BRPI0615891A2 - aparelho para investigar uma formação de terrestre atravessada por um furo de poço - Google Patents

Abstract

APARELHO PARA INVESTIGAR UMA FORMAçàO TERRESTRE ATRAVESSADA POR UM FURO DE POçO São fornecidos um aparelho e metodologias de perfuração com perfilagem para medir potencial de escoamento em uma formação terrestre. O aparelho e metodologias podem ser utilizados para localizar informações relevantes sobre as operações de perfuração. De modo particular, visto que a medição do potencial de escoamento se refere diretamente ao fluxo de fluido, as medições do potencial de escoamento podem ser usadas, para localizar informações relevantes sobre as operações de perfuração, tais como condições de perfuração sub- balanceada, pressões anormais na formação, fraturas abertas, a permeabilidade da formação, e pressão da formação.

Description

APARELHO PARA INVESTIGAR UMA FORMAÇÃO TERRESTRE ATRAVESSADAPOR UM FURO DE POÇO

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

CAMPO DA INVENÇÃO

Essa invenção se refere, de um modo geral, ao setordos hidrocarbonetos. De modo particular, essa invenção serefere a aparelho e métodos para medir potenciais deescoamento resultantes dos transientes de pressão em umaformação terrestre atravessada por um furo de poço. Essainvenção também se refere a maneiras para fazerdeterminações a respeito de características da formaçãoterrestre, como resultado das medições do potencial deescoamento. Uma dessas características é a permeabilidadeda formação em suas diferentes profundidades, embora ainvenção não seja limitada a isso.

ESTADO DA TÉCNICA

0 potencial de escoamento, também chamado comumentede potencial eletrocinético, é um potencial elétrico geradopor um eletrólito (p.ex., água) fluindo através de um meioporoso. 0 histórico com respeito à possibilidade de fazermedições do potencial de escoamento em um furo de poço vemde longa data. Na Patente norte americana U. S. N02.433.746, Doll sugeriu que uma vigorosa vibração de umaparelho no fundo de um poço pode gerar oscilações depressão e movimento de fluido com relação à formação, quepor sua vez pode dar origem a potenciais mensuráveis deescoamento, devido a um fenômeno do potencialeletrocinético. Na Patente norte americana U. S. N02.814.017, Doll sugeriu métodos para investigar aspermeabilidades das formações terrestres, pela observaçãodas diferenças na fase entre ondas de pressão periódicaspassadas através das formações e potenciais gerados pelomovimento oscilatório do fluido de formação causado poressas ondas de pressão. Ao contrário, uma corrente elétricaperiodicamente variável foi sugerida ser usada para gerarmovimento oscilatório do fluido da formação, que por suavez gerava ondas dê~ pressão periódicas na formação.

Medições deviam ser feitas do deslocamento de fase entre asquantidades geradoras e as geradas, e uma indicação diretada permeabilidade relativa da formação assim obtida.

Na Patente norte americana U. S. N0 3.599.085 de A.Semmelink, intitulada "Aparelho para Perfilagem de Poço porMedição e Comparação dos Potenciais Causados por ExcitaçãoSonica", a aplicação da energia sônica de baixa freqüênciapara a superfície da formação foi proposta, a fim de criargrandes pulsos eletrocinéticos na área imediata do geradorsônico. De acordo com a divulgação dessa patente, os pulsoseletrocinéticos resultam da compressão (isto é, acompetição entre viscosidade e inércia) da formação, e ospul sos do potencial de escoamento geram movimentosperiódicos do fluido de formação com relação à rocha daformação. 0 movimento de fluido produz potenciaiseletrocinéticos detectáveis da mesma freqüência que aenergia sônica aplicada e tendo magnitudes em qualquer dadolocal diretamente proporcional à velocidade do movimento defluido naquele local, e inversamente proporcional aoquadrado da distância do local de pulso do potencial deescoamento. Visto que a velocidade de fluido foi verificadavariar de seu valor inicial, com o aumento da extensão decurso através da formação, a uma taxa dependente em parteda permeabilidade de rocha da formação, foi sugerido que amagnitude do potencial eletrocinético em qualquerdeterminada distância do pulso fornecesse uma indicaçãorelativa de permeabilidade da formação. Pela provisão deuma relação entre as magnitudes do potencial eletrocinético(amplitudes senoidais) em locais afastados do geradorsônico, de que a profundidade da camada eletrocinética podeser derivada, a permeabilidade real pode ser, por sua vez,determinada.

