Evaporitos da Bacia de Santos: Aspectos Geológicos e de Estabilidade de Poços

Mecânica das Rochas para Recursos Naturais e Infraestrutura SBMR 2014 – Conferência Especializada ISRM 09-13 Setembro 2014 © CBMR/ABMS e ISRM, 2014

Evaporitos da Bacia de Santos: Aspectos Geológicos e de

Estabilidade de Poços

João Silveira Gomes Junior

UNIMONTE, Santos, Brasil, jsilveirafilho@hotmail.com Anderson do Nascimento Pereira

UNIMONTE e PETROBRAS, Santos, Brasil, anderson.pereira@unimonte.edu.br Samara Cazzoli y Goya

UNIMONTE e IO-USP, Santos, Brasil, scgoya@gmail.com

RESUMO: A presença de estruturas evaporíticas em bacias sedimentares proporcionam condições favoráveis para o acúmulo de hidrocarbonetos e aumentam a probabilidade de sucesso exploratório. Na bacia de Santos existem grandes reservas de óleo leve abaixo de uma espessa camada de rochas evaporíticas. Estas rochas são constituídas por minerais salinos, e por este motivo possuem propriedades químicas e físicas diferentes das demais rochas da crosta terrestre. Os evaporitos são rígidos, mas se deformam caso sejam submetidos a um diferencial de tensão ao longo do tempo. A deformação destas rochas pode ocasionar problemas operacionais durante a perfuração como o colapso do poço, prisão da coluna de perfuração e colapso do revestimento. O objetivo deste trabalho é relacionar o comportamento mecânico dos evaporitos com problemas de estabilidade de poços em camadas salinas. Realizou-se um levantamento bibliográfico e posteriormente, um estudo de caso envolvendo o planejamento da perfuração de um poço vertical hipotético atravessando uma seção salina em determinada porção da bacia de Santos. A sequência salina é composta por camadas de anidrita, taquidrita, carnalita e halita, onde a taxa de fluência destes sais são distintas. Para controlar a fluência e a dissolução destas rochas, optou-se por utilizar um fluido de perfuração de base sintética, variando a densidade conforme a camada atravessada. Contudo, conclui-se que para manter a estabilidade de um poço em zona evaporítica, é necessário o conhecimento prévio das camadas salinas a serem perfuradas a fim de estabelecer as melhores práticas, como a escolha do fluido de perfuração a ser utilizado. O fluido de perfuração é a principal ferramenta utilizada para evitar o colapso do poço por fluência. A integridade estrutural do poço deve ser preservada, pois o custo da perfuração de um poço é muito alto, devendo-se evitar prejuízos. O projeto deve ser realizado por uma equipe multidisciplinar que deverá discutir a melhor maneira de estabelecer a trajetória do poço.

PALAVRAS-CHAVE: Evaporitos, Estabilidade de Poços, Bacia de Santos.

1 INTRODUÇÃO

Os evaporitos são rochas sedimentares de origem química e são compostas por camadas de minerais salinos. A precipitação dos minerais salinos ocorre devido à evaporação da água de uma salmoura em ambiente restrito com clima quente e seco. Para que ocorra a precipitação destes minerais é necessário que o aporte de

água doce seja nulo ou menor que a taxa de evaporação. A ordem de precipitação depende da solubilidade e da quantidade de cada composto disponível na água do mar. Geralmente, o mineral halita (NaCl) é encontrado em maior quantidade nas camadas evaporíticas, pois os íons de Na+ e Cl- são predominantes na composição da água do mar.

estado sólido, mas se forem submetidas à pressão ao longo do tempo, estas rochas se deformam, assim como os fluidos. Este fenômeno é conhecido como Fluência do Sal ou

Creep. Segundo Medeiros (1999), os evaporitos

tem capacidade de deformar pacotes sedimentares adjacentes, propiciando uma estrutura favorável à acumulação de hidrocarbonetos. Além disso, possuem permeabilidade praticamente nula, tornando-as excelentes rochas selantes.

Mackay et al. (2007) destacaram a perspectiva de crescimento da produção nacional de hidrocarbonetos após a descoberta de novos campos petrolíferos, e citam como exemplo a descoberta de petróleo leve em reservatório de alta produtividade situado abaixo de uma espessa camada de sal na Bacia de Santos.

Em contrapartida, existe uma grande dificuldade em perfurar extensas camadas de sal devido ao seu comportamento mecânico e sua capacidade de fluência. Botelho (2008) descreve que a complexidade destes corpos salinos requerem altos custos e tecnologia inovadora para alcançar os campos de produção, sendo necessária a utilização de procedimentos especiais para perfuração através de evaporitos.

