DESENVOLVIMENTO E VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL DE PROCEDIMENTOS DE CONTROLE DE POÇO EM SITUAÇÕES ESPECIAIS. Marcello Marques

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1 DESENVOLVIMENTO E VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL DE PROCEDIMENTOS DE CONTROLE DE POÇO EM SITUAÇÕES ESPECIAIS Marcello Marques TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA OCEÂNICA. Aprovada por: Dr. Heitor Rodrigues de Paula Lima, Ph.D. Prof. Átila Pantaleão Silva Freire., Ph.D. Dr. Antônio Carlos Vieira Martins Lage, Ph.D. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL MARÇO DE 2004

2 MARQUES, MARCELLO Desenvolvimento e validação experimental de procedimentos de controle de poço em situações especiais [Rio de Janeiro] 2004 XII, 83 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M. Sc., Engenharia Oceânica, 2004) Tese - Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE 1. Controle de poço 2. Perfuração I. COPPE/UFRJ 11. Título (série)

3 Resumo da Tese apresentada a COPPEAJFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.) DESENVOLVIMENTO E VALIDAÇAO EXPERIMENTAL DE PROCEDIMENTOS DE CONTROLE DE POÇO EM SITUAÇÕES ESPECIAIS Marcello Marques Orientadores: Theodoro Antoun Netto Heitor Rodrigues Lima. Programa: Engenharia Oceânica As técnicas convencionais de controle de poço já estão bem assimiladas pela indústria de petróleo, tendo sido testadas e validadas em vários casos reais registrados na literatura. Entretanto, não existe consenso sobre alguns procedimentos para situações especiais durante a perfuração: cenários de águas ultraprofundas, coluna de perfuração acima do fundo ou totalmente fora do poço, furo na coluna, etc. A literatura especializada registra poucos exemplos de campo, muitas vezes apenas simulações computacionais de certas técnicas especiais. Atualmente, alguns métodos não-convencionais de controle de poço, especialmente os métodos volumétricos (estático e dinâmico), muitas vezes não são aplicados em situações potencialmente favoráveis por não haver um conhecimento adequado sobre estes, tanto na literatura como na experiência operacional. Em função de cenários atuais de perfuração na Bacia de Campos, principalmente em grandes lâminas d'água, onde as pequenas margens de tolerância ao kick restringem a utilização de métodos convencionais, verifica-se a necessidade de se avaliar quantitativamente o comportamento das pressões ao longo do poço durante a aplicação destes métodos não-convencionais. Este trabalho contempla o desenvolvimento e realização de um programa de testes experimentais visando analisar o desempenho dos Métodos Volumétricos Estático e Dinâmico, bem como o Método do Sondador e variações, para os cenários de poços em terra e poços em águas profundas. Os testes foram realizados usando como o fluido de perfuração lama base água de alta viscosidade.

4 Abstract of Thesis presented to COPPEAJFRJ as a partia1 fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M. Sc.) DEVELOPMENT AND EXPERIMENTAL VALIDATION OF WELL CONTROL PROCEDURES IN SPECIAL SITUATIONS Marcello Marques March/2004 Advisors: Theodoro Antoun Netto Heitor Rodrigues Lima. Department: Ocean Engineering Well control conventional techniques were well assimilated by petroleum industry, have being tested and validated in many literature registered real cases. Anyway, there is not a consensus about some procedures in special situations during drilling: ultradeepwater situation, drill pipe above the bottom hole or completely out of hole, hole in the drill string, etc. A few field exarnples are registered in specialized literature, in most of cases only a computational simulation of specific techniques. Actually, some non-conventional well control methods, specially the volumetric methods (static and dynamic), are not used in potential favorable situation because there is not a better knowledge about these procedures in field experience and in the literature. Because of the actual Campos Basin drilling scenario (specially in ultra deepwater, where the small kick tolerance rnargin limits the well control conventional methods) is necessary the pressure behavior evaluation during the application of well control nonconventional procedures. This work explains the development and implementation of an experimental test program wishing to analyze the Volumetric Methods progress well as the Driller's Method (and its variations). Two scenarios are described: onshore wells and offshore deepwater wells. The tests were realized using high viscosity water base mud.

5 A meu Pai, por me mostrar que honestidade e inteligência sempre devem prevalecer na vida de qualquer pessoa. A minha Mãe, por me ensinar a diferença entre o certo e o errado que sempre guiou minha vida. A minha esposa, pelo carinho, paciência e apoio tão importantes nos momentos que mais precisei.

6 Agradecimentos A Deus, por iluminar meu caminho e permitir tantas realizações em minha vida. A minha família, sem a qual nada conseguiria. A ANP, pelo apoio financeiro para a realização deste trabalho. Aos meus orientadores, por me mostrarem o caminho das pedras. Aos amigos do mestrado: João Carlos, Rafael, Silvia, Janaina, Adriana, Maurício, Luís, Sidnei, Mario, Silvestre. Ao Eng. Paulo Hora Andrade Jr., pela oportunidade de realizar este trabalho no Poço- Laboratório. A toda a Equipe do Poço Laboratório da Petrobrás em Taquipe: Valter, Walcir, Jairo, Romualdo, Alberto, Femando.

7 Indice 2 OPERAÇÃO DE PERFURAÇÃO Influxos (Kicks) Situações especiais em perfuração Equipamentos de controle de poço 17 3 CONTROLE DE POÇO Comportamento do gás no poço Fundamentos teóricos de controle de poço Método do sondador Métodos volumétricos Métodos propostos 37 4 o POÇO-LABORAT~RIO Sistema de aquisição de dados Layout do poço Layout de superfície 46 5 TESTES EXPERIMENTAIS Procedimentos de realização de experimentos Cenário 1: poço sem coluna Cenário 2: broca a 490 m Cenário 3: broca no fundo (configuração submarina) Movimento do gás no poço 58 6 RESULTADOS Poço sem coluna Broca a 490 m Broca no fundo do poço 74 7 ANÁLISE DOS RESULTADOS Poço sem coluna 83 vii

8 7.2 Broca a 490m Broca no fundo do poço 85 8 CONCLUSOES 89 9 BIBLIOGRAFIA 91 APÊNDICE 93 A. 1. Definições básicas 93

