ESTUDO EXPERIMENTAL DO PREENCHIMENTO DE FRATURAS COM

ESCOAMENTO PARTICULADO EM CANAL FRATURADO

1 Cássio Luís Schneider, ¹ Fernando C. De Lai, ² Alex T. A. Waldmann, ² André L. Martins

e ¹ Silvio L. M. Junqueira 1 Centro de Pesquisas em Reologia e Fluidos Não Newtonianos – CERNN, Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, Curitiba-PR 80230-901, Brasil, e-mail: cassioschneider06@gmail.com, fernandodelai@utfpr.edu.br, silvio@utfpr.edu.br 2 Interação Rocha-Fluido – IRF, Centro de Pesquisas da PETROBRAS – CENPES, Rio de Janeiro-RJ 21941-915, Brasil, e-mail: awaldmann@petrobras.com.br, aleibsohn@petrobras.com.br

RESUMO - A indústria de petróleo e gás está constantemente buscando o aperfeiçoamento de técnicas e processos visando manter a competitividade da operação em poços. No processo de perfuração a perda de circulação é um dos principais fenômenos que interferem na operação do poço. A presença de fraturas, frequentes no conjunto poço-formação, somadas aos gradientes de pressão, acentua significativamente a perda de fluido, de modo que se faz necessário um método de controle. No presente trabalho é analisado, de forma experimental, o processo de injeção de partículas sólidas no fluido, com o objetivo de observar o processo de preenchimento de partículas na fratura e a influência da fratura na invasão de fluido e, dessa forma, reestabelecer a circulação no poço. Os testes apresentados foram realizados em uma bancada experimental composta por uma seção de testes retangular, que representa um poço fraturado, utilizando medidores de pressão, vazão e temperatura para monitorar o escoamento. Os resultados obtidos mostram a influência das fraturas na invasão de fluido, assim como no processo de preenchimento para determinada concentração de material particulado. Para caracterizar esta influência são variados os parâmetros geométricos da fratura, alterando comprimento, largura e espessura. Os resultados comprovam a importância no desenvolvimento de métodos de controle para a ocorrência de perda de circulação por fraturas no conjunto poço-formação, sendo a injeção de material particulado uma alternativa eficaz em processos de perfuração.

Palavras-Chave: meio fraturado, invasão de fluido, aparato experimental.

INTRODUÇÃO

Em reservatórios de petróleo, o óleo e o gás natural são originalmente produzidos por ro-chas geradoras e, posteriormente migram, por efeitos de capilaridade e forças de empuxo, para rochas reservatório que são, essencialmente, ro-chas com vazio no seu interior (porosas). A extra-ção dos constituintes das rochas reservatório en-globa diferentes processos, dentre os quais des-taca-se a perfuração.

A perfuração é realizada através do método rotativo que consiste no movimento de rotação de uma broca que comprime a rocha ocasionando o seu esmerilhamento, gerando uma grande quan-tidade de cascalhos. Os cascalhos são continua-mente removidos utilizando-se fluidos de perfura-ção. O fluído é injetado por bombas para o interior da coluna de perfuração através da cabeça de injeção, ou swivel e retorna à superfície através do espaço anular formado pelas paredes do poço

e a coluna (Thomas, 2004). Considerando os ele-vados gradientes de pressão envolvidos nesse processo a presença de fraturas no conjunto po-ço-formação pode ocasionar a perda de circula-ção, interferindo na operação do poço.

A perda de circulação é definida como a fu-ga de fluido de perfuração para a formação ro-chosa através dos poros ou de fissuras no conjun-to poço-formação (Goins, 1952). As áreas da for-mação para as quais o fluido de perfuração escoa são conhecidas como zonas ladrãs e contribuem significativamente para o tempo não produtivo (NPT) do processo de perfuração (Cook, et al., 2012).

As fraturas ocasionadas pelo processo de perfuração tendem a se propagar facilmente por-que a pressão requerida para expandir uma fratu-ra é normalmente menor do que a requerida para inicia-la (Cook, et al., 2012). O fluido que escoa incontrolavelmente para a formação pode danifi-car o reservatório, afetando negativamente o po-

tencial de produção e alterando suas característi-cas (Almagro, et al., 2014).

