MEMÓRIA DE PRESSÃO OBTIDA APÓS TESTES DE SURGE & SWAB

Transcrição

1 MEMÓRIA DE PRESSÃO OBTIDA APÓS TESTES DE SURGE & SWAB 1 Felipe Martinhuk, 2 Nezia de Rosso, 3 Cezar Negrão 1 Bolsista de iniciação Científica CERNN/UTFPR, discente do curso de Engenharia Mecânica 2 Mestre em Engenharia Mecânica CERNN/UTFPR 3 Professor da Universidade Tecnológica Federal do Paraná/ UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Centro de Pesquisas em Reologia e Fluidos Não-Newtonianos CERNN, Av. Sete de Setembro, 3165, Bloco D, Campus Centro, Curitiba-PR martinhuk93@gmail.com, neziarosso@utfpr.edu.br, negrao@utfpr.edu.br RESUMO - Considerando o cenário dos novos campos de petróleo na camada pré-sal, a perfuração de poços de petróleo em águas profundas se configura como algo de grande importância. Em cenários de poços de grandes profundidades, como os encontrados na camada pré-sal, a janela operacional de pressões tem se tornado cada vez mais estreita e portanto, o controle das pressões de fundo do poço tem sido uma preocupação cada vez maior. Movimentações axiais da coluna de perfuração provocam deslocamentos do fluido de perfuração no poço que, por consequência, podem aumentar a pressão em demasia dentro do poço (descida da coluna), possibilitando a fratura da formação rochosa, ou diminuir muito a pressão (subida da coluna) favorecendo a entrada de fluido da formação para o interior do poço. Nesta ótica, a presente proposta tem por objetivo avaliar os efeitos de subida e descida da coluna de perfuração nas pressões no interior do poço. Para isso, uma unidade experimental foi construída de modo a reproduzir experimentalmente a movimentação axial da coluna de perfuração. Durante os ensaios foram monitoradas: a temperatura do fluido, a pressão diferencial gerada no movimento da coluna e a velocidade de deslocamento da coluna. A medição da temperatura realizada através de um termopar do tipo T é crucial para avaliação das propriedades reológicas do fluido durante os testes. A velocidade da coluna foi medida por uma câmera de filmagem de alta velocidade (300 fotos por segundo), enquanto a medição da pressão foi realizada por transdutores de pressão diferencial. Os ensaios foram realizados com um fluido viscoplástico (solução de carbopol) que possui propriedades reológicas similares a de um fluido de perfuração. Os resultados mostram uma diferença de pressão nas tomadas de pressão que não desaparece após a realização de um ensaio de subida ou descida da coluna, indicando que o fluido apresenta uma certa memória. Ensaios similares foram realizados com um fluido newtoniano (glicerina) que não apresentou esta memória de pressão. Palavras-Chave: surge e swab, memória de pressão, perfuração de poços INTRODUÇÃO O movimento axial de colunas de perfuração é uma operação comum no processo de perfuração de poços de petróleo. Este movimento da coluna pode ser tanto ascendente quanto descendente e provocam deslocamentos do fluido de perfuração no poço que, por consequência, geram um aumento ou queda de pressão dentro do poço, respectivamente. Caso o aumento da pressão seja excessivo, esta pode superar a tensão de fratura da formação rochosa e levar à perda do fluido de perfuração para a formação. Por outro se a diminuição da pressão no interior do poço for menor do que a pressão de fluido da formação rochosa (pressão de poro) ocorrerá a invasão do fluido da formação para o interior do poço, fenômeno conhecido como kick. Este aumento ou redução em demasia da pressão é o que se chama de fenômeno de surge e swab. Desta forma, observa-se que a previsão da pressão no interior do poço nas situações de subida e descida da coluna é fundamental para determinar as velocidades e acelerações seguras da coluna de perfuração nas operações de manobra. Muitos estudos vêm sendo desenvolvidos na tentativa de melhor descrever e prever o fenômeno. No trabalho de Fedevjcyk (2011) se propõe um modelo matemático/numérico capaz de prever pressões transitórias de surge e swab em poços com diferentes seções transversais.

