Presiunea si temperatura in zacamintele de hidrocarburi

Presiunea si temperatura

in zacamintele de hidrocarburi

Conditiile de temperatura

In partea superficiala a litosferei (sub 10 000 m), traversata prin foraje, se disting doua zone cu campuri de temperatura diferite. Ele sunt delimitate de asa-numita suprafata de temperatura constanta, aflata la o adancime ce variaza in functie de latitudine, altitudine, structura geologica si conductivitatea termica a rocilor. Astfel, la ecuator, suprafata de temperatura constanta se gaseste la 4 - 5 m adancime; in Europa centrala la 20 - 30 m; la Bucuresti la 25 m; in regiunile polare ea se afla la o adancime mai mare.

Deasupra suprafetei de temperatura constanta, campul de temperatura este determinat de caldura externa, primita de la soare, fluxul termic mediu fiind de 1353 watt/m² (4871 kJ/m²/h). in aceasta zona exista o variatie diurna (mai mare spre ecuator) si o variatie sezoniera (mai mare spre poli).

Sub suprafata de temperatura constanta, campul de temperatura este determinat de caldura interna medie, fluxul termic mediu fiind de 41,87 watt/m² (150,7 J/m²/h). Temperatura creste cu adancimea dupa o lege aproximativ liniara la scara intregii zone.

Cat timp nu intervin procese insotite de transfer de caldura (exploatarea unor zacaminte prin metode termice - injectie de abur, combustie subterana, prin injectie de apa, exploatarea prin recirculare a apelor geotermale etc), campul termic in aceasta zona este, cel putin la scara de timp umana, stationar. Estimarea temperaturii se face de obicei cu relatia [3]:

unde: T₀ este temperatura medie anuala a zonei de suprafata (care, in tara noastra, variaza intre 9,8C in si 9,2C in nord, la altitudini sub 300 m), H - adancimea, in metri, iar |grad T| - modulul gradientului geotermic, care variaza de la o regiune la alta in functie de unii factori locali: structura geologica a regiunii, prezenta substantelor radioactive, activitatea vulcanica etc.

In cele mai multe zone din tara noastra, dar si in multe regiuni din strainatate, gradientul geotermic este de 0,03⁰C/m; prin conventie, el este denumit "gradient normal'. In figura 1.1 sunt prezentate cateva date de temperatura din tara si din strainatate.

Cand temperatura se abate de la cea "normala', avem de a face cu anomalii de temperatura. Ele pot fi:

pozitive, cand temperatura este mai mare decat cea corespunzatoarei gradientului normal;

negative, cand temperatura este mai mica decat cea calculata cu gradientul normal.

Anomaliile pozitive sunt generate de surse termice pozitive: vecinatatea unor zone cu vulcanism activ, a unor lacolite, batolite. in cazul tarii noastre, astfel de anomalii se intalnesc in vestul tarii in prelungirea anomaliilor corespunzatoare din Campia Panonica unde la adancimi cuprinse intre 1000 si 2000 m temperaturile pot fi cu peste 60C mai mari decat cele normale (spre exemplu, in sonda 4041 Galospetreu, la 3178 m a fost masurata o temperatura de 186C) si in zona Pitesti - Slatina cu anomalii ceva mai mici, circa 40C peste temperatura normala. Cu amplitudine mai mica pot fi anomaliile provocate de unele efecte tectonice orogenetice cu relaxare mecanica, in care energia disipata pentru modificarea de forma se regaseste sub forma de energie termica.

Cu frecventa si importanta mai redusa, se pot cita unele reactii fizico-chimice ce au loc in volume mari de roca, cum ar fi: hidratarea

Fig.1.1 Distributia temperaturii pentru unele sonde

din tara si din strainatate

unor minerale (anhidrit, metahalloisit), unele reactii de schimb ionic cu caracter exoterm.

Anomaliile negative de temperatura sunt generate in special de curentii descendenti de apa de la suprafata. Se intalnesc in zona bazinului inferior al Siretului si Dunarii, dar ele nu depasesc 20C. Unele reactii endoterme in volume mari de roca pot determina slabe anomalii negative, neimportante.