9 Indice de fiauras Figura Sonda de perfuração 4 Figura Perfuração do poço 5 Figura Revestimentos cimentados 6 Figura Kick 7 Figura Variação de volume do gás com a profundidade 7 Figura Contaminação da lama por gás 1 O Figura Perda de circulação 13 Figura Broca acima do fundo 14 Figura Broca entupida 16 Figura Coluna furada 16 Figura Sistema Diverter 17 Figura Conjunto BOP para poço terrestre 18 Figura BOP anular 18 Figura BOP de gavetas 19 Figura Gavetas cega e cisalhante 20 Figura Carretel de perfuração 20 Figura Choke manfold 21 Figura Válvula de choke (corte transversal) 22 Figura Migração de gás com o poço fechado 26 Figura Migração de gás com o poço aberto 27 Figura Riser e linhas de kill e choke 28 Figura Janela operacional entre pressão de poros e de pressão de fratura 28 Figura Circuito hidráulico durante perfuração 29 Figura Circuito hidráulico durante controle de kick 3 O Figura Determinação de SICP e SIDPP 31 Figura Método do Sondador: Primeira circulação 32 Figura Método do Sondador: Segunda circulação 33 Figura Método Volumétrico Estático: Migração do gás 34 Figura Método Volumétrico Estático: pressões na Ia etapa 35 Figura Método Volurnétrico Estático: Top kill 36 Figura Método Volumétrico Estático: pressões na 2"etapa 37

10 Figura Método volurnétrico dinâmico 38 Figura Método volumétrico dinâmico, circulando através da broca 39 Figura Injeção pela linha de kill e pela coluna simultaneamente 40 Figura Vista aérea da sonda SC-72 do Poço-Laboratório de Taquipe - BA 41 Figura Tela do sistema de controle e aquisição de dados. 43 Figura Layout do Poço 44 Figura Layout geral do sistema de superfície 47 Figura Comportamento de fluido newtoniano 52 Figura Comportamento de fluido binghamiano 53 Figura Comportamento de fluido de potência 54 Figura Comportamento de fluido de potência modificado 55 Figura Cenário 1: poço sem coluna 57 Figura Cenário 2: broca acima do fundo do poço 57 Figura Cenário 3: configuração submarina com broca no fundo 58 Figura Posição dos sensores e pontos de interpelação 59 Figura Gráficos gerados pelo Sistema de Aquisição de Dados 63 Figura Acompanhamento da subida do gás no poço 64 Figura Gráficos gerados pelo Sistema de Aquisição de Dados 66 Figura Acompanhamento da subida do gás no poço 67 Figura Gráficos gerados pelo Sistema de Aquisição de Dados 69 Figura Acompanhamento da subida do gás no poço 70 Figura Gráficos gerados pelo Sistema de Aquisição de Dados 72 Figura Acompanhamento da subida do gás no poço 73 Figura Gráficos gerados pelo Sistema de Aquisição de Dados 75 Figura Acompanhamento da subida do gás no poço 76 Figura Gráficos gerados pelo Sistema de Aquisição de Dados 78 Figura Acompanhamento da subida do gás no poço 79 Figura Gráficos gerados pelo Sistema de Aquisição de Dados 81 Figura Acompanhamento da subida do gás no poço 82

11 r Indice de tabelas Tabela 1 - Relação de símbolos utilizados Tabela 2 - Fatores de conversão para unidades SI Tabela Situações especiais durante a perfuração 2 Tabela Composição da coluna de perfuração 45 Tabela Disposição dos sensores de fundo 46 Tabela Circuito hidráulico de superfície 46 Tabela Cenários a serem testados 4 8 Tabela Propriedades do fluido de perfuração 5 1 Tabela Modelos e parâmetros reológicos do fluido utilizado 56 Tabela Padrões de cores dos gráficos 6 1 xii xii

12 Símbolos e unidades Tabela 1 - Relação de símbolos utilizados I Símbolo I Significado I I Bottom-Hole Pressure I Pressão no fundo do poço I BOP I Blowout Preventer I Preventor de blowout 1 ECD MD PIC I PRC SICP SIDPP ROP TVD Equivalent Circulating Density Measured Depth Shut-in Casing Pressure Shut-in Drill Ppe Pressure Rate of Penetration True Vertical Depth Densidade equivalente de circulação Profundidade medida Pressão inicial de circulação / Pressão reduzida de circulação Pressão de fechamento no revestimento Pressão de fechamento na coluna de perfuração Taxa de penetração Profundidade real Força Tabela 2 - Fatores de conversão para unidades SI Grandeza Unidade Fator / Comprimento I ft lbf Unidade SI correspondente N Pressão / Temperatura I "F I ("F-32)ll.g I / Tempo I min I 60 I Viscosidade dinâmica I cp I Volume psi Pa gal x 10" 1 m3 gpm - Galão americano (gal) por minuto (min). scfm - Pé cúbico (ft3) por minuto (min) padrão - a temperatura de 60 F e pressão de psia (20 C e 1 atm). ppg - Libra-massa (lbm) por galão (gal). psia l psig- As letras a e g distinguem entre pressão absoluta e pressão manométrica (gage), respectivamente; psia é obtido a partir de psig ao se adicionar o valor da pressão atmosférica. xii