Na Patente norte americana U. S. N0 4.427.944,Chandler sugeriu uma ferramenta para fundo de poço do tipoestacionário e um método para determinar a permeabilidadeda formação. A ferramenta para furo de poço inclui umdispositivo de cunha, que é forçado para engate com asuperfície da formação em um local desejado, e que incluimeios para injetar fluido dentro da formação e eletrodospara medir transientes do potencial de escoamentoeletrocinético, e tempos de resposta resultantes da injeçãodo fluido. A injeção de fluido é, de modo eficiente, umaexcitação do pulso de pressão da formação, que faz com queum fluxo transiente ocorra na formação. Chandler sugere umamedição do tempo de resposta característico dos potenciaisde escoamento transientes gerados na formação ou nessefluxo, a fim de extrair informações exatas sobre apermeabilidade da formação.

Na Patente norte americana U. S. N0 5.503.001(1996), Wong propôs um processo e aparelho para medir, nafreqüência finita, o potencial de escoamento e a voltagemeletro-osmótica induzida, devido às oscilações de pressãoda freqüência finita aplicada e à corrente alternada. 0aparelho sugerido inclui um transdutor eletromecânico, quegera oscilações da pressão diferencial entre dois pontos emuma freqüência finita e uma pluralidade de eletrodos quedetectam o diferencial de pressão e o sinal do potencial deescoamento entre os mesmos dois pontos próximos à fonte daaplicação de pressão e na mesma freqüência usando umamplificador síncrono tipo 'lock-in' ou um analisadordigital de resposta de freqüência. De acordo com Wong,devido ao fato do aparelho da invenção medir a pressãodiferencial nos meios porosos entre dois pontos nasfreqüências finitas próximas à fonte da pressão (oucorrente) aplicada, ele reduz substancialmente o efeito defundo causado pela pressão hidrostática, devido àprofundidade da formação sendo medida.

Devido ao longo histórico e aos múltiplosensinamentos da técnica anterior, acredita-se que, naverdade, antes das medições dè campo feitas em apoio àpresente invenção, nenhuma medição jamais foi feita nofundo do poço dos transientes do potencial de escoamentonos campos de petróleo atuais. As razões para a falta deimplementação real das modalidades da técnica anterioropostas são diversas. De acordo com Wong, nem o potencialde escoamento, nem a medição eletro-osmótica em separado éuma indicação confiável de permeabilidade da formação,especialmente em formações de baixa permeabilidade. Wongmenciona que tentativas para medir o sinal do potencial deescoamento com eletrodos em distâncias superiores a umcomprimento de onda entre si são falhas, visto que aoscilação da pressão se propaga como uma onda sonora e adiferença de pressão irá depender da magnitude e da fase daonda, e o sinal do potencial de escoamento será muitomenor, visto que considerável energia é perdida paradissipação viscosa ao longo de uma distância dessas. Alémdisso, Wong declara que a aplicação de um fluxo de CC a umaformação e medição da voltagem de resposta no domínio detempo não irá funcionar em formações com baixapermeabilidade, visto que o tempo de resposta mais longo eo sinal de potencial de escoamento muito baixo sãodominados por variações da voltagem interfacial doseletrodos ao longo do tempo. Assim, a despeito daspossibilidades teóricas apresentadas pela técnica anterior,o conhecimento convencional das pessoas versadas na técnica(da qual os comentários de Wong são indicativos) é quemedições úteis do potencial de escoamento não se achamdisponíveis, devido aos baixos níveis de sinal, altosníveis de ruído, baixa resolução espacial, e baixaestabilidade de longo prazo.

Na verdade, é difícil obter dados transientes depressão com alta resolução espacial, já que o furo do poçoé essencialmente uma região isobárica. 0 sensor de pressãocolocado dentro do furo do poço não pode fornecerinformações detalhadas sobre os transientes de pressão nointerior da formação, se a formação for heterogênea. Parafazer isso, é necessário segmentar o furo do poço em zonashidraulicamente isoladas, uma tarefa de execução difícil edispendiosa. Além disso, deverá ficar claro que algumas dasferramentas propostas da técnica anterior, mesmo se elastivessem que funcionar como proposto, são de aplicaçãoextremamente limitada. Por exemplo, o dispositivo deChandler irá funcionar somente em furos de poço perfuradosantes do revestimento, e demanda que a ferramenta sejaestacionada por um período de tempo em cada local, ondemedições tiverem que ser feitas. Assim, o dispositivo deChandler não pode ser usado como um dispositivo e MWD/LWD(medição ou perfilagem durante a perfuração), não éaplicável para poços acabados para fazer medições durante aprodução, e nem pode ser usado em uma coluna móvel dosdispositivos de perfilagem.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Assim, um objetivo da invenção é fornecer métodos eaparelho para medir potencial de escoamento em uma formaçãoterrestre.

