de um meio poroo heterogêneo aturado com a ae líquida do luido invaor. Eta ituação repreenta o experimento de laboratório no qual propriedade de iltração ão monitorada. principai hipótee coniderada na modelagem ão: epeura do reboco é deinida pela concentração de ólido e o volume iltrado. permeabilidade do reboco é contante. partícula ólida no luido (agente obturante) ão eérica, reultando em uma torta de poroidade 0,48. Eeito hidrotático ão deprezívei. O iltrado tem coortamento reológico newtoniano. Integrando a Equação (5) ao longo da torta e do meio poroo, coniderando a torta de iltração incoreível e o termo de orça de cao deprezível rente ao dierencial de preão ioto: h ( ) h t p µ q + (6) k k Para meio poroo em érie com dua permeabilidade ditinta podemo coniderar que a epeura e a permeabilidade média da torta de iltração podem er repreentada pela eguinte equaçõe (hmed, 000): h h ( + ) + h (5) (7) h + h (8) ( h + h ) Uma vez que a permeabilidade da torta de iltração é muito menor que a permeabilidade do meio poroo o primeiro termo do omatório entre colchete pode er pereitamente negligenciado. Portanto, a equação 6 pode er reecrita da eguinte maneira: h + h ( + ) p µ ( ) q (7) h + h h + h h ( t) + h ( t) ( ) p µ q (8) + Onde: Q q total total total d dt dh t dt (9) Subtituindo a deinição da Equação (9) na Equação (8) tem-e: p h dt µ ( t) + h ( t) ( + ) d (0) Poroidade é deinida como a ração volumétrica de vazio no meio poroo: p ε () + p Explicitando o volume poroo na Equação () tem-e: ε p () ε ( ) O volume de cada torta pode er deinido por: + h p (3) h p (4) + Subtituindo a Equação () na Equaçõe (3) e (4): h ε (5) h ε (6) Pode-e deinir a concentração de ólido como a ração volumétrica de agente obturante no luido: C (7) +

6 Com bae na expreão acima pode-e explicitar o volume de iltrado como: ( C ) ou: (8) C C (9) ( C ) Subtituindo a Equação (6) na Equaçõe (5) e (6), tem-e: h h T T ( C ) S ( C ( C ) S S ( C ) ε S ) ε (0) () Subtituindo a Eq. (0) e () na Equação (0): CS C S + p C S C ( ) S dt ε ( ) ε d µ + p dt µ C + S + C ( S) ε d () (3) plicando a condiçõe iniciai ( 0 em t 0) na Equação (4) temo C 0. p t µ Então: t + CS + ( CS ) ε + CS ( CS ) ε p total ( + ) µ (4) (5) Com bae na equação acima e na curva de volume de iltrado obtida atravé do enaio de iltração é poível etimar o valore de permeabilidade da torta de iltração para doi meio poroo imultaneamente. partir daí torna-e poível otimizar a propriedade do luido de peruração para minimizar a invaão de iltrado em cenário de reervatório com heterogeneidade de permeabilidade. RESULTDOS Inicialmente oram realizado enaio com uma olução de 80 % v/v de glicerina em água em meio poroo de aço interizado com permeabilidade ao ar de 50mD/500 md. igura 5 repreenta um do meio poroo enaiado. O enaio de iltração de oram realizado ob dierenciai de preão de 00 e 00 pi. Figura 5 Meio poroo aniotrópico de 50mD/500 md O tete realizado com um dierencial de preão de 00 pi e 00 pi motraram boa reprodutibilidade e nenhum problema experimental oi obervado durante o enaio. O enaio realizado em maiore dierenciai de preão apreentam maior volume de iltrado para um memo teo experimental, como já era eperado. Figura 6 e 7 ilutram a curva de iltração obtida com o tete realizado a 00 e 00 pi, repectivamente md 500 md 00 pi tete 00 pi tete Teo () Figura 6 - Curva de iltração em meio poroo aniotrópico de 50/500 md - 00 pi

7 pi tete 00 pi tete olume (ml) olume teórico (ml) Teo () Figura 7 - Curva de iltração em meio poroo aniotrópico de 50/500 md - 00 pi igura 8 e 9 motram a boa adequação do modelo propoto ao reultado experimentai. Para o enaio realizado ob o dierencial de preão de 00 pi a permeabilidade do meio poroo ao líquido etimada para o meu poroo de menor permeabilidade (50 md) oi de 4 md e para o meio poroo de maior permeabilidade (500 md) oi de 389 md. Já para o tete de iltração realizado a 00 pi a permeabilidade obtida oram repectivamente, md e 375 md. olume teórico (ml) olume experimental (ml) Figura 8 dequação da modelagem ao enaio experimentai 00 pi olume experimental (ml) Figura 9 dequação da modelagem ao enaio experimentai 00 pi dicionalmente oram realizado enaio de iltração em meio poroo iotrópico de 50 md e 500 md e em meio poroo aniotrópico de 50/500 md de permeabilidade, ob dierenciai de preão de 300 pi. O luido utilizado no enaio oi uma olução aquoa de goma xantana, amido e carbonato de cálcio. Novamente o tete apreentaram boa reprodutibilidade e nenhum problema experimental oi obervado. igura 0 e ilutram o enaio realizado no meio poroo iotrópico de 50 md e 500 md, repectivamente. Já a igura repreenta o reultado da curva de iltração obtido para o meio poroo aniotrópico de 50mD/500mD. olume (ml),0,8,6,4,,0 0,8 0,6 0,4 0, Experimento (50 md) Experimento (50 md) Teo () Figura 0 - Curva de iltração em meio poroo iotrópico de 50 md pi