13 1 Introdução Um blowout pode ser definido como a produção descontrolada de fluidos da formação para a superfície (surface blowout) ou subsuperficie (underground blowout), com pressão suficiente para causar danos aos equipamentos e a própria plataforma e colocar em risco os operários e técnicos da sonda. Um blowout não acontece repentinamente, mas se desenvolve gradualmente a medida que a pressão hdrostática da coluna de fluido de perfuração cai abaixo do nível necessário para equilibrar a pressão dos fluidos do reservatório. Quando estes fluidos entram no poço, este é dito estar em kick. Se o kick não é detectado e interrompido em tempo hábil, ocorrerá um escoamento incontrolado de hidrocarbonetos, determinado na literatura técnica como blowout. Todo poço pode entrar em kick desde que: 1) A densidade do fluido de perfwação seja menor que a necessária para gerar uma pressão hdrostática suficiente para equilibrar a pressão da formação e 2) A relação k/p (permeabilidade da rocha / viscosidade do fluido da formação) permita o escoamento em meio poroso. Se uma formação com pressão anormalmente alta é encontrada durante a perfuração e a equipe de sonda não tiver conhecimento prévio desta área, fatalmente ocorrerá também um kick. Devido a esta possibilidade, todo poço é equipado com um equipamento especial, chamado BOP (blowoutpreventer), que consiste em um conjunto de válvulas que podem ser operadas hidraulicamente ou manualmente, projetadas para conter possíveis kicks. Uma vez que o poço é fechado, a equipe de perfuração pode preparar um plano para controlar o poço, circulando os fluidos invasores e substituindo a lama original por outra mais densa. De acordo com a situação em que se encontra a operação, um método de controle de poço é mais indicado que outro, em outros casos, apenas um se aplica. Em função de cenários atuais de perfuração nas Bacias de Campos e Espírito Santo, principalmente em grandes profundidades d'água, onde as pequenas margens de tolerância ao kick restringem a utilização de métodos convencionais, verifica-se a necessidade de se estudar os métodos chamados de não-convencionais e avaliar, qualitativa e quantitativamente, o comportamento das pressões ao longo do poço durante a aplicação destes métodos.

14 A Tabela 1-1 apresenta algumas destas situações, os métodos usados atualmente (chamados de convencionais) e os métodos propostos. Situação Poço sem coluna Broca posicionada no fundo do poço (alta profundidade d'água) Tabela Situações especiais durante a perfuração Método convencional Métodos volumétricos (estático e dinâmico) Broca posicionada a Método volurnétrico Método acima do fundo do estático até a broca + dinâmico, I Poço I método do sondador pela broca Método do sondador Método proposto *Métodos volumétricos (estático e dinâmico) volumétrico circulando Método do sondador modificado Método dinâmico volumétrico * Neste caso não existem métodos propostos, apenas um estudo mais detalhado dos métodos convencionais. Na situação do poço sem coluna, deseja-se entender melhor o comportamento do gás ao longo de sua retirada do poço, tanto no método volumétrico estático quanto no dinâmico. Com a broca acima do fundo do poço, pretende-se mostrar que o método volumétrico dinâmico circulando pela broca é mais fácil de ser implementado, em comparação ao método volumétrico estático até a broca + método do sondador. O método proposto é mais simples de executar, pois apenas uma operação é executada do início ao fim (e não dois métodos em seqüência) e não há a necessidade de monitorar a subida do gás no poço. Quando se está perfurando um poço em grande profundidade d'água com a broca no fundo do poço (a situação especial se deve apenas a grande profundidade), usando-se método do sondador corre-se o risco de descontrole do poço no momento que o gás entra na linha de choke por causa da brusca queda de hidrostática que ocorre ao se substituir a coluna de lama nesta linha por praticamente 100% de gás (podendo induzir novo kick). Logo depois disso, com a saída do gás, esta coluna de lama retoma e rapidamente a hidrostática dá um salto (podendo causar a fratura da formação). Os dois métodos propostos tentam evitar este fenômeno ao garantir que durante todo o processo a linha de choke estará preenchida por lama. A partir de testes experimentais, em escala real, executados no Poço-Laboratório da Petrobrás onde foram simulados os cenários acima citados, pode-se fazer uma

15 comparação quantitativa destes métodos de controle de poço bem como da aplicabilidade ou não dos métodos propostos.

16 A perfuração de um poço de petróleo é realizada através de uma sonda conforme mostrado na Figura 2-1. Na sonda de perfuração estão instalados todos os sistemas necessários a operação de perfuração: geração de energia, transporte e movimentação de cargas, circulação de fluido de perfuração, etc. Cabo de pmfuraçiio "-Bloco Torre de coroamento -- Bomba de lama Coluna de pmfuraçiio Figura Sonda de perfuração Na operação de perfuração é usado o sistema rotativo, onde as rochas são perfuradas pela combinação da ação de rotação e peso aplicados a uma broca instalada na extremidade de uma coluna de perfuração, como mostrado na Figura 2-2. Esta coluna é formada por tubos com parede de grande espessura (comandos) e tubos com parede de pequena espessura (tubos de perfuração).

17 Bomba de kma fi dekma Tanque Figura 2-2 -Perfuração do poço Durante a perfuração também é preciso remover de forma continua os fragmentos da rocha cortada pela broca. Para esta tarefa utiliza-se o artifício de circular um fluido de perfuração, ou lama, com o objetivo de transportar os cascalhos até a superficie, onde é peneirado para posterior retomo ao tanque (Figura 2-2). O fluido é injetado por uma bomba de deslocamento positivo através da coluna de perfuração e retoma a superfície através do espaço anular entre a coluna de perfuração e as paredes do poço, passando pelo interior do riser de perfuração e chegando ao tanque de lama - onde pode ser bombeado novamente. Outra função da lama 6 garantir pela pressão hidrostática por ela exercida que nenhum fluido do reservatório escoe para o interior do poço. Após a broca atingir uma determinada profundidade, retira-se a coluna de perfuração do poço e uma coluna de revestimento de aço com diâmetro inferior ao da broca é introduzida no poço. A região entre o revestimento e as paredes do poço é preenchida com cimento de modo a isolar as rochas cortadas e permitir o avanço da perfuração com maior segurança, como pode ser visto na Figura 2-3. Esta operação é denominada cimentação.

18 Tubo condutor Revestimento de superficie Revestimento intermediário Revestimento de produção Figura 2-3 -Revestimentos cimentados Após a cimentação, a coluna de perfuração é descida novamente no poço. Desta vez, a extremidade da coluna possui uma nova broca de diâmetro inferior ao revestimento recém-instalado. Reinicia-se, desta maneira, a operação de perfuração até que se atinja o próximo ponto determinado para instalação de novo revestimento. A operação de perfuração é composta, portanto, de várias etapas caracterizadas pelos diferentes diâmetros das brocas usadas. 2.1 Influxos (Kicks) Influxo é definido como o escoamento indesejável de certa quantidade de fluido do interior da formação para o interior do poço, como visto na Figura 2-4. Este fluido pode ser óleo, hgua, gás ou sua mistura. O influxo de óleo ou água, apesar de indesejado, é de fácil controle e não apresenta maiores riscos. O maior perigo ocorre com o influxo de gás, uma vez que, ao contrário do óleo e da água, é um fluido compressível. Por possuir densidade bem inferior ao do fluido de perfuração, o gás tende a migrar até a superfície por efeito gravitacional. Conforme sobe, tende a aumentar de volume, uma vez que a pressão hidrostática diminui com a aproximação da superfície. Esta expansão volumétrica não-linear é mais pronunciada quanto mais próximo da superficie, conforme pode ser visualizado na Figura 2-5 [I].