Outro objetivo da invenção é fornecer métodos eaparelho para medir potenciais de escoamento em umaformação durante a perfuração de um furo de poço.

Um objetivo adicional da invenção é fornecermétodos para determinar características da formação usandomedições dos potenciais de escoamento.

Outro objetivo adicional da invenção é fornecermétodos para identificar condições de perfuração perigosas,tais como condições de perfuração sub-balanceada e/ou perdade fluido através de fraturas, usando medições do potencialde escoamento.

Outro objetivo da invenção é apresentar métodospara determinar permeabilidade da formação e/ou pressão daformação usando medições do potencial de escoamento.

De acordo com esses objetivos, que serão abaixodiscutidos em detalhes, é fornecido um aparelho deperfuração com perfilagem e metodologias para medirpotencial de escoamento em uma formação terrestre. Para ospresentes fins, aplicações de perfuração com perfilagem(LWD) e aplicações de perfuração com medição (MWD) serãoconsideradas de modo intercambiável, 0 aparelho emetodologias podem ser utilizados para localizarinformações relevantes às operações de perfuração. De modoparticular, visto que a medição do potencial de escoamentose refere diretamente ao fluxo de fluido, medições dopotencial de escoamento podem ser usadas para rastrearfluxo de fluidos na formação. Por sua vez, essasinformações podem ser usadas para localizar informaçõesrelevantes às operações de perfuração, tais como condiçõesde perfuração sub-balanceada, pressões anormais naformação, fraturas abertas, a permeabilidade da formação, epressão da formação.

Objetivos e vantagens adicionais da invençãotornar-se-ão óbvios para as pessoas versadas na técnica,através da referência à descrição detalhada tomada emconjunto com as figuras fornecidas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A fig. 1 é um diagrama esquemático de uma coluna deperfuração, que é suspensa em um furo de poço em conjuntocom o aparelho de perfuração com perfilagem que extraimedições do potencial de escoamento, de acordo com apresente invenção.

A fig. 2 é uma vista de seção transversal doconjunto do fundo de poço da coluna de perfuração, queincorpora uma modalidade exemplificante de um aparelho deperfuração com perfilagem, de acordo com a presenteinvenção.

A fig. 3 é um esquema representando um modelo deavanço de um conjunto exemplificante do fundo de poço queincorpora um aparelho de perfuração com perfilagem, deacordo com a presente invenção.

A fig. 4 é um gráfico de um sinal oscilante dopotencial de escoamento medido no eletrodo El e uma pressãosuperbalanceada para o modelo da fig. 3,

A fig. 5 é uma seção do gráfico da fig. 4 em umaescala de tempo expandida.

A fig. 6 é um diagrama esquemático das operaçõesprocessadoras de sinal, que extraem os diversos componentesdos sinais do potencial de escoamento medidos pelo aparelhode perfuração com perfilagem das figs. 1, 2 e 3.

A fig. 7A é um gráfico de pressão em um pontopróximo à superfície do furo de poço.

A fig. 7B é um gráfico de pressão em um pontointerno da formação afastada da superfície do furo de poço.

A fig. 8 é um gráfico dos componentes CC, em fase efora de fase do sinal de potencial de escoamento medidopelo eletrodo El em conjunto com uma pressãosuperbalanceada oscilante, que é gerada pelo modelo da fig. 3.

A fig. 9 é um gráfico do componente CC do sinal dopotencial de escoamento medido pelos eletrodos El, E2, E3 eΕ4, com a junção isolante localizada três pés atrás dabroca de perfuração, que é gerado pelo modelo da fig. 3.

A fig. 10 é um gráfico do componente CC do sinal dopotencial de escoamento medido pelos eletrodos El, E2, E3 eE4, com a junção isolante localizada cinco pés atrás dabroca de perfuração, que é gerado pelo modelo da fig. 3.

A fig. 11 é um gráfico do componente CC do sinal dopotencial de escoamento medido pelos eletrodos El, E2, E3 eE4, com a junção isolante localizada doze pés atrás dabroca de perfuração, que é gerado pelo modelo da fig. 3.

A fig. 12 é um gráfico dos componentes em fase efora de fase do sinal do potencial de escoamento medidopelos eletrodos El, E2, E3 e E4, com a junção isolantelocalizada três pés atrás da broca de perfuração, que égerado pelo modelo da fig. 3.