Uma alternativa para minimizar a taxa de fluência do sal é gerenciar o peso do fluido de perfuração, garantindo uma maior estabilidade até que o poço seja devidamente revestido. Deste modo, o objetivo deste trabalho é relacionar o comportamento geomecânico dos evaporitos com problemas de estabilidade de poços em zonas de sal, através de revisão bibliográfica e um estudo de caso.

2 EVAPORITOS DA BACIA DE SANTOS

A Bacia de Santos é uma bacia sedimentar de margem passiva, localizada na região sudeste da margem continental brasileira, com 352.000 km² de área. A Figura 1 ilustra o limite da Bacia de Santos com a Bacia de Pelotas, no Alto Florianópolis e com a Bacia de Campos, no Alto do Cabo Frio. Sua evolução é resultado da propagação da ruptura do supercontinente Gondwana, que ocorreu em fases. Segundo

Chang et al. (2008) a deposição dos evaporitos ocorreu após o rompimento litosférico, quando a circulação da água do mar foi restringida pela presença de altos vulcânicos. O clima na época era quente e seco, propiciando a evaporação.

Figura 1. Localização da Bacia de Santos (Chang et al., 2008).

Moreira et al. (2007) relata que o tempo estimado de deposição dos evaporitos é de 0,7 a 1 milhão de anos, permanecendo, ainda, imprecisa a taxa de acumulação devido à alta mobilidade da halita. Os evaporitos da Bacia de Santos foram depositados durante o período Cretáceo e estão presentes na Formação Ariri, onde o seu limite inferior se dá pelos carbonatos da Formação Barra Velha, e o limite superior pela transição dos evaporitos para os sedimentos siliciclásticos e carbonáticos das Formações Florianópilos e Guarujá.

3 ESTABILIDADE DE POÇOS EM

ZONAS EVAPORÍTICAS 3.1. Estudo Geomecânico

Segundo Rocha e Azevedo (2009), geomecânica é o ramo da ciência que estuda o comportamento mecânico de todos os materiais geológicos, solos e rochas e suas reações aos campos de força que se manifestam sobre o respectivo ambiente físico.

O estudo da mecânica das rochas se assemelha ao estudo da mecânica dos materiais. Gere e Goodno (2010) definem que os conceitos fundamentais na mecânica dos materiais são a tensão e a deformação. Estes autores descrevem que a tensão é dada em unidades de força por unidade de área e é referida pela letra grega σ (sigma).

As rochas evaporíticas presentes na bacia de Santos, assim como as demais rochas da bacia, estão sujeitas às tensões resultantes do peso das camadas que as sobrepõe, das forças de coesão das rochas e dos esforços tectônicos. A hipótese utilizada na Engenharia de Petróleo é que a tensão vertical (σv) é considerada uma tensão principal, logo, no plano horizontal há duas tensões que são chamadas de tensão horizontal maior (σH) e tensão horizontal menor (σh). A Figura 2 representa a ação das tensões nas formações.

Figura 2. Tensões atuantes na formação.

As tensões atuantes na rocha são responsáveis por sua deformação. Segundo Rocha e Azevedo (2009), a deformação de um corpo resulta em sua movimentação, a partir de uma configuração original, para uma nova configuração deformada, ocasionando uma mudança na posição relativa dos pontos do corpo. Para o cálculo da tensão vertical, integra-se o perfil de densidade, demonstrado na Equação (1).



0

v = (z)gdz

 (1)

Onde σv representa a tensão de sobrecarga, ρ é a massa específica, z é a profundidade desejada, g é a constante gravitacional e dz é a variação da profundidade. Utiliza-se uma relação da teoria da elasticidade baseada na Lei de Hooke, onde a razão entre a tensão (σ) e a deformação (ε) é dada pelo módulo de elasticidade ou módulo de Young (E), demonstrada na Equação (2):

 

=

E (2)

A relação entre duas deformações é dada pelo coeficiente de Poisson (ʋ), representada na Equação (3), que mede a deformação transversal de um material homogêneo e isotrópico. vertical horizontal       axial radial -= (3)

Generalizando-se a Lei de Hooke para um espaço tridimensional isotrópico e homogêneo, as deformações normais nas três direções, como descritas nas Equações (4), (5) e (6).