19 Figura Kick Esta particularidade de comportamento toma muito mais perigoso o influxo de gás, uma vez que sua expansão ao longo de seu deslocamento ocasiona expulsão de cada vez mais liquido do poço, ou seja, a pressão hidrostática no fundo do poço tende a cair cada vez mais rápido. Esta queda de pressão aumenta o desequilibrio entre a pressão da formação e a pressão do poço, acarretando.r em maior vazão de influxo. Desta maneira o influxo tem a tendência de se tomar um blowout, ou seja, um escoamento contínuo e descontrolado de fluido da formação para o interior do poço [l] Volume de gas Figura 2-5 -Variação de volume do gás com a profundidade Causas de kicks Em geral, existem três causas básicas de influxos: A pressão no fundo do poço é menor que a pressão de poros da formação, causado pela diminuição do nível hidrostático no interior do poço;

20 A pressão no fundo do poço é menor que a pressão de poros da formação, causado pela diminuição da densidade da lama no interior do poço; A pressão de poros da formação é anormal, ou seja, é maior que a prevista. Existem várias situações que podem levar a uma destas causas de influxo: Falta de "ataque" ao poço durante manobras Esta é uma das mais frequentes causas de kicks. A operação de manobra em que a coluna é retirada do poço deve ser feita de tal maneira que, ao mesmo tempo em que o tubo de perfuração é içado, compensa-se com lama o volume correspondente de aço removido do poço. Caso esta medida não seja devidamente adotada, ocorrerá queda da pressão no fundo do poço causada pela diminuição do nível de líquido dentro do poço, podendo levar, assim, a um influxo. Durante a manobra, o volume de lama a ser injetado no poço é monitorado pelo tanque de manobra. Por ter uma seção transversal menor que os tanques de lama, esse tanque permite um acompanhamento mais preciso do seu volume, uma vez que uma pequena variação de volume implica em pronunciada variação de nível de líquido Pressão de poros da formação acima do normal Se o poço a ser perfurado pertence a um campo ainda desconhecido, onde suas características principais ainda estão para serem definidas, é possível se deparar com uma situação onde a pressão de poros do reservatório a ser estudado seja maior que o normal. Numa situação desta, a pressão hidrostática da lama de perfuração pode não ser suficiente para evitar um influxo Pistoneio É a redução da pressão no poço causada pela retirada da coluna de perfuração. Este fenômeno pode ocorrer de duas maneiras: Pistoneio mecânico: a causa da redução da pressão é a remoção mecânica do fluido de perfuração para fora do poço devido ao acúmulo de material (enceramento) na broca ou nos estabilizadores. Este tipo de pistoneio manifesta-se pelo retorno de líquido na superfície e possível aumento na tração durante a retirada da coluna. Pistoneio hidráulico: a causa da redução da pressão é a indução de perdas de carga por fricção através do movimento descendente do fluido de perfuração que ocupará o espaço deixado abaixo da broca devido a retirada da coluna de perfuração.

21 O pistoneio hidráulico depende das propriedades reológicas da lama, da geometria do poço e da velocidade de retirada da coluna. A Equação 2-1 mostra a variação de pressão devido a perda de carga por fricção para um espaço anular (fluxo laminar) segundo o modelo Binghamiano [I]: onde: AP é a redução de pressão abaixo da broca, em psi; LCoi é o comprimento da coluna de perfuração, em m; TI é o limite de escoamento da lama, em lbfl100 ft2; d, é o diâmetro do poço ou interno do revestimento, em polegadas; di é o diâmetro externo do tubo de perfuração, em polegadas; pp é a viscosidade plástica da lama, em cp; Vret é a velocidade de retirada da coluna, em mímin. Para evitar este problema, adota-se a Margem de Segurança de Manobra (MSM) na massa específica da lama utilizada. Esta margem é simplesmente um acréscimo no valor da densidade da lama, e pode ser avaliada no início da manobra, que é o instante mais desfavorável, definida pela Equação 2-2 [I]: onde: MSM = 2 AP 0,17 D MSM é a margem de segurança de manobra, em lbdgal; AP é a redução de pressão abaixo da broca, em psi; D é a profundidade do poço, em m. Uma outra medida preventiva é a redução da viscosidade da lama a valores mínimos possíveis antes da manobra ser realizada elou controlar a velocidade de retirada da coluna de perfuração Contaminação da lama por gás A contaminação da lama por gás pode causar uma redução de sua densidade e, como conseqüência, a diminuição da pressão hidrostática no fundo do poço. Diz-se que a lama está "cortada" por gás (Figura 2-6).

22 Figura Contaminação da lama por gás A redução de pressão hidrostática pode ser estimada pela Equação 2-3 [I]: onde: AP é a redução de pressão no ponto considerado, em psi; p, é a massa especifica da lama, em lbdgal; p,, é a massa especifica da lama cortada por gás, em lbtnígal; Ph é a pressão hidrostática no ponto considerado, em psia Detecçáo de kicks A eficiência dos procedimentos de controle de kick está na rapidez da descoberta do influxo e na certeza de que o que está ocorrendo é um kick realmente. A rapidez na detecção está associada ao volume de influxo que se permite entrar no poço. Quanto mais rápido se percebe que está ocorrendo o kick, menor o volume de fluido invasor, mais rápido e mais seguro será a sua remoção. A certeza pela equipe de sonda de que se está sob um kick evita atraso com a parada desnecessária da perfuração para ataques a kicks inexistentes, além de permitir a pronta resposta para aplicar os procedimentos de controle do poço. Desta maneira, pode-se diminuir o volume do influxo e reiniciar a perfuração em menor tempo Aumento de volume nos tanques de lama O aumento no volume dos tanques é um dos indícios mais positivos de kick. Deste modo, o medidor de volume nos tanques deve sempre estar em perfeitas condições de funcionamento para garantir a detecção de um kick o mais rápido possível.

