2 o CONGRESSO BRASILEIRO DE P&D EM PETRÓLEO & GÁS

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1 o CONGRESSO BRASILEIRO DE P&D EM PETRÓLEO & GÁS ESTUDO DO ACOPLAMENTO POÇO-RESERVATÓRIO NA SIMULAÇÃO DO CONTROLE DE POÇOS EM ÁGUAS PROFUNDAS E ULTRAPROFUNDAS UMA REVISÃO Jansen Dantas de Olvera 1, Paulo Roberto Rbero. 1 Unversdade Estadual de Capnas, Uncap/FEM/DEP P.O. Box: 605 Capnas , SP, Brasl, Unversdade Estadual de Capnas, Uncap/FEM/DEP P.O. Box: 61 Capnas , SP, Brasl, Resuo O estudo do controle de poços, partcularente na perfuração e áuas profundas e ultraprofundas, é de fundaental portânca no presente cenáro naconal. O elhor entendento da nfluênca de parâetros físcos e operaconas, pertrão operações as seuras, econôcas e nertes ao eo abente. Fo levantada ua lnhae de trabalhos de sulação de kcks e poços de terra e arítos, onde fora observados os város enfoques, do ponto de vsta de odelae físca e nuérca do processo. As abordaens estão assocadas, bascaente, ao odelo bfásco da zona contanada, coportaento transente do escoaento, reoloa do fludo de perfuração, solubldade do ás nvasor no fludo de perfuração, e acoplaento físco e nuérco entre o poço e o reservatóro de hdrocarbonetos, durante a operação de controle. O presente trabalho apresenta ua revsão bbloráfca sobre a evolução dos suladores, nas últas duas décadas, tendo coo enfoque prncpal, os tpos de trataento dados a essa nteração entre o poço e a foração produtora. Os pontos as relevantes de cada odelo são dscutdos e as recoendações para futuras contrbuções nessa área do conhecento são apontadas, à luz do levantaento do estado da arte realzado. Palavras-Chave: Áuas profundas; Kck; Perfuração. Abstract The well control study, especally on drlln n deepwater and ultra-deepwater, s of fundaental portance n the actual natonal scenaros. The best understand of physcal and operatonal paraeters nfluence, allow safer operatons, ore econoc and nert to the envronent. A coprehensve lterature revew on kck sulaton n onshore and offshore wells was realzed, where have been observed several focuses, on physcal odel and nuercal process vew. The study s assocated, bascally, on two-phase odel of contanated zone, transent flow behavor, drlln flud rheoloy, as nflux solublty n drlln fluds, and physcal and nuercal coupln between the well and the hydrocarbon reservor, durn control operatons. Ths work shows a lterature revew to approach about sulators evoluton, n the latest two decades, havn as an focus, the knd of data treatent of ths nteracton between the well and the producer foraton. The ost portant ponts of each odel are dscuss and the recoendatons to future contrbutons n ths acknowlede area are ponted, throuh the coprehensve lterature revew realzed. Keywords: Deepwater, Kck, Drlln.