Controlar o fenômeno de perda de circula-ção é extremamente interessante para a indústria de petróleo e gás, pois está diretamente ligado a produtividade do poço. Por essa razão, diferentes métodos de controle são utilizados para bloquear o escoamento de fluidos no conjunto poço-formação, sendo um deles o processo de injeção de partículas sólidas para vedação de fraturas (Civan, 2002). Trata-se então de um escoamento disperso do tipo líquido-sólido.

O regime de escoamento disperso é aquele no qual uma fase se apresenta dispersa em outra fase contínua (Peker e Helvaci, 2008). Vários fa-tores influenciam o comportamento desse tipo de escoamento como concentração de partículas, propriedades do fluído e características geométri-cas do domínio, resultando em padrões diferentes de transporte do material particulado.

As zonas de perda de circulação podem ser classificadas em formações naturalmente fratura-das, formações cavernosas ou formações de alta permeabilidade devido às fraturas induzidas pelo processo de perfuração (Calçada, et al., 2015), conforme está representado na Figura 1.

Figura 1 – representação dos tipos de fratura

no conjunto poço-formação.

(Fonte: Adaptado de Almagro et al., 2014)

O objetivo do presente trabalho é analisar experimentalmente o processo de injeção de par-tículas sólidas no fluido visando o preenchimento da fratura com partículas e, principalmente, a in-fluência da fratura na invasão de fluido, assim como no processo de preenchimento.

FORMULAÇÃO DO PROBLEMA

A Figura 2 representa uma idealização do processo de perfuração com a presença de fratu-ras no conjunto poço-formação evidenciando a ocorrência da perda de circulação.

Figura 2 - Perda de circulação para formação

rochosa e para fraturas na perfuração de um

poço de petróleo.

(Fonte: Adaptado de Cook, et al., 2012) A fim de estudar o problema a fratura é

considerada discreta e a geometria do poço simétrica, como mostra esquematicamente a Figura 3, onde eFR representa a espessura e ZFR a profundidade da fratura.

Outra simplificação do presente estudo é a desconsideração do escoamento no interior da coluna de perfuração, de modo que será estuda-do o escoamento ascendente diretamente no es-paço anular. Sendo considerado um processo de perfuração vertical. A Figura 4 representa as sim-plificações consideradas, o poço vertical atraves-sa o plano de fratura de forma perpendicular e a profundidade do plano da fratura é significativa-mente maior que a espessura, o que proporciona uma entrada simétrica do fluído do poço ao longo da entrada da fratura.

Figura 3 - Representação esquemática do

conjunto poço-reservatório com uma fratura

discreta (a)corte longitudinal e (b) corte da

seção transversal. (Fonte: De Lai, 2013)

Figura 4 – Simplificação geométrica para o

problema de perfuração: (a) Idealização do

plano de fratura horizontal; (b) representação

do espaço anular simplificado.

(Fonte: Adaptado de De Lai, 2013)

A largura do canal, hCH, representa a di-mensão do espaço anular do poço, a região da fratura é representada por uma espessura, eFR, e um comprimento, hFR. O comprimento da região a montante da fratura é denominado lUP, e a jusante lDW.

MATERIAIS E MÉTODOS

Para realizar os testes experimentais foi uti-lizada uma bancada desenvolvida com base nas

hipóteses simplificadoras apresentadas anterior-mente. A Figura 5 mostra um esquema do circuito experimental confeccionado, representando os principais componentes envolvidos no processo.

A Figura 6 representa o circuito experimen-tal completo evidenciando cada componente pre-sente no sistema, sendo que os componentes estão descritos na Tabela 1.

O sistema consiste em um tanque com misturador modelo BMIX 1,5 DF (Bombetec, 2015) que é utilizado para homogeneizar a solu-ção fluido-sólido, no qual está inserido um termo-par tipo J (Thermometrics, 2013) usado para me-dir a temperatura da solução no momento do tes-te.

Figura 5 – Representação esquemática do

circuito experimental.

Figura 6 – Esquema da unidade experimental.

Uma bomba helicoidal modelo NEMO NM

021BY (Netzsch, 2006) proporciona o escoamen-to fluido-sólido através de todo o circuito. Após sair da bomba a solução passa por um medidor

(a)

(c)

(d)

(b)

(a)

(b)

de vazão mássica tipo Coriolis modelo RHM-15 (Metroval, 2007) que permite a aferição da vazão mássica em tempo real.

A seção de testes (E-3) possui dois transmissores de pressão relativa modelo S-11 (Wika, 2012), um próximo à entrada da seção e o outro próximo a saída, acima da fratura, com o objetivo de medir as pressões no local, e avaliar a perda de carga. Já na fratura foi instalado um transmissor de pressão diferencial modelo RTP 420-DIF (Rücken, 2014) para medir o gradiente de pressão existente na extensão da fratura.