23 No caso de formações de baixa permeabilidade é através do aumento no volume dos tanques que provavelmente o kick será descoberto. Com a entrada do influxo no poço, mais lama será expulsa de maneira lenta, com baixa vazão, de modo que depois de determinado tempo poderá ser notado um certo acréscimo no nível de lama dos tanques. Para evitar falsos alarmes, o químico ou responsável deve avisar antecipadamente sobre manobras de válvulas que causem mudanças no nível dos tanques. Em caso de unidades flutuantes, os responsáveis pelos guindastes também deverão avisar quando do movimento de cargas, pois a inclinação da embarcação afeta os medidores de nível. Para melhor precisão na monitoração do volume dos tanques de lama, recomenda-se a utilização de mais de um sensor por tanque Aumento na vazão de retorno de lama O aumento na vazão de retorno é o primeiro indicador de kick em formações de média e alta permeabilidade, assim o medidor no retomo doflow line deve sempre estar funcionando corretamente. Com a entrada do influxo no poço, mais lama será expulsa de maneira a aumentar a vazão de retomo. Se a formação for de alta ou média permeabilidade uma vazão razoável será apresentada pelo fluido do reservatório e um acréscimo significativo na vazão de retorno poderá ser detectado. Deve-se sempre verificar se oflow line está livre de detritos que possam obstruir o perfeito funcionamento do medidor de vazão de retorno Fluxo com bombas de lama desligadas O escoamento de lama com as bombas desligadas é um indício positivo de kick, e como tal o poço deve ser fechado imediatamente. Umflow check negativo não é, no entanto, garantia de não existência de influxo no poço, pois no caso de influxo durante manobras pode ocorrer kick e oflow check indicar negativo. Já durante a perfuração, umflow check negativo dá a certeza de não existir influxo. Nas sondas flutuantes não se recomenda oflow check para se confirmar um indício de kick, mas sim proceder ao fechamento do poço e monitorar as pressões e, caso haja crescimento de pressão, tem-se a confirmação de um kick (pressure check) [2]. Durante o tempo que é efetuada a operação deflow check, o volume do influxo está aumentando (caso exista o kick) o que toma o controle mais crítico.

24 Porém, deve-se fazer flow checks preventivos sempre antes de se iniciar um procedimento menos seguro quanto ao kick, como, por exemplo, a passagem de instrumentos conectados a coluna pelo BOP, início de manobras, etc Diferença dos volumes de aço e de fluido durante manobras Durante a manobra o tanque de manobra (trp tank) deve estar sempre operacional, tanto para manter o poço cheio como também monitorar os volumes trocados com o poço. Assim, na descida da coluna o trip tank deve indicar um aumento correspondente ao volume de aço colocado no poço e durante a retirada, o trp tank deve indicar uma queda correspondente ao volume do aço retirado do poço. Na situação em que o volume de lama retomado é maior que o volume de aço descido ou que o volume de lama injetado é menor que o volume de aço retirado, pode estar ocorrendo um kick Aumento da taxa de penetração Quando todos os fatores que afetam a taxa de penetração são mantidos constantes e um aumento consistente neste parâmetro é observado, é provável que uma zona de transição (trecho onde ocorre mudança de tipo de formação rochosa) esteja sendo perfurada. Assim, o aumento da taxa de penetração causado pela redução do diferencial de pressão sobre a formação pode ser usado como um indicador de pressão anormalmente alta (PAA). Além disso, a normalização da taxa de penetração em relação a rotação da broca, peso sobre a broca, diâmetro da broca e densidade da lama é utilizada na indústria do petróleo para se estimar a magnitude da pressão de poros da formação. O expoente d, é um dos métodos de normalização da taxa de penetração mais empregados no campo para detecção e estimativa de pressões anormalmente altas. Ele é definido pela Equação 2-4 [llcomo: onde: N é a velocidade de rotação, em rpm; R é a taxa de penetração, em Wh; W é o peso sobre a broca, em lbmf; D é o diâmetro da broca, em polegadas;

25 pn é o peso específico da lama anterior, em Ibmigal; pm é o peso especifico da lama atual, em Ibmlgal. 0s valores de d, calculados em zonas de folhelhos normalmente pressurizados são lançados num gráfico cartesiano em função da profundidade para definir uma linha reta chamada de tendência de pressão normal onde os valores do expoente d, calculados aumentam linearmente com a profundidade. Quando uma zona de transição é encontrada, os valores calculados para d, começam a diminuir indicando o início de uma zona de pressão anormalmente alta. 2.2 Situações especiais em perfuraçáo São definidas como situações especiais durante a perfuração os eventos incomuns que comprometam a segurança da operação ou causem sua interrupção. Tais situações geralmente são potenciais causas de influxos ou, caso ocorram durante o controle de um influxo, dificultam o seu combate. A seguir algumas destas situações são explicadas Perda de circulação Durante a operação normal de perfuração, quando da passagem da broca por uma formação rochosa mais frágil, pode ocorrer o rompimento da formação pelo fluido de perfuração, conforme ilustrado na Figura 2-7. Figura 2-7 -Perda de circulaçáo Desta maneira, o fluido bombeado para dentro do poço não retoma a superficie, invade esta formação mais fraca. Para que isto ocorra, é necessário que a pressão do fluido de perfuração seja superior a pressão de fratura desta formação. Uma conseqüência deste fenômeno é a redução da pressão no fundo do poço exercida pelo fluido, o que pode causar um influxo.