La scara sondei sunt citate unele anomalii pozitive sau negative, determinate de variatiile de conductivitate termica a rocilor. Conductivitatea rocilor depinde de compozitia mineralogica si de inclinarea stratelor (caldura se propaga mai bine pe directia paralela cu planul de stratificatie decat perpendiculara pe acest plan). In figura 1.2, pentru strate orizontale, este ilustrata conductivitatea diferitelor roci si anomaliile locale pe care le produce. Se observa ca, spre baza stratelor cu conductivitate mare, temperaturile sunt mai mici decat cele indicate de relatia (1.1), iar in partea superioara a acelorasi strate,

Fig.1.2 Carotaj geotermic

temperaturile sunt mai mari decat cele date de relatia respectiva. In cazul cand gaura de sonda este tubata si cimentata, anomaliile la scara sondei scad in mod simtitor datorita efectului 'nivelator' al coloanei si al umpluturii din spatele coloanei.

In procesele de foraj si cele de exploatare a zacamintelor de hidrocarburi are loc un transfer de caldura intre fluidele care curg in

gaura de sonda si rocile din zona adiacenta. Ca urmare, se produce un dezechilibru in raport cu starea initiala, de echilibru termic, descrisa mai sus. Din acest motiv, atunci cand se fac masuratori de temperatura in gaura de sonda libera, trebuie asigurat un timp de repaus suficient de mare pentru restabilirea echilibrului. Cu titlu orientativ, o pauza de numai 2 5 ore ar putea lasa peretii cu o temperatura mai mica decat cea de echilibru, cu pana la 30 50C, dar o pauza de 1 2 zile reduce diferenta la 5C. Din considerente de cost si de crestere a riscurilor cauzate de instabilitatea peretilor gaurii netubate, nu se poate lasa sonda prea mult in repaus, pentru restabilirea echilibrului termic.

Dupa tubarea si cimentarea unei coloane de burlane, ar trebui sa se astepte 510 zile pentru terminarea reactiei exotermice a cimentului si reechilibrarea campului termic.

Profilele concrete de temperatura, masurate in sonda cu acura-tetea necesara, pot indica situatii de functionare incorecta a sondei (neetanseitati ale coloanelor, comunicatia intre strate), pot da infor-matii utile asupra succesului operatiilor de cimentare, asupra adancimii de la care provin diferite fluide etc. Utilizarea unor modele adecvate de prelucrare a datelor de temperatura si folosirea unor informatii complementare sporesc utilitatea profilelor de temperatura din sonde.

Un interes particular pentru inginerul de zacamant il constituie masurarea temperaturii in "sondele termometrice', forate la distante relativ mici, in zacamintele exploatate prin combustie subterana pentru evaluarea procesului de combustie nu sunt posibile fara a cunoaste variatia temperaturii pe traseul sonda de injectie - sonda de reactie.

Temperatura din sonda se masoara in doua moduri: cu termometre de maximum si cu termometre inregistratoare.

Cunoasterea temperaturii in sonde si in zacaminte este importanta din mai multe motive:

- energia de zacamant depinde, printre altele, de temperatura sistemului de fluide continute in el;

- vascozitatea lichidelor din zacamant scade semnificativ cu temperatura; consumul de energie necesar pentru curgerea lichidului spre sonda si in sonda este determinat de temperatura acestuia;

- starea de agregare a sistemelor de hidrocarburi depinde intr-o mare masura de temperatura;

- proprietatile fluidelor de foraj si de izolare, precum si comportarea materialului tubular sunt afectate de temperatura; la temperaturi foarte ridicate sunt necesare tehnologii si materiale speciale;

- proprietatile fluidelor injectate in zacamant, pentru aport de energie sau pentru obtinerea anumitor efecte fizico-chimice, depind de temperatura;

- din informatiile oferite de termometriile efectuate in gaura de sonda, inginerul de foraj si cel de exploatare pot sesiza unele defectiuni in functionarea echipamentului din sonde.

Aplicatia 1   

Sa se estimeze temperatura normala la adancimi intre 1000 si 7000 m.

Raspuns

Folosind relata (1.1) se obtin urmatoarele rezultate (rotunjite):

Aplicatia 2

Sa se estimeze gradientul de temperatura mediu, stiind ca la adancimea da 3178 m a fost inregistrata temperatura de 186 C (sonda 4041 Galospetreu) si sa se prevada temperatura ce va fi intalnita la 4500 m, presupunand ca gradientul de temperatura mediu ramane constant.