A fig. 13 é um gráfico dos componentes em fase efora de fase do sinal do potencial de escoamento medidopelos eletrodos El, E2, E3 e E4, com a junção isolantelocalizada cinco pés atrás da broca de perfuração, que égerado pelo modelo da fig. 3.

A fig. 14 é um gráfico dos componentes em fase efora de fase do sinal do potencial de escoamento medidopelos eletrodos El, E2, E3 e E4, com a junção isolantelocalizada doze pés atrás da broca de perfuração, que égerado pelo modelo da fig. 3.

A fig. 15 é um gráfico do componente CC do sinal dopotencial de escoamento medido pelos eletrodos El, E2, E3 eE4 sem uma junção isolante, que é gerado pelo modelo dafig. 3.

A fig. 16 é um gráfico do componente CC do sinal dopotencial de escoamento medido pelos eletrodos El, E2, E3 eE4, em conjunto com uma condição de perfuração sub-balanceada, que é gerado pelo modelo da fig. 3.

A fig. 17 é um gráfico dos componentes em fase efora de fase do sinal do potencial de escoamento medidopelos eletrodos El, E2, E3 e E4, em conjunto com umacondição de perfuração sub-balanceada, que é gerado pelomodelo da fig. 3.

A fig. 18 é um gráfico do componente CC do sinal dopotencial de escoamento medido pelos eletrodos El, E2, E3 eE4, em conjunto com perfuração através de uma fraturaaberta, que é fechada mais tarde por reboco, que é geradopelo modelo da fig. 3.

A fig. 19 é um gráfico dos componentes em fase efora de fase do sinal do potencial de escoamento medidopelos eletrodos El, E2, E3 e E4, em conjunto com perfuraçãoatravés de uma fratura aberta, que é fechada mais tarde porreboco, que é gerado pelo modelo da fig. 3.

A fig. 20 é um gráfico do componente CC do sinal dopotencial de escoamento medido pelos eletrodos El, E2, E3 eE4, era conjunto com perfuração através de uma fraturaaberta, que não é fechada por reboco, que é gerado pelomodelo da fig. 3.

A fig. 21 é um gráfico dos componentes em fase efora de fase do sinal do potencial de escoamento medidopelos eletrodos El, E2, E3 e E4, em conjunto com perfuraçãoatravés de uma fratura aberta, que não é fechada porreboco, que é gerado pelo modelo da fig. 3.

A fig. 22 é um gráfico do componente CC do sinal dopotencial de escoamento medido pelo eletrodo El sobre umconjunto de permeabilidades radiais variáveis e umapermeabilidade vertical de 100 mD, que é gerado pelo modeloda fig. 3.

A fig. 23 é um gráfico do componente CC do sinal dopotencial de escoamento medido pelo eletrodo El sobre umconjunto de permeabilidades verticais variáveis e umapermeabilidade radial de 100 mD, que é gerado pelo modeloda fig. 3.

A fig. 24 é um gráfico do componente CC do sinal dopotencial de escoamento medido pelo eletrodo El sobre umconjunto de permeabilidades verticais variáveis e umapermeabilidade radial de 4 mD, que é gerado pelo modelo dafig. 3.

A fig. 25 é um gráfico das derivadas discretas dotempo de perfilagem do componente CC do sinal do potencialde escoamento medido pelo eletrodo El sobre um conjunto depermeabilidades radiais variáveis e uma permeabilidadevertical de 100 mD, que é gerado pelo modelo da fig. 3.A fig. 26 é um gráfico das derivadas discretas dotempo de perfilagem do componente CC do sinal do potencialde escoamento medido pelo eletrodo El sobre um conjunto depermeabilidades verticais variáveis e uma permeabilidaderadial de 100 mD, que é gerado pelo modelo da fig. 3,

A fig. 27 é um gráfico das derivadas discretas dotempo de perfilagem do componente CC do sinal do potencialde escoamento medido pelo eletrodo El sobre um conjunto depermeabilidades verticais variáveis e uma permeabilidaderadial de 4 mD, que é gerado pelo modelo da fig. 3.

A fig. 28 é um gráfico da relação entre ocomponente fora de fase e o componente em fase do sinal dopotencial de escoamento medido pelo eletrodo El sobre umconjunto de permeabilidades radiais variáveis e umapermeabilidade vertical de 100 mD, que é gerado pelo modeloda fig. 3.

A fig. 29 é um gráfico da relação entre ocomponente fora de fase e o componente em fase do sinal dopotencial de escoamento medido pelo eletrodo El sobre umconjunto de permeabilidades verticais variáveis e umapermeabilidade radial de 100 mD, que é gerado pelo modeloda fig. 3.