26 Outro problema é a ocorrência de perda de circulação durante o controle de um influxo. Neste caso, pode ocorrer novo influxo e, se as providências adequadas não forem tomadas a tempo, este influxo tem o potencial de se tomar um blowout. Perda de circulação é geralmente notada pela equipe da sonda ao se comparar as vazões de bombeio e retomo de lama. Percebendo-se que há uma vazão de retomo menor que a vazão bombeada, pode-se estar em situação de perda de circulação. Caso seja detectada esta situação, a lama usada é modificada com a mistura de aditivos adequados. Uma maneira de prevenir tal problema é a utilização de tipo de fluido de perfuração mais adequado (que contenha tais aditivos) de acordo com a região onde o poço será perfurado, onde se saiba que estas formações mais frágeis possam existir Broca acima do fundo Durante uma operação de manobra em que a coluna deve ser retirada ou colocada no poço - seja para troca da broca, para inicio da operação de cimentação, ou por qualquer outro motivo que exija esta manobra - haverá momentos em que a broca deverá permanecer acima do fundo do poço, ver Figura 2-8. Figura Broca acima do fundo A ocorrência de um kick neste momento é um problema mais delicado do que durante a perfuração, uma vez que não há como injetar fluido diretamente no fundo do poço. Isto pode acarretar um tempo maior necessário para a eliminação do kick, visto que a injeção de liquido, nesse caso, não se dá por baixo do influxo - como no método do sondador - o que aceleraria sua velocidade de migração durante a sua retirada.

27 2.2.3 Lâmina d'bgua grande Conforme o avanço na perfuração de poços em águas cada vez mais profundas, os problemas que antes eram mínimos ou inexistentes em pequena profundidade passam agora a ocorrer de maneira mais evidente. A principal delas é a perda de carga nas linhas de kill e choke. Como é necessário agora um riser de maior comprimento para atingir o leito marinho, as linhas de kill e choke também se tomam demasiadamente longas e, desta forma, a perda de carga por fricção é muito alta durante a circulação do influxo - quando são utilizadas. Nesta operação, a pressão no interior do poço é mantida através desta perda de carga, tomando crítica a operação de controle de poço em lâmina d'água elevada. Esta pressão pode ser controlada com a abertura (ou fechamento) da válvula de choke, porém, antes do final da circulação do kick no método do sondador a abertura total do choke é atingida antes da conclusão da expulsão do gás. Deste modo, a pressão no poço poderá subir a valores que causem fratura da formação mais fraca. Neste caso urna solução operacional possível é a redução da vazão de bombeio de lama durante a circulação do kick com o intuito de diminuir a perda de carga Broca entupida Quando são adicionados materiais para evitar perda de circulação na lama, pode ocorrer o entupimento parcial ou total dos orificios da broca (Figura 2-9). A queda de pressão do fundo do poço devido a interrupção de circulação de lama causaria a ocorrência de um kick (ou um novo kick, caso já se esteja combatendo um influxo no instante do entupimento). Assim como no caso de broca acima do fundo, este problema também é delicado, uma vez que não há como injetar fluido diretamente no fundo do poço. Isto implica em alguns fatores complicadores: 1. É mais dificil controlar a pressão no fundo, pois só é possível bombear lama pela linha de kill, no topo do poço; 2. Um instrumento de medição a menos para utilização durante o procedimento de controle do kick - o manômetro do tubo bengala. Com o interior da coluna de perfuração isolado do poço, o manômetro do tubo bengala toma-se inútil; 3. É necessário um tempo total maior para retirada do kick, visto que a injeção de liquido não poderá mais ser feita por baixo do influxo.

28 Figura 2-9 -Broca entupida Coluna furada Da mesma forma que no entupimento da broca, um furo na coluna de perfuração também pode provocar a queda de pressão no fundo do poço devido a redução da vazão de circulação de lama, como pode ser observado na Figura Figura Coluna furada Durante a operação de combate a um influxo, a sobrepressão no poço -que funciona como margem de segurança para impedir novo kick - é causada pela perda de carga por fricção do escoamento da lama no espaço anular. Como o valor de perda de carga é proporcional a vazão de escoamento, se esta vazão cair, o valor da margem de segurança cairá também.

29 2.3 Equipamentos de controle de poço Sistema diverter O sistema diverter é um preventor anular projetado para divergir o escoamento oriundo do poço para linhas de grande diâmetro (superiores a 6 polegadas) que o conduzem para fora da sonda. Este sistema normalmente não tem como função o fechamento do poço e sim o desvio do escoamento, evitando que o fluido produzido atinja o deck de perfuração colocando em risco os equipamentos e a equipe de trabalho. O conjunto formado pelo sistema diverter pode ser visto na Figura 2-11 É bastante utilizado na fase inicial de perfuração offsshore de poços pioneiros. il I Linha de Fluxo "Bell Nipple" h Painel de Controle MSF - 50C Linha do Diverier 1 1 Figura Sistema Diverter Conjunto BOP Na Figura 2-12 pode ser visto um arranjo típico de um conjunto BOP para poço terrestre.

30 Figura Conjunto BOP para poço terrestre BOP anular O preventor anular (ou BOP anular) é uma válvula que permite o fechamento do poço em qualquer situação, isto é, com colunas de diferentes diâmetros ou sem coluna, embora esta última operação não seja recomendável como rotina. Permite também que a coluna sofra pequenos movimentos sem danificar o elemento vedante. Sua representação esquemática pode ser verificada na Figura Elemento Vedante Anel de Adaptn@n Figura BOP anular

31 2.3.4 BOP de gavetas O preventor de gavetas (ou BOP de gavetas) tem a função de fechar o poço, com ou sem coluna de perfuração. Seus principais componentes podem ser vistos na Figura Pode ser encontrado em conjuntos com uma, duas ou três gavetas, podendo ter saídas laterais. As gavetas podem ser de três tipos: vazadas, cegas ou cisalhantes. Gaveta Vazada Figura BOP de gavetas Gaveta Vazada: Gaveta Cega: Gaveta Cisalhante: - Permite o fechamento do anular do poço ao redor de uma coluna de diâmetro específico, para o qual foi projetada - mostrada no detalhe da Figura 2-14; - Projetada para fechar e selar o poço quando não há ferramenta dentro do mesmo - Figura 2-15; - Tipo especial de gaveta cega que, ao ser fechada com a coluna no poço, provoca o seu corte e fechamento do poço, Figura Deve ser instalada sempre acima de uma gaveta vazada de forma que, numa operação de corte, a coluna possa ser apoiada, através do tool joint, na gaveta vazada e aí então cortada, evitando a queda no interior do poço.