8 7,0 6,0 5,0 Experimento (500 md) Experimento (500 md),4, Tete Tete Bietriz 4,0,0 3,0,0,0 olume (ml) 0,8 0,6 0,4 Figura - Curva de iltração em meio poroo iotrópico de 500 md pi,6,4 Experimento (50/500 md),,0 Experimento (50/500 md),8,6,4,,0 0,8 0,6 0,4 0, Teo () olume (ml) Teo () Figura - Curva de iltração em meio poroo iotrópico de 50mD/500 md pi Uma da idéia centrai do trabalho é de obervar e quantiicar a inluência do parâmetro de tete na permeabilidade da torta de iltração. Para etimativa da permeabilidade da torta de iltração oi utilizado o modelo decrito no item anterior. Para o enaio realizado em meio poroo iotrópico com permeabilidade ao ar de 50 md a permeabilidade da torta de iltração oi de,69 x 0-4 md, para o tete de iltração realizado em meio iotrópico de permeabilidade igual a 500 md a permeabilidade da torta de iltração etimada oi igual a 9,37 x 0-3 md. igura 3 e 4 motram uma curva de volume de iltrado experimental v volume previto pela modelagem propota. O reultado motram uma boa adequação da modelagem ao ponto experimentai. 0, 0, 0,4 0,6 0,8,0,,4 olume (ml) Figura 3 - Curva de iltração em meio poroo iotrópico de 50mD pi olume (ml) 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0,0,0 Tete Tete Bietriz,0,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 olume (ml) Figura 4 - Curva de iltração em meio poroo iotrópico de 500 md pi igura 5 ilutra a adequação do modelo ao ponto experimentai reerente ao enaio de iltração realizado com o meio poroo aniotrópico de 50 md/500 md. im como no demai tete o reultado oram atiatório. Para ete cao o valore de permeabilidade da torta de iltração etimado oram de,0 x 0-3 md e,7 x 0-3 md. O reultado ão intereante e motram o iacto da aniotropia na permeabilidade da torta de iltração. Nete cao a permeabilidade da torta etão na mema ordem de grandeza, o valore ão relativamente próximo e ão diretamente inluenciado pelo o ecoamento em paralelo no doi meio poroo com permeabilidade ditinta.

9 O valore de permeabilidade da torta de iltração etimado aqui tendem para um valor intermediário entre o valore etimado no cao iotrópico, o que iicamente é relevante uma vez que o ecoamento ore inluência da reitência do doi meio poroo. olume (ml),5,0,5,0 0,5 Tete Tete Bietriz 0,5,0,5,0,5 olume (ml) Figura 5 - Curva de iltração em meio poroo iotrópico de 50mD/500 md pi CONSIDERÇÕES FINIS travé do deenvolvimento em parceria com a BRTS, erea epecializada na conecção e produção de meio poroo em aço interizado, oi poível a produção de meio poroo que irão atender e ajudar na demanda de projeto de luido da PETROBRS no cenário de: Reervatório de baixa permeabilidade; Reervatório ubmetido a grande dierenciai de preão; Reervatório heterogêneo. O meio poroo ão eguramente coatívei com o experimento de iltração e nenhum problema experimental oi obervado. O reultado experimentai oram coerente e reprodutivo. modelagem apreentada para iltração em meio poroo aniotrópico motrou bon reultado uma vez que o reultado icaram bem próximo ao reultado experimentai. Uma nova matriz de enaio erá deenvolvida para realizaçõe de mai experimento em meio poroo com nova condiçõe experimentai, geometria dierente e com o eguinte range de permeabilidade: 0 md e 00 md 75 md e 750 md 0 md e 750 md NOMENCLTUR Área, m² C Concentração, m³/m³ h Epeura, in ou cm k Permeabilidade, md ou m² Q azão, m 3 / P Preão, Pa t Teo, olume, m³ q velocidade upericial, m/ ε Poroidade µ icoidade, Pa. Subcrito índice de torta de iltração Total índice de área total iltrado p partícula meio poroo ólido REFERÊNCIS HMED, T., 000, Reervoir Engineering Handbook, Houton, Etado Unido, ª Edição, Gul Proeional Publihing. DRCY, H., 856, Le Fontaine Publique de la ille de Dijon,. Dalmont, França. THOMZ, J. E. et al., 00, Fundamento de Engenharia de Petróleo, Rio de Janeiro, Brail, ª Edição, Editora Interciência. WLDMNN,. T.. (005), Mecanimo que Governam a Eetividade de gente Obturante no Controle da Invaão de Fluido de Peruração na Rocha Reervatório de Petróleo, Diertação de Metrado, PUC Rio, Departamento de Engenharia Mecânica, 96p. MSSRNI, G., 999, Fluidodinâmica em Sitema Particulado, Rio de

10 Janeiro, Brail, ª Edição, Editora UFRJ