Supondo-se que εx = εy = 0 e que σx = σy, pode-se escrever a Equação (7):

z y _     1 (7)

A tensão vertical efetiva pode ser relacionada com a tensão horizontal máxima efetiva pela relação de Poisson. Admitindo-se que a direção

z seja a vertical e que x e y as horizontais,

pode-se reescrever a Equação (7), obtendo-pode-se a Equação (8).

v H h        1 (8)

Onde h a tensão horizontal menor, H a

tensão horizontal maior,  é o coeficiente de Poisson, e v é a tensão de sobrecarga. Nesta

aproximação as tensões horizontais são supostas como tendo a mesma magnitude.

Calculando-se as tensões horizontais e a vertical é possível estimar os esforços atuantes na formação a ser perfurada. O conhecimento e monitoramento destas tensões são de extrema importância para a obtenção de sucesso na construção de poços em zonas evaporíticas, pois, conhecendo as tensões in-situ e as tensões atuantes na parede do poço, é possível evitar problemas operacionais, como por exemplo, colapso do revestimento.

3.2. Fluência dos Evaporitos

Segundo Botelho (2008), na ciência dos materiais, a fluência, ou “creep”, é o termo usado para descrever a tendência de um material se deformar ao longo do tempo para aliviar a tensão. A fluência dos evaporitos depende de alguns fatores como a espessura da camada de sal, a temperatura da formação, a composição mineralógica, o teor de água, a presença de impurezas e a extensão onde o diferencial de tensão é aplicado.

Costa (1984) e Botelho (2008) reforçam que a velocidade de deformação por fluência (dε/dt) é fortemente dependente do nível de tensão aplicada, como representada na Figura 3. Os autores ainda estabeleceram que quanto maior a temperatura, maior será a velocidade de deformação por fluência ou taxa de deformação, como indica o gráfico da Figura 4.

Com o objetivo de compreender o comportamento de seções evaporíticas perfuradas durante a construção de um poço de petróleo, realizam-se ensaios de corpo de prova, a fim de aperfeiçoar a perfuração de zonas salinas.

Segundo estudos de Poiate et al. (2006) e Botelho (2008) uma alternativa para combater a fluência de camadas evaporíticas é aumentar o peso do fluido de perfuração para que as

tensões, assim como as deformações, diminuam.

Esta compensação realizada pelo fluido de perfuração é de extrema importância, pois permite que o poço seja revestido ou completado a tempo, sem que haja o colapso do poço devido à fluência das camadas evaporíticas.

Figura 3. Curvas de fluência para variação com tensão e temperatura constante (Botelho, 2008).

Figura 4. Curvas de fluência para variações de temperatura a uma tensão constante (Botelho, 2008).

3.3. Fluido de Perfuração

Uma das principais funções do fluido de perfuração é equilibrar a pressão hidrostática do poço através de sua densidade. Quando a perfuração acontece em zonas evaporíticas, a escolha do fluido de perfuração a ser utilizado é muito importante, pois, neste caso o fluido é responsável por diminuir a taxa de fluência de camadas salinas, evitando o colapso do poço. Holt e Johnson (1986) afirmam que em muitos casos, especialmente em formações salinas, a taxa de fluência da formação é inversamente proporcional à densidade do fluido de

perfuração. Um estudo realizado por Mackay et al. (2008) indicou que a causa de um rápido colapso de poço em zona salina, deve-se ao baixo peso do fluido de perfuração.

Dusseault et al. (2004) explicam que na perfuração de seções salinas, algumas propriedades específicas do sal, como a fluência e a alta solubilidade, devem ser reconhecidas e incorporadas no projeto de perfuração. Os autores ainda ressaltam que estratégias adotadas para o sucesso da perfuração em camadas salinas envolve o reconhecimento do comportamento de fluência do sal, tensões, ajuste da densidade do fluido de perfuração e temperatura.

Bleler (1990) afirma que a utilização de fluidos de perfuração à base de água (WBM –

Water Based Mud) em zonas evaporíticas pode

causar danos como a dissolução da rocha, a menos que o fluido seja saturado antes da perfuração da camada salina. Portanto, é importante entender que a solubilidade dos sais está ligada a temperatura, portanto, os fluidos saturados em superfície podem não ser eficientes ao entrar em contato com formações a elevadas temperaturas. Dusseault et al. (2004) destacam que os fluidos à base de óleo ou sintéticos são indicados para perfuração de camadas salinas espessas, pois o risco de dissolução da rocha é menor e o fluido possui alta eficiência contra a fluência.

Zhang et al. (2008) relatam que é de extrema importância realizar a modelagem da estabilidade do poço em função do peso do fluido de perfuração. Esta modelagem permite que seja criada uma janela operacional para pressão anular. Uma janela operacional segura é caracterizada pela densidade do fluido, que é suficientemente elevada para assegurar a estabilidade do poço e baixa o suficiente para assegurar que perdas de fluido não ocorram.