32 GAVETA CISALHAN Figura Gavetas cega e cisalhante Carretel de perfuração (drlling spool) O carretel de perfuração (Figura 2-16 e no conjunto BOP na Figura 2-12) é utilizado como proteção ao BOP, permitindo a instalação das linhas de kill e de choke e ainda propiciando espaço para permitir que um par de to01 joints seja posicionado entre duas gavetas, durante uma operação de strpping. A operação de strpping consiste no deslocamento da coluna de perfuração para cima, com o BOP anular fechado, para posicionar o to01 joint acima da gaveta vazada. Caso seja necessária uma desconexão de emergência, a coluna que permanecer dentro do poço não cairá no fundo. Figura Carretel de perfuração Linhas de kill e choke Linha de Kill Linha do Choke - É a linha utilizada para amortecer o poço, isto é, deslocar o fluido de perfuração para dentro do poço durante um processo de controle do poço. - É a linha que permite a conexão entre a cabeça do poço, e o choke manfold (Figura 2-17), devendo possuir pressão de trabalho compatível com a pressão de trabalho do conjunto BOP. Seu diâmetro deve ser grande o suficiente (maior que 3

33 polegadas nominal) para reduzir perdas de carga, erosão e possibilidades de entupimentos. Figura Choke manifold Estrangulador ou Choke - É um equipamento usado para restringir escoamento, normalmente uma válvula. Esta restrição cria uma contrapressão que se transmite através do fluido circulante para a formação. É mostrado na Figura 2-18.

34 Figura Válvula de choke (corte transversal)

35 3 Controle de poço Como visto anteriormente, após ser detectado um influxo, o poço deve ser fechado imediatamente. Entretanto, esta ação somente não é suficiente para readquirir o controle do poço. Alguma intervenção da equipe de sonda é necessária para evitar que o kick se torne um blowout - caso o poço permaneça aberto - ou a formação seja fraturada e ocorra um underground blowout - caso o poço permaneça fechado. Visto que nenhuma das duas situações é desejada, foram desenvolvidos métodos de combate a kick. Tais métodos consistem em procedimentos operacionais que devem ser implementados de maneira a retirar o fluido invasor do poço de forma segura, enquanto se mantém a pressão do fundo do poço em um valor constante e suficiente para evitar novo influxo. Os princípios teóricos dos métodos existentes mais utilizados na indústria são descritos, analisados e estudados em vários trabalhos. NAKAGAWA, ANDRADE e LAGE [2] analisam, a partir de testes experimentais no poço-laboratório em Taquipe, os procedimentos mais adequados para controle de poço durante situação normal de perfuração. Concluíram que é mais vantajoso utilizar o fechamento brusco (hard) e o método do sondador. HOLDEN e BOURGOYNE [3] avaliam, através de testes experimentais de simulação de kick, a performance de diversos tipos de chokes, procedimentos de controle de poço e confirmam a validade do modelo reológico de Bingham para cálculo da perda de carga na linha de choke. LIMA et a1 [4] verificam o comportamento da temperatura e pressão dinâmica em operações de perfuração sem riser, além de discutir a detecção de influxos nesta configuração. Um modelo numérico foi desenvolvido para simular o escoamento do fluido de perfuração. POWER et a1 [5] discutem as similaridades e diferenças entre um influxo e o fenômeno da "respiração" do poço (breathing well), fenômenos facilmente confundidos. Critérios para diferenciação de cada caso são propostos. LEACH [6] [7] descreve um histórico sobre controle de poço, onde mostra como eram os procedimentos de combate a kick antes, agora e como deverão ser no futuro conforme a tecnologia e o conhecimento científico do problema evoluem.

36 GRACE [SI baseado em casos reais ocorridos em campo, conclui que o fenômeno da migração do gás no poço não é tão simples quanto acredita-se, que nem sempre o influxo se comporta como esperado. KARSTAD et a1 [9] apresentam um modelo que considera a temperatura como variável importante para a interpretação do comportamento do poço durante operações de perfuração e controle de influxo, de modo a determinar um valor mais acwado da pressão do fundo do poço. SCHUBERT e WRIGHT [10] propõem a utilização de sensores acústicos para monitoramento do nível de líquido no interior do espaço anular no riser e apresentam os resultados de testes realizados em campo. JCHOE et a1 [l 11 apresentam um modelo bifásico modificado para simulação de kick e comparam-no com os modelos monofásico e bifásico dinâmico. A partir deste modelo, resulta o desenvolvimento de simulador computacional. DUPUIS et a1 [12] realizou testes experimentais em poço piloto para estudar um modelo de perda de carga em poços de pequeno diâmetro além de investigar os regimes de escoamento bifásico em condições de operação. Métodos de controle de poço também foram validados. ROMMETVEIT et a1 [13] realizaram testes em escala real de kicks de gás para estudo do comportamento do influxo, assim como das pressões, no poço horizontal de alta pressão. Foi utilizado tubo de aço de 200 m de comprimento para simular o poço horizontal. LEACH e QUENTIN [14] comprovam que o método volumétrico estático funciona corretamente, porém simulações computacionais foram realizadas (utilizando válvula de choke ideal), sem comprovação em teste prático. VAN SLYKE e HUANG [15] apresentam urna nova abordagem para detecção de kick de gás em lama base óleo utilizando um modelo computacional iterativo baseado em modelo desenvolvido para lama base água. JOHNSON et a1 [16] verifica os vários fatores que influenciam na velocidade de ascensão do kick de gás, através de testes experimentais. Uma grande concentração de gás subirá rapidamente, deixando um rastro de pequenas bolhas que ficam paradas - causada pela tensão superficial da lama.