A fig. 30 é um gráfico da relação entre ocomponente fora de fase e o componente em fase do sinal dopotencial de escoamento medido pelo eletrodo El sobre uraconjunto de permeabilidades verticais variáveis e umapermeabilidade radial de 4 iriD, que é gerado pelo modelo dafig. 3.

A fig. 31 é um gráfico do componente CC do sinal dopotencial de escoamento medido pelo eletrodo El em conjuntocom um grupo de valores de pressão superbalanceada, que égerado pelo modelo da fig. 3.

A fig. 32 é um diagrama ilustrando operaçõesajustadoras de curva, que extraem uma estimativa da pressãoda formação durante a perfuração, baseado na magnitude dasmedições do potencial de escoamento ao longo de um conjuntode pressões superbalanceadas variáveis.

A fig. 33 é um diagrama esquemático de umaferramenta de perfuração com perfilagem e de uma broca deperfuração.

A fig. 34 é um diagrama esquemático de uma broca deperfuração e de uma ferramenta de perfuração comperfilagem, com todos os eletrodos isolados do restante daferramenta.

As f igs. 35A e 35B são diagramas esquemáticos deeletrodos múltipl os distribuídos em torno da circunferênciade um comando de perfuração.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Antes de fazer referência às figuras, algumasconsiderações teóricas governando a física da invenção sãoúteis. Em rochas de reservatório, existe uma fina camadadupla carregada na interface entre a matriz de rocha porosae a água na matriz de rocha porosa. Em condições típicas, asuperfície da matriz é negativamente carregada, e a água épositivamente carregada. Quando a água se move sob umgradiente de pressão Vp, uma corrente elétrica Ie é criadacom a corrente de água. A corrente elétrica é proporcionalà corrente de água, que é proporcional ao gradiente depressão:

ie = L Vp, d)

onde L é uma constante de acoplamento, que é umapropriedade da rocha saturada com fluido.

Transientes de pressão são criados na formação pormuitas operações distintas, que ocorrem ao longo do tempode vida de um poço, tais como perfuração, invasão com lama,cimentação, injeção de água e ácido, fraturamento, eprodução de petróleo e gás. Os testes do transiente depressão constituem uma técnica estabelecida, paradeterminar propriedades do reservatório, comopermeabilidade, tamanho de reservatório, e comunicaçãoentre diferentes zonas e entre diferentes poços. Conformeabaixo descrito, transientes do potencial de escoamentoassociados aos transientes de pressão podem ser tambémusados, para determinar essas propriedades.

A modelagem da pressão de reservatório ρ pode serrealizada com modelos multifásicos de fluxo. Para amodelagem do potencial de escoamento, é útil iniciar com aequação de difusão de um fluxo monofásico:V.k/μ Vp = φο ô/õt ρ (2)

onde k é a permeabilidade, μ é a Viscosidade7 φ é aporosidade, e c é a compressibilidade de fluido.

Através do campo de pressão modelado ρ, o potencialde escoamento V pode ser calculado, pela resolução daEquação de Poisson:

-V. σ VV = V.LVp, (3)

onde a é a condutividade elétrica.

A partir da equação (2), segue-se que o tempo Atpara um transiente de pressão e o transiente do potencialde escoamento associado, criado na superfície do furo depoço para se difundir através de uma distância Ax dentro daformação, é dado por:

At ~ φομ/k (Ax)2 (4)

Os transientes prematuros do potencial deescoamento e da pressão são sensíveis principalmente àspropriedades do reservatório próximo ao furo do poço, e ostransientes atrasados são sensíveis às propriedades dosreservatórios próximo ao furo do poço e mais afastado dofuro do poço. Através da interpretação dos transientesmedidos de uma maneira cronológica, as propriedades doreservatório em diferentes distâncias para o furo do poçopodem ser determinadas. A interpretação dos transientes depressão, dessa maneira cronológica, é uma técnicaestabelecida. Por exemplo, transientes prematuros depressão são usados para determinar danos às permeabilidadesna crosta, e transientes atrasados de pressão são usadospara determinar limites de reservatório. Conforme abaixocitado, transientes do potencial de escoamento associadosaos transientes de pressão podem ser usados para determinaressas propriedades.