Tabela 1 - Descrição dos itens do circuito

experimental.

Sigla Descrição

E-1 Bomba Helicoidal

E-2 Tanque Misturador

E-3 Seção de Testes

E-4 Fratura

E-5 Tanque reserva

I-1 Medidor de Vazão Mássica Coriolis

I-2 Transmissor de Pressão Relativa

I-3 Transmissor de Pressão Relativa

I-4 Transmissor de Pressão Diferencial

I-5 Termopar

P-1 Tubulação de sucção

P-2 Tubulação de recalque

P-3 Tubulação de entrada na seção de testes

P-4 Tubulação de saída da fratura

P-5 Tubulação de saída da seção de testes

V-1 Válvula de controle de vazão na fratura Na Figura 7 é apresentada a seção de tes-

tes utilizada no presente estudo. A seção de tes-tes representa a simplificação do espaço anular do poço, considerando um canal na presença de uma fratura discreta. Tanto a seção quanto a fra-tura são fabricadas em acrílico para uma melhor observação e filmagem do escoamento.

Nas saídas da seção de testes o fluido é redirecionado ao tanque através de duas man-gueiras fabricadas em PVC, sendo a encaixada no tubo da fratura de 1.1/2” e a posicionada no bocal superior da seção de 2”.

Para essa fase preliminar do estudo foram realizados testes utilizando água e outras cinco diferentes concentrações de mistura água-glicerina como fluido de escoamento, sem a pre-sença de material particulado. O escoamento foi realizado somente na seção de testes, não utili-zando a fratura, de modo que foram coletados dados de vazão e de pressão relativa na entrada

e na saída da seção. Essa fase de teste é muito importante para caraterização do escoamento para fluidos com viscosidade diferentes e para o conhecimento das limitações do aparato experi-mental.

Figura 7 – Seção de testes (E-3) do aparato

experimental. Foram realizados testes reométricos previ-

amente nas soluções utilizadas para medir a vis-cosidade absoluta das misturas e, a partir desse valor, determinar a concentração de glicerina na água, utilizando valores tabelados encontrados em (Dorsey, 1940). Para realizar os testes foi utili-zado o viscosímetro LVDV- II+Pro (Brookfield, 2010).

Com as soluções bem definidas foram efe-tuados, para cada concentração, testes na ban-cada experimental variando-se a frequência da bomba de 2 em 2 Hz, de 0 a 60 Hz a fim de se obter resultados para uma grande gama de valo-res de vazão. Exceto para a mistura com 61,4% de glicerina, onde a frequência foi elevada da mesma forma até 70 Hz. Para cada valor de fre-quência o escoamento foi monitorado e, após atingir a estabilidade, os dados foram gravados por um minuto e então foi calculada a média des-ses valores. Esse procedimento foi repetido três vezes para cada solução e ao final, a média das três sequências de testes foi tomada para confec-ção e avaliação dos resultados.

Resultados e discussões

As dimensões dos parâmetros utilizados na fabricação da seção de testes para os resultados

que serão aqui apresentados são mostradas na Tabela 2.

Tabela 2 – Dimensões dos parâmetros da

bancada experimental

Parâmetro Dimensão (mm)

hCH 45

hFR 1000

eFR 16

ZFR 16

lUP 1260

lDW 740

A Tabela 3 mostra os resultados de visco-sidade obtidos nos testes reométricos realizados em cada solução, bem como as concentrações de glicerina na água e as massas especificas corres-pondentes.

Tabela 3 – Concentrações e propriedades para

as misturas água-glicerina.

Concentração

de glicerina

na água [%]

Viscosidade

absoluta

[Pa.s]

Massa

específica

[kg/m³]

0,0 0,0010 997,1

22,9 0,0017 1052,7

28,5 0,0021 1067,0

40,9 0,0034 1099,4

50,3 0,0052 1124,6

61,4 0,0100 1154,8

A representação gráfica da variação dos

valores de viscosidade e de massa específica com a concentração de glicerina é apresentada na Figura 8 e na Figura 9, respectivamente.

Figura 8 – Viscosidade da solução em função

da concentração de glicerina.