37 TARVIN et a1 [17] realizaram testes experimentais e simulações para verificar que a velocidade de subida do influxo de gás adotado pela indústria não está de acordo com a realidade, ou seja, o gás tende a subir a uma velocidade maior que a assumida pelo sondador. 3. I Comportamento do gás no poço Antes de qualquer ação no sentido de realizar a retirada do influxo do interior do poço, é necessário conhecer detalhadamente qual o seu comportamento quando dentro do poço. Caso o fluido invasor seja algum líquido (óleo ou água) proveniente do reservatório, seu comportamento é fácil de ser modelado uma vez que é incompressível e, desta forma, comporta-se da mesma maneira que o fluido de perfuração. Neste caso não existem maiores dificuldades em sua retirada. Caso o fluido invasor seja compressível (gás), seu comportamento é bem diferente e mais complexo, uma vez que tende a se expandir enquanto se desloca em direção a superfície. Além disso, é inflamável e apresenta o risco de explosão se conseguir atingir a sonda de perfuração (o óleo também é inflamável, porém possui maior ponto de ignição). Por ser o caso mais complexo e perigoso, o kick de gás é o objeto de estudo neste trabalho Migração do gás com poço fechado O comportamento de um kick de gás num poço fechado se baseia na lei dos gases reais, Equação 3-1 : P é a pressão absoluta do gás; V é o volume do gás; Z é o fator de compressibilidade do gás; T é a temperatura absoluta do gás; O índice 1 refere-se a um instante anterior e o índice 2, a um instante posterior. A hipótese mais simples, porém bastante ilustrativa, é a que considera a lama incompressível e o poço fechado é rígido, ou seja, despreza-se a variação do volume do poço. Conseqüentemente, o volume do influxo se mantém constante, considerando que

38 a temperatura não muda significativamente (processo isotérmico) e que o gás é ideal (Z=l). Então, pela Equação 3-1, a pressão do gás deve permanecer constante. Por possuir uma densidade muito inferior a lama, o influxo de gás tende a subir por efeito gravitacional. Conforme o gás migra em direção a superficie, considerando que seu volume não muda, desprezando a variação de temperatura e, ainda adotando o modelo de bolha única, as pressões do topo e da base da bolha de gás não mudam. Conforme pode ser visto na Figura 3-1, no primeiro instante, após o término da entrada de gás no poço a pressão no fundo do poço (Pl) corresponde ao valor da pressão de poros da formação. No segundo instante, a pressão da base do gás (Pb) continua igual a pressão de poros, e P1 possui um valor maior que ele, pois deve ser acrescentado a este o valor da pressão hidrostática causada pela coluna de fluido abaixo do gás. Figura Migração de gás com o poço fechado Logo, o poço foi sobrepressurizado e um aumento de pressão desse nível pode romper a formação rochosa exposta mais fraca. Isso demonstra que não se pode deixar simplesmente um poço fechado quando da migração do kick Migração do gás com poço aberto Caso o poço seja mantido aberto durante o influxo de gás, a pressão no fundo do poço será cada vez menor que a pressão de poros devido a diminuição da pressão ludrostática no fundo causada pela expansão do gás conforme sobe em direção a superfície, conforme Figura 3-2. Isso implicará na entrada de mais gás no poço. Assim, o diferencial de pressão no fundo do poço aumentará e causará um aumento na produção de fluido da formação, acarretando um círculo vicioso que rapidamente evoluirá para um blowout, o que novamente enfatiza a necessidade de se fechar o poço o mais rapidamente possível caso um kick seja detectado.

39 Figura Migração de gás com o poço aberto 3.2 Fundamentos teóricos de controle de poço Devido as dimensões do poço em relação ao reservatório, este é considerado como um meio infinito, cujas propriedades não variam durante a perfuração do poço. O declínio de produção do reservatório se daria ao longo de sua vida útil, quando suficiente volume de hidrocarbonetos for drenado (com redução da pressão de poros) evidenciando o estado de depleção. Durante a ocorrência de um kick, considera-se que o poço representa um volume de controle e o reservatório, uma fonte infinita de massa. Em poços submarinos, lâminas d'água profundas, o equipamento de segurança de poço (BOP) é instalado no fundo do mar, ligado a sonda flutuante através de uma tubulação de grande diâmetro (riser). Durante uma operação de controle de poço, onde o fluido invasor é circulado para fora do poço, uma tubulação de pequeno diâmetro (linha de choke submarina) segue paralela ao riser e é conectada imediatamente abaixo do BOP. Da mesma maneira, uma outra tubulação de igual diâmetro (linha de kill submarina) também segue paralela ao riser e é conectada diametralmente oposta a conexão da linha de choke e ligeiramente abaixo. A Figura 3-3 mostra a disposição destas linhas.

40 Figura Riser e linhas de kill e choke A linha de choke é utilizada como rota de retomo do fluido de perfuração até a superficie. A linha de kill trabalha como caminho para injeção de fluido de perfuração no interior do espaço anular entre o revestimento e a coluna de perfuração. Durante todo o trabalho de perfuração, bem como nas operações de controle de influxo, é de suma importância conhecer e manter a pressão no fundo do poço constante e com valor ligeiramente superior a pressão de poros do reservatório. Infere-se a pressão no fundo do poço através da medição de pressão nas linhas de superficie 4 e injeção e retomo (linhas de kill e choke e no tubo bengala). Uma margem de segurança operacional, ou sobrepressão, é estabelecida durante a remoção do fluido invasor a fim de evitar um novo influxo. Esta margem de segurança é limitada pela janela operacional mostrada na Figura 3-4, onde aparecem o gradiente de pressão de fratura da formação do reservatório e o gradiente de pressão de poros desta mesma formação em função da profundidade Leito do mr Janela operacional i bl Gradiente de pressa0 (psi) b a, PTÇYS~O de fiam da formapão 'Pressão de poms da formapão Figura Janela operacional entre pressão de poros e de pressão de fratura 161

41 Conforme a lâmina d'água aumenta, mais próximas ficam as linhas de pressão de poros e fratura, e conseqüentemente menor a janela operacional disponível para trabalho na perfuração, exigindo um controle mais acurado e sofisticado. Em casos onde não seja possível trabalhar dentro desta faixa, devem ser adotados procedimentos mais complexos (perfuração com gradiente duplo, perfuração sub-balanceada, etc). Conforme pode ser observado nas figuras a seguir, o circuito hidráulico do fluido de perfuração durante a operação normal de perfuração e durante a operação de controle de kick são ligeiramente diferentes. Figura 3-5 -Circuito hidráulico durante perfuração Na perfuração a pressão no fundo do poço é garantida pela pressão hidrostática exercida pelo fluido de perfuração (Figura 3-5). Desta forma, sabendo-se a densidade do fluido e a profundidade do poço, a pressão no fundo é conhecida.