2 O estudo de Wolski (2014) descreve as quedas de pressão devido ao efeito viscoso em estado estacionário considerando o peso da coluna de fluido no espaço anular e interior da coluna. No entanto, não foram encontrados trabalhos na literatura que consideram o efeito da memória de pressão no escoamento em problemas de surge e Swab. Sabe-se que os fluidos são considerados não-newtonianos, devido às suas propriedades tixotrópicas e de gelificação. Também no trabalho de Wolski (2014), os resultados experimentais foram obtidos com fluido newtoniano, e não é observado o efeito da memória de pressão. O presente estudo tem como objetivo avaliar experimentalmente os efeitos de subida e descida da coluna de perfuração nas pressões no interior do poço e entender a memória de pressão que acontece após um deslocamento de coluna, ou seja, quando a pressão não volta à condição inicial. Para análise foi construído um aparato experimental que reproduz a movimentação axial da coluna de perfuração. O fluido utilizado nos ensaios se trata de um fluido não-newtoniano com propriedades viscoplásticas, semelhantes às propriedades reológicas de um fluido de perfuração. Os ensaios também foram repetidos com um fluido newtoniano, obtendo-se no final uma comparação dos dois casos. Desta maneira podese verificar a relação entre o comportamento da pressão com as propriedades reológicas do fluido. de um fluido de perfuração, porém não tixotrópicas, ou seja, não dependentes do tempo. DESCRIÇÃO DO APARATO EXPERIMENTAL Dois tubos concêntricos com comprimento de 3 metros representam o poço e a coluna de perfuração. O poço possui um diâmetro interno de 138 mm feito de aço inox, já a coluna tem diâmetro de 70 mm feita de alumínio. O conjunto fica posicionado na vertical suportado por duas torres treliçadas de aproximadamente 4 metros, como mostra a Figura 1, onde instrumentos de medição e demais equipamentos são fixados. Para simplificar o experimento, utilizou-se a coluna com a extremidade fechada. Também a velocidade da coluna é constante para todos os testes. A movimentação da coluna se dá através de um sistema eixo sem fim conectado em um motor elétrico. O motor elétrico é acionado e transmite o movimento de rotação em movimento axial da coluna que desliza através de guias dentro do poço. O espaço anular foi preenchido com um fluido a base de polímero: carboxivinílico (carbopol), disponível comercialmente. Este fluido possui propriedades viscoplásticas, semelhantes a Figura 1 - Fotografia do aparato experimental Para realizar os testes com fluido newtoniano, utilizou uma mistura de água e glicerina (propanotriol), que também teve suas propriedades reológicas medidas em função da temperatura. Para uma medição correta nos experimentos, critérios adequados foram necessários na escolha da instrumentação. Para a medição de pressão, foi utilizado um transdutor de pressão diferencial modelo 3051 da marca Rosemount. Este modelo possui dois selos diafragmáticos que ficam em contato direto com o fluido analisado. Os selos possuem um diâmetro de 66 mm e estão fixados na bancada através de flanges a uma distância de 86 cm um do outro (conforme

3 Figura 1). Internamente os selos tangenciam a superfície interna do poço. A temperatura foi monitorada durante o ensaio por três termopares do tipo T, que apresentam baixo tempo de resposta (da ordem de milisegundos). Esses termopares ficam em contato direto com o fluido através de pequenos orifícios na parede do poço e posicionados dois no mesmo nível das duas tomadas de pressão, e um entre elas. A Figura 2 esquematiza o posicionamento dos sensores de medição e da coluna de perfuração no poço. Selos de pressão Coluna Termopares aproximadamente 8 s com velocidade constante. Isto gera uma diferença de pressão entre os sensores que é medida utilizando uma taxa de aquisição de 50 amostras por segundo. Após cessar o movimento de subida ou descida da coluna a gravação dos dados continua por mais um período de tempo. Testes