A escolha inadequada do fluido de perfuração pode acarretar problemas como a formação de batentes, que acontece em seções com intercalações de anidrita e halita ou seções com intercalações de outros tipos de rochas solúveis e rochas insolúveis, washout, que é o alargamento do poço devido à interação da coluna com o poço ou pelo excesso de vazão, e

break-outs, que são falhas por cisalhamento.

4. ESTUDO DE CASO

O estudo de caso está relacionado à perfuração de um poço vertical hipotético com o objetivo localizado a 6.400 metros de profundidade, sendo 1.500 metros de lâmina d’água. A zona mais crítica do projeto está localizada na profundidade de 5.000 metros a 6.000 metros que compreende uma sequência evaporítica com as rochas anidrita, taquidrita, carnalita e halita. O poço está localizado em determinada porção da bacia de Santos. Discute-se principalmente a profundidade de assentamento das sapatas de revestimento e o dimensionamento do fluido de perfuração necessário para manter a estabilidade.

4.1. Previsões Geológicas

Na geologia, a descrição de uma coluna geológica é realizada no sentido da base para o topo, mas neste trabalho será realizada no sentido topo para base, já que é nesta ordem que será realizada a perfuração.

Tabela 1. Previsões Geológicas Profundidade

(m)

Litologia 0 – 1.500 Lâmina d’água.

1.500 – 1.900 Argilito pouco compactado, maciço. 1.900 – 2.500 Folhelho pouco compactado, maciço. 2.500 – 3.000 Arenito fino, maciço, moderadamente

poroso.

3.000 – 3.200 Folhelho pouco compactado

3.200 – 3.400 Arenito fino, maciço, moderadamente poroso.

3.400 – 3.600 Siltito, maciço, levemente compactado. 3.600 – 3.800 Arenito fino, maciço, moderadamente

poroso.

3.800 – 4.000 Folhelho terrígeno, maciço. 4.200 – 4.300 Folhelho carbonáticos, maciço. 4.300 – 4.400 Calcário moderadamente poroso,

maciço.

4.400 – 5.000 Intercalações de calcarenito, calcário e folhelho carbonático.

5.000 – 6.000 Sequência de deposição de evaporitos estratificados.

6.000 – 6.200 Calcário, baixa porosidade, maciço. 6.200 – 6.400 Calcarenito bastante poroso. 6.400 – 6.500 Folhelho carbonáticos, maciço.

A seção evaporítica inicia-se com uma camada de 100 metros de anidrita no topo. Logo abaixo se encontra uma camada de 50 metros de

taquidrita e 50 metros de carnalita. Em seguida encontra-se uma camada de 700 metros de halita, e 100 metros de anidrita na base.

4.2. Gradientes de Pressão

Rocha e Azevedo (2009) definem que gradiente de pressão é a razão entre a pressão e sua profundidade de atuação, geralmente referenciada à mesa rotativa na sonda de perfuração, podendo ser expresso em psi/ft ou psi/m, entretanto, é muito comum que os gradientes de pressão sejam expressos em unidades de massa específica, como lb/gal ou g/cm³. No caso em que o gradiente de pressão é expresso em unidades de massa específica, o gradiente de pressão é chamado de peso de fluido equivalente, densidade equivalente ou peso de fluido.

Este trabalho apresenta a profundidade em metros e o gradiente de pressão em lb/gal, conforme apresentado na Figura 5. O cálculo do gradiente de pressão está representado na Equação (9).

Figura 5. Gradiente de Pressão.

Segundo Borges (2008), a pressão de colapso é a pressão que leva a falha da rocha por

cisalhamento e a pressão de poros muitas vezes é referida como pressão da formação, e pode ser definida como a pressão do fluido contido nos espaços porosos da rocha. A pressão de fratura é a pressão que leva à falha da rocha por tração.

C.D P =

G (9)

Onde G é o gradiente de pressão, P é a pressão, D é a profundidade vertical e C é uma constante de conversão de unidades. A constante C tem valor de 0,1704 quando a pressão estiver expressa em psi, a profundidade em metros, e o gradiente de pressão em lb/gal. Se a profundidade estiver expressa em pés, a constante C receberá o valor de 0,0519.

4.3. Planejamento da Perfuração do Poço Segundo Mohriak et al. (2009) o melhor planejamento é através da discussão dos cenários geológicos com a equipe multidisciplinar de projeto, e prever contingências para agilizar a solução de problemas. O importante é não generalizar nada, pois o comportamento do sal é único para cada poço perfurado.