Raspuns

Din relatia (1.1) obtinem:

|gradT| = (T − T₀) .

Cu datele de mal sus, rezulta:

|gradT| = 0,0542C/m .

La adancimea de 4500 m temperatura probabila va fi:

T = 9,6 + 0,0542 . 4500 = 254C

1.2 Conditiile de presiune

Inainte ca o sonda sa strabata o formatiune geologica, fenomenele produse si fortele care au actionat un timp indelungat au dus la o anumita solicitare mecanica a rocii si a fluidelor continute in porii sau fisurile ei. Starea de tensiune a rocii este determinata in cea mai mare masura de presiunea litostatica. Pentru fluidele din pori este caracteristica presiunea de strat (de formatiune).

Presiunea litostatica reprezinta greutatea sedimentelor de deasupra punctului considerat pe unitatea de suprafata. Accidental, peste aceasta, se suprapun si presiuni de natura tectonica.

Prin definitie, gradientul presiunii litostatice constituie raportul dintre presiunea litostatica si adancimea respectiva.

Prin analogie cu presiunea unei coloane de fluid, presiunea litostatica este data de relatia:

.

unde ρ_r reprezinta densitatea aparenta medie a rocilor de deasupra punctului de adancime H, iar g este acceleratia gravitationala.

Presiunea laterala (de confinare), numita uneori si presiune litostatica pasiva, cea verticala fiind considerata activa, se exercita in plan orizontal si este data de relatia:

Aici K este coeficientul de impingere laterala, iar ν − coeficientul lui Poisson; acesta din urma ia valori cuprinse intre 0,15 si 0,50.

Densitatea aparenta a rocilor creste, in general, cu adancimea, datorita compactizarii si prezentei mineralelor mai grele (vezi cap. 19).

Presiunea de strat reprezinta presiunea fluidelor continute de rocile din scoarta, in particular de rocile colectoare de hidrocarburi. Daca exista comunicatie intre strate, directa sau ocolita, pana la suprafata, presiunea de strat are valori "normale'. Presiunea normala de zacamant este cea corespunzatoare unei coloane de apa mineralizata cu densitatea p_a din punctul considerat pana la suprafata:

.

Este numita si presiune hidrostatica.

Densitatea apelor mineralizate din formatiunile sterile de deasupra acumularilor de hidrocarburi variaza in limite foarte largi de la 1000 la 1180 kg/m³ (mai frecvent intre 1030 si 1150 kg/m³).

In interiorul acumularilor de hidrocarburi la inaltime ∆H, deasupra contactului apa - hidrocarburi, aflat la adancimea H (fig. 1.3), presiunea este:

.

unde ρ _h este densitatea hidrocarburilor.

Relatia (1.5) poate fi pusa sub forma:

sau:

Aici p_n reprezinta presiunea normala la adancimea H- ∆H.

Fig. 1.3. Formarea "micilor anomalii'' de presiune

Avand in vedere ca, in zacamintele uniforme, ∆H nu reprezinta decat valori de ordinul a 10 ^-2 din H se obisnuieste, uneori, ca suprapresiunea ∆p = ∆ρ g ∆h ('mica anomalie') sa fie inclusa in presiunea normala introducand in relatia (1.4) densitatea apei ρ _a cu o valoare conventionala medie de 1150 kg/m³.

Presiunile ce difera de valoarea normala constituie anomalii negative, respectiv anomalii pozitive de presiune.

Cauzele anomaliilor de presiune sunt diverse si nu totdeauna cunoscute. Dintre cele mai importante mentionam [1]:

diferenta de densitate dintre apa si hidrocarburi, 'mica anomalie';

existenta unui alt zacamant la o adancime simtitor mai mare, cu care zacamantul considerat comunica - "marea anomalie' (fig. 1.4);

- eroziunea stratelor de deasupra, fara ca presiunea celui care este interpretat sa se modifice;

Fig. 1.4. Formarea "marilor anomalii'' de presiune

Fig. 1.5. Ilustrarea anomaliilor de presiune cauzata de cutarea stratelor.