com Carbopol O procedimento acima descrito é repetido 5 vezes para cada grupo de testes. Ou seja, cada grupo consiste em 5 subidas e 5 descidas de coluna alternadas, com um intervalo de tempo igual entre cada subida e descida. Foram feitos ensaios com intervalos de movimento de 2, 5 e 10 minutos. Durante todo o procedimento, a temperatura foi monitorada pelos 3 termopares tendo em vista que as propriedades reológicas do fluido são sensíveis à mudança de temperatura e influenciam na diferença de pressão. Também ao final de cada grupo de testes, amostras foram coletadas e levadas para medição das propriedades reológicas, afim de verificar a integridade do fluido. Testes com Glicerina Poço Figura 2 - posicionamento dos equipamentos A medição da velocidade de deslocamento da coluna foi realizada por uma câmera de filmagem de alta velocidade com taxa de aquisição de 100 quadros por segundo. As filmagens foram feitas tanto para descida da coluna quanto para subida. DESCRIÇÃO DO TESTE O procedimento experimental consiste em uma etapa inicial para homogenização da amostra, seguido dos testes propriamente ditos. A etapa inicial consiste em movimentar a coluna 10 vezes para cima e 10 vezes para baixo alternadamente. A etapa de testes consiste em movimentar a coluna para cima e para baixo durante Os testes com glicerina foram todos feitos com intervalo de tempo de 20 s entre cada movimento da coluna. Os testes foram repetidos 10 vezes para cada grupo de testes com temperatura aproximadamente constante. Para a medição da velocidade foram realizadas filmagens registrando as operações de descida e subida de cada coluna utilizada. O procedimento consistiu em realizar filmagens do deslocamento de uma escala milimétrica fixada à coluna. Após a aquisição das imagens, a velocidade foi calculada analisando-se a distância percorrida a partir de uma referência imposta sob a imagem no software de visualização. RESULTADOS DOS EXPERIMENTOS Aqui são apresentados os resultados da pressão gerada no poço devido ao deslocamento da coluna de perfuração, em um certo intervalo de tempo. Primeiramente são mostrados os resultados com a glicerina, fluido newtoniano, com viscosidade estimada de 50,4 cp na temperatura média dos ensaios de 22ºC. Em seguida resultados com o carbopol são apresentados e comparados com o fluido newtoniano com atenção especial na diferença de pressão após o deslocamento da coluna.

4 Resultados com glicerina Quando a coluna inicia seu movimento, a pressão obedece um regime transiente de aumento até sua estabilização. No ensaio representado na Figura 3 o início do teste e variação de pressão ocorre em 2,3 s e estabiliza entre 6 e 9 s. A coluna para em aproximadamente 9 s onde novamente um regime transiente de redução de pressão ocorre até aproximadamente 14 s. A partir daí a diferença de pressão estabiliza na mesma condição do início do teste, zero mbar. Resultados com carbopol Assim como no teste com glicerina, a coluna inicia seu movimento e a pressão aumenta até atingir um patamar constante. Esta região é menor quando comparada aos testes com glicerina. Seguidamente a coluna cessa seu movimento e a pressão diminui até um determinado patamar, que é diferente da condição inicial. A Figura 3 compara as curvas obtidas em um ensaio surge com os dois fluidos. Fica evidente que após a realização de um ensaio com o carbopol a pressão não volta a zero. Isso sugere a existência de uma certa memória na diferença de pressão, devida ao deslocamento da coluna. O mesmo, porém, não ocorre com o fluido newtoniano. desta. De modo semelhante a pressão não retorna à condição inicial. Porém, como os ensaios de subida e descida são feitos de maneira cíclica, ou seja, um ensaio swab é continuação de um ensaio surge, observa-se que ao final de um ciclo a pressão retorna à sua condição inicial. Isso mostra uma característica simétrica nas curvas, como se uma subida eliminasse o efeito da memória de pressão gerada na descida e vice-versa. A