As aplicações são muito mais limitadas, se osvalores constantes dos potenciais de escoamento forem asúnicas medições disponíveis. Em um estado constante, aequação (2) se torna

V.k/μ Vp = 0 (5)

A queda de pressão Δρ ao longo de um intervalo deprofundidade Δχ é então proporcional a

Δρ oc μ/k Δχ (6)

A queda no potencial de escoamento Δχ é relacionadaao Δρ por

AV = - L/σ Δρ, (7)

que é proporcional a

Δν oc Lyi/ok Δχ. (8)

0 potencial de escoamento constante somente podeprestar informações sobre o valor médio de uma propriedadede reservatório e, como resultado, é dominado porintervalos com altos valores de (Lp)/(ok). Acredita-se que,na presença de um reboco, o potencial de escoamentoconstante seja dominado pelo reboco, e seja insensível àspropriedades do reservatório. A permeabilidade do reboco éextremamente baixa, e a queda de pressão continua existeprincipalmente através do reboco.

Embora, em principio, seja possível determinar aspropriedades do reservatório em todas as distâncias até ofuro do poço (isto é, radialmente a partir do furo do poço)pela interpretação dos transientes de um modo cronológico,a questão critica na prática é se as medições podem serfeitas com suficiente qualidade: precisão, resoluçãoespacial, e estabilidade durante longo tempo. É difícilobter dados do transiente de pressão com alta resoluçãoespacial, já que o furo do poço é essencialmente uma regiãoisobárica. Um sensor de pressão colocado dentro do furo dopoço não pode prestar informações detalhadas sobre ' ostransientes de pressão dentro da formação, se a formaçãofor heterogênea. Para fazer isso, será necessário segmentaro furo do poço em zonas hidraulicamente isoladas, umatarefa de execução difícil e dispendiosa. Por outro lado, ofuro do poço não é uma superfície equipotencial para fluxode corrente elétrica. Assim, transientes do potencial deescoamento podem ser medidos por um arranjo de eletrodosposicionados dentro do furo do poço e eletricamenteisolados um do outro, e podem prestar informaçõesequivalentes a estes, dos testes de transientes de pressãoda zona hidraulicamente isolada, porque o potencial deescoamento é determinado pelo gradiente de pressão. Naverdade, pela utilização de um arranjo de eletrodos compotencial de escoamento isolado, o potencial de escoamentopode ser medido com uma maior resolução espacial, do que ostestes do transiente de pressão da zona hidraulicamenteisolada.

As propriedades da formação variam de local a local(inomogeneidade) e podem também variar com a direção em umdeterminado local (anisotropia). Em decorrência disso, opotencial de escoamento em uma profundidade particular podevariar em torno da circunferência do furo do poço. Porexemplo, uma fratura, que atravesse o furo do poço em umângulo oblíquo, pode produzir mudanças significativas nopotencial de escoamento com o azimute. Outro exemplo é aanisotropia da permeabilidade, que modifica a distribuiçãoresultante de um transiente de pressão. Visto que adistribuição de fluxo afeta o potencial de escoamento, aanisotropia da permeabilidade pode também produzirvariações azimutais no potencial de escoamento. Assim,medições azimutais do potencial de escoamento podem serinterpretadas, para determinar a inomogeneidade e aanisotropia das propriedades da formação.

Após â citação dos entendimentos teóricos acima, deacordo com o aspecto da invenção, são fornecidos umaparelho e método para medir potenciais de escoamentodurante a perfuração de um furo de poço. De modoparticular, durante a perfuração, uma diferença de pressãoentre a formação e o furo do poço cria invasão de lama etransientes de pressão e, assim, transientes do potencialde escoamento. Em poços perfurados com uma lama baseada empetróleo, um potencial de escoamento irá existir, se a lamacontiver uma fração de água.

Com relação agora à fig. 1, é mostrada umailustração esquemática de um furo de poço 10 perfurado emuma formação 12 por um aparelho de perfuração rotativa, queemprega uma ferramenta de medição do potencial· deescoamento da perfuração com avaliação, de acordo com apresente invenção. 0 aparelho de perfuração inclui umacoluna de perfuração 14 composta de um número de seções docomando de perfuração tubulares interconectadas (incluindoas seis mostradas como 15A, 15B, 15C, 15D, 15E e 15F) ,sustentando, na sua extremidade inferior, um comando deperfuração 16 terminado por uma broca de perfuração 17. Nasuperfície, a coluna de perfuração 14 é sustentada e giradapor aparelho padrão (não mostrado) , girando assim a brocade perfuração 17 para avançar a profundidade do furo dopoço 10.