A Figura 10 mostra a representação gráfica da variação da pressão relativa próxima a saída da seção de testes, transmissor I-2, para cada uma das soluções analisadas. Pode-se observar que a pressão nesse ponto varia muito pouco ao longo da faixa de vazão analisada e que, confor-me aumenta a concentração de glicerina na mis-tura, maior é a pressão medida.

Por outro lado, próximo à entrada da seção de testes os valores da pressão relativa são mais elevados e fica ainda mais evidente o efeito do aumento da concentração de glicerina nos valores de pressão. Para um aumento de 10% na concen-tração de glicerina na água há um aumento de aproximadamente 3% na pressão relativa medida nesse ponto, como pode ser observado na Figura 11.

Figura 9 – Massa especifica da solução em

função da concentração de glicerina.

Figura 10 – Pressão relativa no transmissor I-2

em função da vazão mássica.

Figura 11 – Pressão relativa no transmissor I-3

em função da vazão mássica.

Na Figura 12 está representada grafica-mente a diferença de pressão (∆P) entre os transmissores de pressão inferior e superior. Para todas as misturas testadas essa diferença se mantém praticamente constante durante todo o teste, e apesar do aumento gradual do ∆P com o aumento da concentração de glicerina, a diferen-ça entre a água pura e a maior concentração de mistura água-glicerina analisada não é muito sig-nificativa para o funcionamento da bancada expe-rimental.

Figura 12 – Diferença de pressão entre os

transmissores I-2 e I-3 em função da vazão

mássica.

Também foi obtida a relação do gradiente

de pressão, variação de pressão dividida pelo comprimento da seção de testes, para as vazões mássicas fixas de 3, 6 e 12 kg/min, como mostra a Figura 13. Pode-se observar um padrão linear

na variação do gradiente de pressão com o au-mento da concentração de glicerina.

O principal fator analisado nessa fase pre-liminar do projeto é o número de Reynolds, pois permite caracterizar o escoamento. Calcula-se o número de Reynolds utilizando a velocidade mé-dia do escoamento, o diâmetro hidráulico da se-ção de testes, a massa específica e a viscosidade do fluido.

A Figura 14 mostra graficamente os resul-tados encontrados para a variação do número de Reynolds com o aumento da vazão. Pode se ob-servar que quanto menor a viscosidade do fluido mais rapidamente cresce o valor do número de Reynolds, de forma que o escoamento atinge ra-pidamente o regime turbulento para água pura e baixas concentrações de glicerina. Para a conti-nuidade desse estudo pretende-se trabalhar com regime laminar e valores de número de Reynolds abaixo de 1000. Por essa razão o mesmo gráfico é apresentado na Figura 15, porém com o eixo das ordenadas ajustado para valores até 1000.

Figura 13 - Gradiente de pressão em função da

concentração de glicerina para três vazões

mássicas distintas.

Fica evidente a necessidade de aumentar a

concentração de glicerina na solução para obter números de Reynolds mais baixos, e dessa forma atingir a faixa de valores pretendida para o estudo em questão.

Figura 14 – Número de Reynolds em função da

vazão mássica

CONCLUSÕES

O presente trabalho apresenta as caracte-rísticas da utilização de escoamento particulado para vedação de fraturas em canal fraturado. As-sim como os testes preliminares realizados em uma bancada experimental com água pura e mis-turas água-glicerina com diferentes concentra-ções como fluido de escoamento.

Figura 15 – Destaque do gráfico do número de

Reynolds em função da vazão mássica

Aumentando a concentração de glicerina na mistura, observa-se um aumento da pressão ao longo de toda a seção de testes e também uma diminuição significativa no número de Rey-nolds, ocasionado pelo aumento da viscosidade e

a consequente diminuição da velocidade do esco-amento na seção.

Para as próximas etapas do estudo, com a inserção de partículas sólidas no escoamento, ficou evidenciada a necessidade de se utilizar concentrações de glicerina a partir de 60% na solução para obter valores mais baixos de núme-ro de Reynolds e conduzir de forma mais eficiente o material particulado.

Os próximos testes serão realizados já com a presença da fratura apresentada na seção de materiais e métodos e pretende-se, futuramente, modificar a geometria da fratura para avaliar sua influência no processo de preenchimento com o material particulado.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao apoio do IRF/CENPES/PETROBRAS, ao programa PRH-ANP/MCT (PRH10-UTFPR), ao Conselho Nacio-nal de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e à Fundação de Apoio à Educação, Pes-quisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico da UTFPR (FUNTEF-PR).

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