65ª Reunião Anual da SBPC

B. Engenharias - 1. Engenharia - 3. Engenharia Civil

ANÁLISE DA PERFURAÇÃO DE POÇOS HORIZONTAIS UTILIZANDO MÉTODOS DOS ELEMENTOS FINITOS

André da Costa Eufrásio - Depto.de Engenharia Mecânica- UFPE Leonardo José do Nascimento Guimarães - Prof. Dr./Orientador - Depto.de Engenharia Civil – UFPE Igor Fernandes Gomes - Prof. Dr. Depto.de Engenharia Civil – UFPE

INTRODUÇÃO:

A perfuração de poços horizontais é uma opção para a extração dos derivados de petróleo existentes nas rochas de reservatórios. Esse procedimento provoca instabilidades e danos nos arredores do furo. Propagações de microfissuras podem surgir nessa região alterando a estrutura da rocha modificando suas propriedades como a sua permeabilidade. Em algumas situações, o poço é perfurado nas condições limites de resistência mecânica da formação, em outras, o fraturamento hidráulico é induzido visando aumentar a permeabilidade da formação. Esses métodos são aplicados para o aumento da produção de fluidos. No breakout, zonas de desmoronamento e rupturas por cisalhamento nos lados opostos do poço podem ser observadas e, dependendo das condições exigidas, este pode continuar em operação. Essas situações exigem grande controle durante o processo de perfuração e conhecimento das leis que governam o comportamento das rochas. É de interesse particular da indústria do petróleo os problemas procedentes da perfuração em camadas de folhelhos, que são rochas de baixa permeabilidade. Este artigo visa um estudo sobre a estabilidade de poços com a utilização de ferramentas computacionais baseadas no método dos elementos finitos (MEF) e considerando o problema acoplado hidro-geomecânico.

OBJETIVO DO TRABALHO:

Simular numericamente com programa baseado no MEF um cenário de perfuração de poço de um caso já conhecido. Tratou-se de comparar a simulação onde existia um limite de resistência mecânica da rocha (caso elastoplástico) com a simulação sem este limite de resistência (caso elástico). Nas simulações realizadas os problemas de deformação da rocha e fluxo de fluidos são simulados simultaneamente.

MÉTODOS:

Foi simulado uma perfuração de poço horizontal em rocha frágil. Para as condições de contorno, foi imposta na parede do poço uma pressão de fluido de perfuração de 30MPa. Esta pressão aplicada na parede do poço é uma condição de contorno tanto para o problema mecânico como para o hidráulico. Na parte superior da geometria aplica-se uma tensão vertical total de 65MPa e uma pressão de poros de 25MPa, ambas constantes durante toda a análise. Nos contornos laterais e inferior do domínio foram impostas uma restrição de movimento na direção normal a estes. A aceleração da gravidade também é considera no problema. O modelo constitutivo elastoplástico de Drucker-Prager foi implementado no programa utilizado (CODE_BRIGHT) consistentes com o comportamento geomecânico da rocha frágil. A equação de quantidade de movimento da fase fluida é substituída pela lei de Darcy generalizada considerando o meio isotérmico. No caso elastoplástico a resistência do material é limitada e desenvolve-se deformações irreversíveis na rocha, enquanto no caso elástico a resistências é ilimitada e todas as deformações que ocorrem no meio são reversíveis. Os resultados obtidos dos dois casos foram comparados e analisados verificando-se a convergência do poço em cada um.

RESULTADOS E DISCUSSÃO:

No caso elastoplástico pode-se observar a zona de plastificação do material que acontece muito próxima à parede do poço em direção ao interior da formação. Esta zona cresce horizontalmente dos lados direito e esquerdo da parede caracterizando o processo de breakout observado em casos reais. Também é possível observar a geometria deformada devido ao processo de escavação e aplicação da pressão do fluido de perfuração. A plastificação do material modifica a porosidade e permeabilidade da formação influenciando o regime de fluxo do poço. No segundo, a zona de plastificação material não ocorre como já esperado devido a não consideração de uma resistência limite para o material. A deformação ainda ocorre porem de forma mais suave e a variação da permeabilidade não é observada. A deformação que ocorre nesse caso é de 28% menor na direção horizontal e de 16% menor na direção vertical do poço que é a região não plastificada do primeiro. Já na zona onde ocorre plastificação, a diferença da deformação chega a ser 74% menor horizontalmente e 78% menos verticalmente. Como já era esperado, a zona de plastificação introduz deformações bastante elevadas fazendo que esta região seja considerada a crítica no caso da perfuração de poços horizontais.

CONCLUSÕES:

Foi possível a análise de perfuração de poços horizontais com uma modelagem hidro-geomecânica acoplada com CODE_BRIGHT e com a utilização do modelo constitutivo elastoplástico de Drucher-Prager. Para a simulação puramente elástica, os efeitos de deformações sobre a rocha são insuficientes para variação da permeabilidade, assim os resultados obtidos dão uma ideia inicial da situação já que não são considerados os casos de instabilidade a longo prazo causados pela plastificação, efeitos físico-químicos e fatores operacionais como manobra de coluna. A diferença da convergência do poço nos dois casos é bastante grande o que mostra a limitação de um modelamento apenas elástico. A modelagem acoplada hidromecânica considerando o meio elastoplástico para o comportamento tensão-deformação do material colabora para um melhor entendimento do processo do breakout induzido na perfuração. Por fim, estudos mais profundos devem ser realizados buscando acoplar os demais fenômenos que envolvem esse problema para o melhor entendimento e quantificação dos efeitos de variação da permeabilidade da formação.

Palavras-chave: Estabilidade Poços, Simulação Numérica, Análise Acoplada.