2 o Conresso Braslero de P&D e Petróleo & Gás 1. Introdução A ndústra do petróleo é u dos setores que as avança no estudo e desenvolvento de novas tecnoloas, sso é refletdo no seu crescento durante os últos anos. A procura por novas reservas de petróleo te avançado para cenáros offshore e áuas profundas e ultraprofundas. Co esse avanço, cresce tabé a coplexdade das operações envolvdas na perfuração. Ua das operações de perfuração as coplexas é o controle de poço, a qual vsa anter sob controle as pressões que ae sobre o poço quando u kck ocorre. A prevenção e o controle de u kck de ás são de rande utldade para a ndustra, já que pode se tornar u blowout e ocasonar a perda de equpaentos e de dnhero, be coo, randes danos ao eo abente e, prncpalente, a perda de vdas. A rápda detecção de u kck é u fator uto portante para o controle dos nfluxos no nteror do poço. Os danos causados depende da quantdade de nfluxo no poço e estes precsa ser nzados. Para o estudo de stuações as realístcas, é necessáro que aluns fatores físcos e operaconas seja analsados. O estudo da reão bfásca, transferênca de assa, parâetros reolócos, a eoetra do poço são portantes para ua análse as detalhada do coportaento das pressões do poço. Co o avanço da tecnoloa, é possível utlzar odelos as coplexos no estudo do poço. Ua sére de odelos fora desenvolvdos e aperfeçoados, onde fca clara a evolução radatva dos odelos, que cada vez as representa ua stuação real.. Modelos Mateátcos.1. Modelos báscos Le Blanc e Lews (1968) adotara u odelo ateátco para o controle de kcks be splfcado, no qual fora fetas aluas consderações descrtas a seur. O nfluxo de ás entra no poço coo ua bolha scível, antendo sua coposção constante e se troca de fases. O nfluxo cessa no nstante do fechaento do poço. As transferêncas de calor usadas no calculo do volue de ás fora baseados na teperatura de crculação. A perda de cara por frcção no anular fo desconsderada já que a proposta era de coparar aluas varáves específcas nas pressões do anular e a densdade equvalente dos fludos. Os resultados obtdos fora dferentes dos dados das pressões na superfíce do revestento. Esta dferença, ostrada na fura 1, pode ser atrbuída ao lono período de peranênca da bolha no fechaento do poço e à perda de cara da crculação no anular. Fura 1. Coparação do odelo de Le Blanc e das pressões de revestento para ua operação de controle de poços (Le Blanc e Lews, 1968). Hoberock e Stanbery (1981) fzera u estudo das pressões dnâcas do coportaento do fluxo e u poço contendo u kck de ás controlado pelo étodo do sondador. Eles utlzara o odelo de bolha únca para sular a por stuação no revestento de u poço. Entretanto, utlzando ua aproxação para a fração de vazos e u fluxo bfásco coo sendo u fluxo onofásco e ntroduzndo a velocdade relatva entre o ás e a laa (velocdade de deslzaento) este odelo pode se aproxar bastante do que é observada nos dados de u poço real, esta coparação pode ser vsta na fura. A curva corrda do odelo de bolha únca representa o perfl da pressão de revestento esperada consderando a pressão no fundo do poço constante. Nckens (1987) propôs u odelo para o calculo de u kck de ás e u poço vertcal co laa base áua e broca no fundo do poço. Seu odelo fo de rande portânca e fo utlzado por utos trabalhos posterores. Alé destas consderações o odelo utlzava as densdades do ás e da laa, a fração de vazo do ás, a velocdade de deslzaento, pressão e teperatura. Ass, as equações utlzadas no odelo são descrtas a seur.

3 o Conresso Braslero de P&D e Petróleo & Gás Fura. Coparação dos odelos corrdos co os dados do capo (Hoberock e Stanbery, 1981). Equação do balanço de assa de laa: t z [ ρ ( 1 λ) ] + [ ρ v ( 1 λ) ] 0 (1) Equação do balanço de assa do ás: t [ ρ λ] + [ ρ v λ] 0 z () Balanço de quantdade de ovento para a stura ás líqudo. t [ ρ v ( 1 λ) + ρ v λ] + ρ v ( 1 λ) p p [ + ρ v λ] [ ρ ( 1 λ) + ρ λ] 0 z z z f (3).1. Modelo Bfásco Nckens (1987) desenvolveu ua equação epírca relaconando a velocdade do ás co a velocdade éda de stura as a velocdade de deslzaento relatva, coo é deonstrado a seur: [ v ( 1 λ ) + v λ] + v ( ρ, ρ, λ, σ, d d ) v K, (4) s e Ele tabé constatou que a velocdade de deslzaento é ua função não só as propredades físcas das fases do ás e do líqudo, as tabé da quantdade e dstrbução do ás no anular. Ass ele defnu u crtéro de transção entre as dstrbuções de ás para deternar a velocdade de deslzaento baseada na fração de vazos do ás. Nerão e Maldla (1989) utlzara a correlação de Grffth para o cálculo da velocdade na reão bfásca co a dstrbução de bolha de Stanbery, a qual assue que o dâetro da bolha é vara lnearente co a dferença entre o rao do anular na parte superor da reão bfásca para u valor nfntesal na parte nferor. Na lnha de choke a varação será função do dâetro nterno da parte superor e nfntesal no fnal da reão bfásca. v b d ( ρ ρ ) ( + K ) v b K1 + 1 ρ (5) Onde v é a velocdade da laa, v b é a velocdade da bolha e os fatores K 1 e K são obtdos e função da razão dos dâetros da seção. Cho (1995) apresentou u odelo para prevsão do coportaento de u fluxo bfásco transente para u poço vertcal e operação de ás-lft contínuo. A dferença entre este trabalho aos tradconas está no fato de não usar o sstea de equações dferencas; e vez dsso, cada varável é tratada localente, sto é, o odelo ocupa-se e soluconar ua varável de cada vez. Outra característca do étodo é que a fase asosa é tratada, ao nvés de u trataento Eulerano essa frente é tratada de anera Laraneana, pos ass, é possível ontorar a posção da frente de ás de odo precso. Este sstea fo chaado por Cho de sstea híbrdo Eulerano-Laraneano, própro para células elástcas óves, tratadas e pequeno volue. Para o escoaento anular a equação consttutva da velocdade de deslzaento v fo apresentada, consderando a eoetra nterfacal, efetos da ravdade e a transferênca nterfacal da quantdade de ovento. Para o fle de líqudo e ree anular a expressão de v e função de e v é dada coo:

4 o Conresso Braslero de P&D e Petróleo & Gás v ρ Df ξ ( ) ( ) µ Lα f Dρ 1 α ξ ρd 1 α (6) 3 4µ α ρ L v + 48µ L Aqu é ual a α para fluxo anular nu tubo e f é fator de frcção artfcal. Roetvet at all (1995) fzera experentos co o ntuto de se obter as conhecento na crculação de u kck de ás e poços horzontas através do estudo do coportaento do fluxo bfásco à altas pressões. Ua nova correlação fo desenvolvda para velocdade de deslzaento, baseada na equação: 1 v G N 1 C x (7) Onde x são coposções das fases e C são os coefcentes de cada tero. Este odelo erou u ajuste snfcanteente elhor para os dados... Geoetra do Anular Nckens (1987) fez ua coparação entre u odelo de bolha sples de u odelo de ás dstrbuído para u volue de kck de 6 bbl apresentado na fura 3. Ela ndca que a velocdade de deslzaento é dependente da eoetra do anular, ostrando que o odelo de bolha sples não é adequado para descrever o coportaento do poço. Fura 3. Pressão na sapata, coparação entre bolha sples vs. Gás dstrbuído (Nckens, 1987). Pódo e Yan (1986) fzera u odelo baseado no odelo de Nckens, a prncpal dferença estava no étodo de solução das equações dferencas. Eles propusera u étodo utlzando u contorno óvel enquanto que Nckens utlzou ua alha fxa. Ele concluu que a eoetra do poço te rande efeto na pressão durante a crculação de u kck. A fura 4 corresponde a u poço no qual o anular uda de 7 1/8 para 16 nches à 3000 ft. Fura 4. Efeto da udança da eoetra do poço e perfl de pressão (Pódo e Yan, 1986). Quando o ás atne esta profunddade, ele coeça a ocupar u enor espaço e requerendo ua dnução na pressão do revestento para anter a condção de overbalance constante. O pco de pressão no revestento é snfcanteente enor que para o caso de poço unfore já que a fração ás ocupada é enor. O tepo de crculação é aor devdo ao auento de volue no anular.

5 o Conresso Braslero de P&D e Petróleo & Gás.3. Modelo de reservatóro Thoas et al. (198) estudara os efetos da solubldade do ás nas propredades dos fludos de perfuração base óleo. Ele utlzou ua expressão para a queda de pressão do reservatóro dependente do tepo para predzer a taxa de fluxo de ás dentro do poço. Apesar do caso de fluxo da áua salada ou do óleo do reservatóro não tere sdo estudados, u odelo slar pode ser nserdo nestes fludos. Q ( P BHP ) kh f (8) 144 P D ( BHT + 460) µ z Usando as expressões do reservatóro, ua taxa de ás nstantânea fo calculada co a quantdade total de ás que entra no poço. O áxo de laa contanada no poço tabé fo calculado. A fura 6 ostra a quantdade de nstantânea de ás para abos os casos. Fura 5. Taxa de ás nstantâneo (Thoas et al.,198). Estas equações sula o reservatóro co o tepo e co a pressão de u reservatóro ncalente a pressão unfore. Nckens (1987) ntroduzu o acoplaento do poço co o reservatóro, o qual é uto portante para a deternação das pressões dnâcas no fundo do poço, ua vez que as pressões do reservatóro vara e a pressão do fundo do poço precsa ser antda constante. As propredades do reservatóro são especfcadas e estas deterna a vazão do nfluxo. A foração é dvdda e seentos axas de espessura uas a taxa de perfuração (ROP) vezes u ntervalo de tepo. Cada seento é assudo u fluxo ndependente dos outros para efeto de calculo da taxa total de nfluxo. O coponente de fluxo do enéso seento é calculado da equação de fluxo radal: q ( p p ) kh f wf (9) 1,44(6) p Tµ Z D ( ) f Santos e Bouroyone (1989) aplcara o odelo de ás desenvolvdo nesta pesqusa, que é baseado na teora para testes de ult taxas de fluxos e poços de ás. Esta teora é be aplcável ao odelo de ua stuação de blowout de ás porque consdera as udanças na no valor da taxa de fluxo de ás durante o processo de crculação do poço. O odelo de reservatóro de ás fo acoplado co o sstea poço-dverter para erar a taxa de fluxo de ás para u certo valor da pressão no fundo do poço. A pressão na face do reservatóro (equvalente à pressão no fundo do poço) de u reservatóro nfnto de ás produzndo a ua taxa de fluxo constante, é eneralzada a ua stuação blowout onde a taxa de fluxo de ás vara co o tepo. Ass, para u passo de tepo n, o resultado da equação é: [ ( P ) ( P )] + Q res n 1 lo bh 7 b 5,79 10 P T kht n 1 [ ( Q j Q j 1 ) lo(,454t Dj )] Qn lo(,454t Dn ) j 1 (,454t ) 0,87Q ( S + DQ ) 0 Dn b n n (11) A equação 11 pode aora ser usada para calcular a taxa de fluxo de ás e u passo de tepo n para u certo valor na pressão do fundo do poço. E suaro, o odelo de reservatóro de ás funcona da seunte anera: para u passo de tepo sob consderação, o valor da pressão de fundo do poço adotada é substtuída na equação 11 qual é então resolvda para a taxa de fluxo de ás..4. Laa base óleo Roetvet et al. (1993) fzera aluns experentos e u poço de 00 e nclnado e 60. O ás era njetado pela coluna passando pelos orfícos da broca. Ele coparou a dstrbução do ás e três tpos de laas e o perfl das pressões fora dferentes, confore pode ser vsto na fura 6. A dferença entre a curva da laa base áua e