Um fluxo de recirculação de fluido ou lama deperfuração é utilizado para lubrificar a broca deperfuração 17 e para conduzir frações residuais efragmentos de perfuração até a superfície 18. Porconseguinte, o fluido de perfuração é bombeado para baixodo furo do poço 10 e flui pelo interior da coluna deperfuração 14 (conforme indicado pela seta 19), saindo aseguir pelos orifícios (não mostrados) na broca deperfuração 17. 0 fluido de perfuração saindo pela broca deperfuração 17 circula para cima (conforme indicado pelassetas 20) na região entre o exterior da coluna deperfuração 14 e a periferia 21 do furo do poço, que énormalmente chamado de espaço anular.

A porção inferior da coluna de perfuração 14,incluindo a broca de perfuração 17, o comando de perfuração16, e pelo menos uma seção tubular do comando de perfuraçãoconectada ao comando de perfuração 16 (p. ex., seção docomando de perfuração 15F), é chamada de composição defundo 100. De acordo com a presente invenção, a composiçãode fundo 100 inclui capacidades para medir o potencial deescoamento durante a perfuração, conforme baixo descrito emmais detalhes. As medições durante a perfuração sãoobservadas no furo do poço 10, com a composição de fundo100 localizada no furo do poço durante as operações deperfuração, pausa, manobra, ou outras mais.

Conforme mostrado na seção transversal da fig. 2, acomposição de fundo 100 inclui uma série de elementosinterconectados, incluindo a seção tubular do comando deperfuração 15F, o comando de perfuração 16 e a broca deperfuração 17. A seção do comando de perfuração 15F incluium corpo metálico 101 e três eletrodos anulares externos102-1, 102-2, 102-3, que são longitudinalmente afastadosentre si e montados sobre um meio isolante adequado (p.ex., coxins isolantes 103-1, 103-2, 103-3), que isolaeletricamente os eletrodos do corpo metálico 101. A seçãodo comando de perfuração 15F ainda inclui um sensor depressão 104 montado sobre ela para medir a pressão no fundodo poço.

A broca de perfuração 17 é interconectada com ofundo do comando de perfuração 16 por um acoplamentoroscado 105. O topo do comando de perfuração 16 éinterconectado com o fundo da seção do comando deperfuração 15F por uma junção isolante 106, que isolaeletricamente o corpo metálico da seção do comando deperfuração 15F, do comando de perfuração 16 e da broca deperfuração 17. A junção isolante 106 permite que o corpometálico do comando de perfuração 16 e da broca deperfuração 17, coletivamente, seja usado como um eletrodode medição para medições do potencial de escoamento etambém permite que o corpo metálico 101 da seção do comandode perfuração seja usado como um eletrodo de referência devoltagem para medições do potencial de escoamento, conformeabaixo descrito em mais detalhes. Na modalidade preferida,um dos eletrodos (102-1) está localizado adjacente (ousobre) a junção isolante 106. Nesta configuração, acorrente de escoamento elétrico, criada pela perda deesguicho na broca de perfuração 17, é forçada a fluir maispara fora da formação 12 e para dentro da coluna deperfuração acima da junção isolante 106. Com o eletrodo102-1 colocado adjacente (ou sobre) a junção isolante 106,ele terá um forte sinal, mesmo se existir uma boa distânciaatrás da broca de perfuração 17.

Um chassi anular 107 se encaixa dentro da seção decomando de perfuração 15F e do comando de perfuração 16. Ochas si anular não fornece um curto circuito elétrico entrea seção do comando de perfuração 15F, e o comando deperfuração 16. De preferência, o chassi anular termina najunção isolante, e um cabo isolado conecta a eletrônica nointerior do chassi anular ao comando de perfuração 16. Demodo alternativo, se uma porção do chassi anular seestender abaixo da junção isolante, ela é feita de ummaterial não condutor (por exemplo, feita de epóxi de fibrade vidro). O chassi anular 107 aloja a fiação, que éeletricamente acoplado através de furos isolados depassagem (não mostrados) aos eletrodos 102-1, 102-2, 102-3,o sensor de pressão 104, o corpo metálico do comando deperfuração/ broca de perfuração (que é usado como umeletrodo de medição para medições do potencial deescoamento), e o corpo metálico 101 da seção de comando deperfuração 15F (que é usada como um eletrodo de referênciapara medições do potencial de escoamento). O fluido deperfuração escoa através do centro do chassi anular 107,conforme mostrado pelas setas 108. O chassi anular 107também inclui, de preferência, componentes eletrônicos deinterface e de telemetria, que são ligados a um sistema detelemetria dos pulsos de lama MWD localizado em um comandode perfuração separado. 0 sistema de telemetria dos pulsosde lama MWD gera ondas de pressão oscilantes, que sepropagam para cima no interior da coluna de perfuração, eque são detectadas por um sensor de pressão montado nasonda de perfuração. 0 sistema de telemetria dos pulsos delama codifica as medições no fundo do poço, que sãodecodificados pelo equipamento de processamento de dadoslocalizado na superfície (p. ex., um processador earmazenamento de dados associados). 0 equipamento deprocessamento de dados recebe sinais de dadosrepresentativos dos potenciais de escoamento medidos peloseletrodos, bem como sinais de dados representativos dapressão medida pelos sensores de pressão. Tais sinais dedados são analisados, para obter produtos de resposta,conforme abaixo discutido.