- activitatea fortei tectonice care produce deformari (cutari) ale stratelor cu modificarea volumului, asa cum este schematizat in figura 1.5; in lipsa comunicatiei, in stratele A si C apar anomalii pozitive, iar in stratul B o anomalie negativa;

- recristalizarea unor minerale in forme diferite de cele initiale cu schimbarea de volum a rocii si modificarea presiunii din pori; cristalizarile din solutie conduc si ele, in general, la cresterea volumului;

- cresterea de volum a hidrocarburilor care, in timp, trec spre o stare de maxima stabilitate termodinamica.

Presiunea dintr-un strat productiv se masoara prin sonde cu ajutorul unor manometre inregistratoare.

Pentru ca masuratoarea sa fie veridica, trebuie sa existe un echilibru hidrodinamic intre strat si gaura de sonda. Acest lucru este aproape imposibil de realizat in timpul forajului si greu de atins in sondele de extractie si de injectie. De obicei, la acestea din urma, se inregistreaza variatia presiunii in timp prin modificarea debitului de curgere; printr-o interpretare adecvata, se poate obtine presiunea din formatiune [4, 5].

Presiunea din formatiunile traversate prin foraj se poate estima si prin masuratori geofizice [2].

Cunoasterea presiunii din formatiunile traversate si, in particular, din zacamintele de hidrocarburi este importanta pentru siguranta procesului de forare a sondelor care presupune mentinerea unei presiuni in gaura de sonda mai mare decat cea din strat si la deschiderea formatiunilor productive, diferenta de presiune sonda-strat trebuie sa fie cat mai mica, pentru a impiedica contaminarea lor, cu grave repercursiuni asupra productivitatii sondelor;

presiunea initiala de zacamant determina atat starea de agregare a sistemului de hidrocarburi, cat si energia de zacamant;

- proiectarea operatiilor de fisurare hidraulica presupune cunoasterea presiunii litostatice, dar si a celei de strat;

- interpretarea corecta a anomaliilor de presiune ofera informatii de ordin geologic si prospectiv (de exemplu "marea anomalie" poate indica prezenta unui zacamant la mare adancime).

Aplicatia 3

Sa se estimeze presiunea la adancimile de 1000, 3000, 5000 i 7000 m, considerand densitatea apei mineralizate constanta pe toata adancimea si anume 1150 kg/m³ si g = 9,81 m/s².

Raspuns

Cu relatia (1.4) se obtin rezultatele (rotunjite):

Aplicatia

Sa se estimeze anomalia de presiune in apexul unui zacamant de gaze cu grosimea de 100 m, aflat la adancimea de 3500 m, cunoscand densitatea medie a gazelor 420 kg/m³ si densitatea apei 1050 kg/m³; g = 9,81 m/s².

Raspuns

Presiunea reala la 3500 m se calculeaza cu relatia (1.5):

Presiunea normata p_n este considerata la baza stratului, la adancimea de 3600 m, si este 370,8∙10⁵ Pa (la apex, presiunea normala ar fi 360,5∙10⁵ Pa). Presiunea reala la m este p = 366,7∙10⁵ Pa. Prin urmare, anomalia de presiune la 3500 m este ∆p = 6,2∙10⁵ Pa.

Intrebari si probleme

1. Care sunt sursele de caldura ale pamantului

2. Cum este influentat campul termic din scoarta terestra de circulatia

descendenta si de cea ascendenta a apelor subterane ?

3. Cum se explica rolul "nivelator' al coloanelor de burlane si al inelului de

ciment asupra anomaliilor de temperatura dintr-o sonda

4. Care este efectul anomaliilor pozitive de temperatura asupra acumularilor

de hidrocarburi si in ce masura acest efect este favorabil

5. Care sunt cauzele anomaliilor de presiune

6. Ce se poate intampla daca densitatea fIuidului de foraj este prea mare?

7. Cum depinde 'mica anomalie' de presiune de natura hidrocarburilor din zacamant ?

8. La adancimea de 4500 m se traverseaza un strat de sare gema cu comportare plastica. Sa se estimeze presiunea de confinare si densitatea minima a fluidului de foraj pentru a impiedica strangerea perelitor gaurii de sonda.

Sa se estimeze conditiile initiale de presiune si de temperatura intr-un zacamant aflat la adancimea de 8000 m. Discutie.