6 o Conresso Braslero de P&D e Petróleo & Gás base óleo pode ser causada pela solubldade do ás na laa base óleo, pos, quando o poço é fechado ua certa quantdade de ás rá se dssolver na laa fazendo co que ua enor quantdade de ás lvre cheue à superfíce. Ass Roetvet et al. concluu que u fechaento do poço por u lono período de tepo cra u retorno de dstrbução de ás be as favorável utlzando laa base óleo. Fura 6. Dstrbução do ás depos de u período de fechaento e laas base óleo e base áua (Roetvet et al., 1993). 3. Conclusões Os estudos dos odelos ostra ua evolução radual, onde passara a adotar abordaens as detalhstas no estudo do coportaento de u poço. A evolução dos odelos perte o estudo do coportaento das pressões do poço durante as operações de perfuração, auentando a seurança das operações envolvdas. Os parâetros coo eoetra do poço, tpo do fludo utlzado, odelo de reservatóro e operaconas tê ua rande nfluênca nos resultados fnas. A sua utlzação é uto portante pos ass os resultados obtdos são as seuros e confáves. Coo pudeos observar neste trabalho, devdo à rande evolução dos odelos ateátcos, as sulações de dversas stuações de kcks pode ser realzadas. Os odelos pode descrever desde cenáros co fludos base óleo a poços horzontas offshore. 4. Aradecentos Gostaríaos de aradecer ao Departaento de Enenhara de Petróleo da UNICAMP pela nfra-estrutura dsponblzada, a ANP (Aênca Naconal do Petróleo) pela bolsa de estudos concedda ao aluno através do PRH Referêncas CHOI, K. I., Modelo coputaconal dnâco laraneano-eulerano para escoaento bfásco e poços de petróleo.tese de estrado, Unversdade Estadual de Capnas, São Paulo, Brasl HOBEROCK, L. L. and STANBERY, S. R. Pressure dynacs n well durn as kcks: part 1 flud lne dynacs. Journal of Petroleu Technoloy, p , Au., Le BLANC, J. L. And LEWIS, R. L. A atheatcal odel of a as kck. Journal of Petroleu Technoloy, p , Au., NEGRÃO, A. F. and MALDLA, E. E. Optzaton of flow rate selecton for kck control n deep waters. 64th ATCE, San Antono, TX, p , Oct., NICKENS, H. A dynac coputer odel of a kckn well. SPE Drlln Enneern, p , Jun., PODIO, A. L., and YANG, A. P. Well control sulator for IBM personal coputer. IADC/SPE Drlln Conference, Dallas, TX, p , Feb., ROMMETVEIT, F. H. R., HOVLAND, F. and OLSEN, T. L. Optzaton of the return as dstrbuton durn kcks n ol- and water-based uds: results fro full-scale kck experent. Offshore European Conference, Abardeen, p , Sept., ROMMETVEIT, K. S. et all. Full scale kck experents n horzontal wells. SPE/ATCE, Dallas, U.S.A., p , Oct., SANTOS, O. L. and BOURGOYNE Jr., A. T. Estaton of pressure peaks occurrn when dvertn shallow as. 64th ACTE, San Antono, TX, Oct., THOMAS, D.C., LEA JR., J.F. and TUREK, E.A. Gas solublty n ol-based drlln fluds: effects on kck. 57 th ATCE of the Socety of Petroleu Enneers. New Orleans, LA, Sept

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