Um estudo da estabilidade mecânica de poços a partir de perfis geofísicos em formações pouco consolidadas

A análise da estabilidade mecânica de um poço pode ser feita a partir do cálculo de parâmetros elásticos da formação utilizando a densidade do meio e as velocidades de propagação das ondas compressional e cisalhante na formação rochosa, os quais podem ser obtidos de perfis geofísicos do poço. Em formações sedimentares pouco consolidadas as ferramentas de perfilagem sônica convencionais (monopolares) não conseguem registrar com acuidade a velocidade da onda cisalhante pois a primeira chegada dessa onda é camuflada pela chegada de outras ondas que podem ser mais rápidas que a onda cisalhante num poço perfurado neste tipo de formação. Medidas das velocidades sônicas são feitas em laboratório em amostras da formação, sob condições semelhantes às condições in situ, servindo como ajuste das velocidades registradas no poço pela ferramenta de perfilagem sônica. Para a análise de estabilidade da formação, perfis auxiliares são necessários como o perfil de porosidade, saturação de fluidos e perfis de composição mineralógica da formação rochosa. Exige-se ainda dados de testes de avaliação da formação e de condições do reservatório, mas que são comuns em poços de petróleo, como o teste de formação e os testes de pressurização do poço, tais como o teste de micro-fraturamento hidráulico ou o teste de absorção. A avaliação das tensões principais efetivas que atuam distante do poço, e que não são afetadas pela sua presença, é feita através da associação de um modelo de deformação elástica apropriado e o resultado do teste de pressurização disponível para o poço em estudo. Utilizando resultados clássicos da teoria da elasticidade geral pode-se calcular o campo de tensões modificado na vizinhança da parede do poço devido ao efeito da própria presença do poço ali perfurado e da diferença de pressão existente entre o interior do poço e a formação rochosa. A determinação das propriedades mecânicas da formação a partir das velocidades sônicas e a avaliação do campo de tensões assumindo um modelo elástico de deformação, supõem o meio rochoso no qual as ondas se propagam como elástico, homogêneo e isotrópico. Esta suposição representa a principal aproximação assumida pela metodologia descrita neste trabalho. De posse das propriedades mecânicas da formação e do campo de tensões que age na vizinhança do poço resta definir o critério segundo o qual a rocha sofre instabilidade mecânica quando submetida aquele campo de tensões. Isto permite determinar se, nas condições avaliadas do poço e da formação, haverá quebra da parede do poço por excesso de tensão e, se houver, qual a sua extensão. Assim o problema é como analisar o comportamento mecânico de um poço em uma formação pouco consolidada a partir de perfis geofísicos os quais podem ter problemas no registro das propriedades físicas do meio em formações deste tipo. A metodologia proposta é aplicada a dois intervalos de profundidade pertencentes a dois poços onde arenitos e folhelhos se intercalam e nos quais todos os dados necessários estão disponíveis. Os resultados obtidos mostram que, exceto quando outros mecanismos de quebra da parede do poço agem na formação, a metodologia proposta consegue com sucesso detectar zonas de ocorrência de instabilidade mecânica do poço provocadas por um campo de tensões que excede a resistência mecânica da formação.

ABSTRACT: The stability of boreholes can be evaluated from the rocks' mechanical properties, which are compared to the acting stress field using an appropriate failure criterion. The elastic parameters can be measured on rock samples in the laboratory (static parameters) or can be calculated from acoustic velocities and the formation bulk density (dynamic parameters). Dynamic elastic parameters can be obtained from wireline logs, but in poorly consolidated rocks the arrival of the shear wave is often masked by the Stoneley wave, which may travel faster and has a higher amplitude. The giant Campos basin offshore Brazil contains such rocks. We performed laboratory measurements of acoustic velocities on samples from this basin and we use them to correct the shear velocities obtained from waveform processing. Based on this we calculate elastic properties (e.g. Poisson's ratio, bulk modulus) of the rocks which we assume to be homogeneous and isotropic. Mechanical properties such as the shear, compressional and tensional strength are obtained from empirical relations with mineralogy and the elastic parameters. The stress field was evaluated using an uniaxial strain model and actual formation pressure data. From this, near-wellbore stresses were calculated using the modified Kirsch equations. The stress concentrations around the wellbore are illustrated for a number of representative cases. Wellbore failure occurs when these local stresses exceed the formation strength. Three different failure criteria were tested: The Mohr-Coulomb, the Griffith and the Fairhurst criterion. They respectively represent failure due to shear, tension and a combination of compression and tension. Actual wellbore instability was determined from the differential caliper measurement. Two sequences were analyzed, both consisting of intercalations of sands and shales. We found that the Fairhurst criterion offered the best match with the actually observed wellbore failure, and we propose it as a method to predict borehole instability for this basin.