Figura 4 mostra em escala ampliada de tempo, 5 ciclos de ensaios de subida e descida realizados de maneira alternada. As curvas foram sobrepostas para melhor visualizar a sua característica simétrica. A figura também mostra uma boa repetibilidade dos testes. Figura 4 - cinco ciclos de ensaios de subida e descida da coluna de perfuração Figura 3 - comparativo dos restes com carbopol e glicerina Observou-se também a memória de pressão nos testes com a subida da coluna de perfuração. Neste caso a pressão diminui com a subida da coluna e volta a aumentar com a parada Para verificar se a memória tende a desaparecer ou estabilizar em um determinado valor de pressão, os testes foram realizados com intervalos de tempo diferentes. Os tempos de observação foram de 2, 5 e 10 minutos e estão representados nas colunas da Tabela 1. Na tabela estão informadas as diferenças de pressão gerada pelo deslocamento da coluna, e a amplitude da memória de pressão observadas no término do teste. Também estão indicadas separadamente as pressões surge e swab, pois estas são diferentes devido às velocidades de descida e subida da coluna serem diferentes. Estas diferenças são porém sutis.

5 Tabela 1 comparação entre diferentes intervalos de deslocamento da coluna. (Mbar) 2 min 5 min 10 min Diferença de pressão - surge Diferença de pressão - swab Memória de pressão - surge Memória de pressão - swab 100,2 100, ,5 101,4 101,5 57,7 57,3 57,3 57,7 57,4 57,3 Estes dados experimentais evidenciam uma memória de pressão com intensidade de cerca de 57% da diferença de pressão gerada pelo movimento da coluna. Além disso, os testes com diferentes intervalos de deslocamento da coluna mostram que a memória de pressão diminui muito pouco com um aumento do tempo de observância. De 2 para 10 min houve uma diminuição de apenas 0,7% na memória de pressão. CONCLUSÕES A comparação dos resultados mostra que a memória de pressão pode estar relacionada com a propriedade viscoplástica do fluido. Por fim verifica-se a importância do fenômeno ser levado em conta na previsão das pressões de surge e swab, pois a não transmissão de pressão em poços de perfuração pode dificultar a previsão e detecção de condições de operação fora do normal. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS WOLSKI, A., JUNQUEIRA, S.L.M., NEGRÃO, C.O.R., A steady-state approach for evaluation of surge and swab pressures in flows with free surface boundary conditions, Journal of Petroleum Science and Engineering, 122, FEDEVJCYK, J. V., JUNQUEIRA, S. L. M., NEGRÃO, C. O. R., MARTINS, A. L., Mathematical Model for Transient Simulation of Surge & Swab in Wells with Cross-Section Variation, American Association of Drilling Engineers, 48. No presente trabalho, o efeito da memória de pressão gerada após o deslocamento de coluna de perfuração foi avaliado a partir de um aparato experimental. A aparato consegue impor um deslocamento com velocidade constante na coluna de perfuração, enquanto isso a diferença de pressão é medida através de um sistema de aquisição de dados. Ensaios foram realizados para um fluido newtoniano, glicerina, e um fluido nãonewtoniano, carbopol. A partir dos resultados obtidos é possível concluir que após a realização de um ensaio de subida ou descida utilizando carbopol, a diferença de pressão no poço não volta a zero. Porém, para um fluido newtoniano fica evidente que este efeito não ocorre. Com as curvas de surge e swab sobrepostas, observa-se que a repetibilidade dos testes experimentais foi boa. Também foi feito uma análise da tendência dessa memória ao longo do tempo, para verificar se caso um intervalo maior de tempo fosse transcorrido a pressão voltaria à condição inicial, ou se realmente o regime permanente foi atingido. Com este teste pode se concluir que a memória de pressão não varia significativamente para os intervalos de tempo utilizados nos testes, e que variações significativas levaria um tempo muito grande que não representaria as condições operacionais.