O projeto de revestimento em zonas evaporíticas deve ser criterioso, pois, nas regiões onde se localizam os sais com maior mobilidade, a fluência pode comprometer a integridade do revestimento. Segundo Wilson et al. (2002) as consequências do colapso de um poço pode resultar em bilhões de dólares em custos de reparação e perda de produção. Seguindo os critérios necessários para manter a estabilidade do poço, garantir a eficiência da perfuração e reduzir o tempo não produtivo, o revestimento do poço do presente trabalho ocorre em seis fases.

Durante a construção do poço foram utilizadas brocas com diferentes diâmetros, sendo eles: 36”, 26”, 17 ”, 14 ”, 8 ” com alargador de 12 ” durante a seção evaporítica, e 8 ” novamente na porção final.

Os revestimentos possuem os seguintes diâmetros: 30”, 20”, 16”, 11 ”, 9 ” e liner

7”. A Figura 6 ilustra o as fases de revestimento do poço.

Figura 6. Previsão geológica e fases de revestimento As profundidades de assentamento das sapatas de revestimento foram definidas através da análise da janela operacional formada a partir dos dados de pressão de sobrecarga, pressão de fratura e pressão de poros.

Segundo Rocha e Azevedo (2009) não existe um critério definido para a determinação da profundidade de assentamento do revestimento condutor, mas geralmente em poços marítimos ocorre entre 10 e 50 metros a partir do fundo do mar. Ainda segundo estes autores, o assentamento do revestimento condutor ocorre entre 400 e 500 metros de profundidade, dependendo da experiência que se tem na área. O assentamento de revestimentos de áreas profundas é realizado com base na experiência do profissional na área, gradientes de pressão de poros, colapso e fratura, a possibilidade de ocorrência de kick ou não, zonas de perda de circulação, longas extensões de poço aberto, entre outros.

Neste projeto, optou-se assentar as sapatas de revestimento das zonas mais profundas no topo

e na base da seção evaporítica, a fim de promover o isolamento da área com maior confiabilidade. O topo e a base da seção são compostos por anidrita, que é a rocha mais rígida e com menor taxa de fluência dentre as rochas evaporítica presentes na seção.

A escolha do fluido de perfuração utilizado foi feita com base nas análises da estratigrafia e propriedades dos sais encontrados na coluna geológica. Optou-se por utilizar um fluido de perfuração de base sintética, a fim de prevenir problemas como a dissolução dos sais. A densidade do fluido foi definida com base na taxa de fluência, conforme apresentada na Tabela 2.

Tabela 2. Taxa de fluência (pol/h) por tipo de sal e pela densidade do fluido (modificado de Mohriak et al. 2009).

Densidade do fluido (lb/gal) Tipo de

Sal 10,5 12 13 14

Taquidrita 0,2345 0,0879 0,0433 0,0196 Carnalita 0,0417 0,0149 0,0067 0,0026 Halita 0,0052 0,0018 0,0008 0,0004

Nas formações acima da sequência evaporítica, a densidade de fluido adotada variou entre 8,5 lb/gal e 9 lb/gal. Já a densidade adotada para casa camada salina atravessada variou de acordo com os valores da Tabela 2.

5. CONCLUSÃO

A presença de estruturas evaporíticas em bacias sedimentares propicia um ambiente favorável à acumulação de hidrocarbonetos, pois, o evaporito é praticamente impermeável, o que o torna uma rocha selante por excelência. Possuem propriedades químicas e físicas distintas das demais rochas da crosta terrestre, pois, o evaporito é um sólido com comportamento fluido, admitindo a capacidade de fluir (creep) ao longo do tempo geológico. Esta fluência ocasiona divessos problemas operacionais como prisão da coluna de perfuração, colapso de revestimento, formação de batentes, entre outros.

Contudo, conclui-se que para manter a estabilidade de um poço em zona evaporítica, é necessário o conhecimento prévio das camadas

salinas a serem perfuradas a fim de estabelecer as melhores práticas, como a escolha do fluido de perfuração a ser utilizado. O fluido de perfuração é a principal ferramenta utilizada para evitar o colapso do poço por fluência.

A definição da profundidade para o assentamento das sapatas dependem principalmente da experiência do profissional na área, dos gradientes de sobrecarga, pressão de fratura e pressão de poros, e outros fatores que variam de acordo com a área a ser perfurada, como por exemplo, a ocorrência de gases superficiais.

A integridade estrutural do poço deve ser preservada, pois o custo da perfuração de um poço é muito alto, devendo-se evitar prejuízos. O projeto deve ser realizado por uma equipe multidisciplinar que deverá discutir a melhor maneira de estabelecer a trajetória do poço.

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