Os valores do potencial de escoamento medidos peloseletrodos são leituras de voltagem passiva, que podem serfeitas em um furo de poço altamente resistivo, pelo uso decomponentes eletrônicos de alta impedância. Em poçosperfurados com lama a base de petróleo, os eletrodosprecisam ser o mais largo possível, e colocados o maispróximo possível da formação, para reduzir a impedância doeletrodo.

Deverá ser apreciado pelas pessoas versadas natécnica que, a fim de analisar corretamente os sinais dedados obtidos dos eletrodos e/ou do sensor de pressão dacomposição de fundo 100, um modelo de reboco desenvolvidodurante a perfuração deve ser incluído no modelo de avanço.

Lamas de perfuração são projetadas para impedir perdassignificativas de fluido do furo de poço, pela formação deuma barreira praticamente impermeável (reboco) na parede dofuro do poço. O reboco consiste de argilas e partículasfinas, que são deixadas para trás, quando a lama invade umaformação permeável. Modelos exatos da formação de reboco eda filtração de lama, tais como divulgados em E. J. Fordhame Η. K. J. Ladva, "Filtração com Fluxo Cruzado dasSuspensões de Bentonita", Hidrodinâmica Físico-química,11(4), 411-439 (1989), podem ser utilizados. Com um modeloapropriado, as informações do potencial de escoamentoobtidas dos eletrodos e/ou sensor de pressão da composiçãode fundo 100 podem produzir vários produtos de resposta,que são aplicáveis a uma ampla variedade de aplicações,tais como segurança de perfuração e avaliação da formação.

Por exemplo, as aplicações dentro da segurança deperfuração inclui a detecção prematura da condição sub-balanceada em zonas sobrepressurizadas, a detecçãoprematura da perda de fluido através de fraturas e falhas,e a estimativa da pressão da formação. Em outros exemplos,as aplicações dentro da avaliação da formação incluem aestimativa de permeabilidade da formação e a avaliação defraturas.

Um modelo exemplificante é ilustrado no diagramaesquemático da fig. 3. Nesse modelo, o eletrodo 102-1(abaixo chamado de eletrodo E2) está localizado no pontomédio de uma junção isolante 106 com 0,5 pés de extensão,com os eletrodos 102-2 e 102-3 (abaixo chamados,respectivamente, de eletrodos E3 e E4) localizados no pontomédio das seções isolantes de superfície com 1 pé deextensão 102-2 e 102-3, que são deslocadas respectivamentea 1 pé e 4 pés do topo da junção isolante 106. Trêsextensões distintas (3 pés, 5 pés e 12 pés) do comando deperfuração 16 são usadas. O comando de perfuração/ broca deperfuração é abaixo chamada de eletrodo El. O corpometálico da seção de comando de perfuração 15F define umeletrodo de referência. O furo do poço é um poço vertical.A condutividade da formação é de 1 S/m, a condutividade doespaço anular é de 10 S/m, e a condutividade do comando deperfuração 16 e da broca perfuração 17 é de IO7 S/m. Abomba de lama e a telemetria dos pulsos de lama fazem comque a pressão no fundo do poço oscile. O sistema detelemetria dos pulsos de lama pode criar pulsos de pressãode poucas centenas de psi (libras por polegada quadrada) emfreqüências abaixo de 1 Hz a acima de 20 Hz. A diferençaentre a pressão no fundo do poço e a formação é consideradaser

ρ = Po + Pi sen (2π t/T)onde a pressão inicial p0 é suposta ser de 500 psi como umexemplo de perfuração superbalanceada, e é suposta ser de-500 psi como um exemplo de perfuração sub-balanceada. Apressão oscilante a partir do sistema de telemetria dospulsos de lama é plf que é suposta ser de 35 psi, e operíodo do sinal dos pulsos de lama é T, que suposto ser de1 segundo. Nos exemplos a seguir, a velocidade depenetração da broca de perfuração é suposta ser constante a33 pés/h, até que a perfuração cesse. A broca de perfuraçãoe os comandos de perfuração localizados acima dela sãosupostos estarem em uma formação impermeável (12A da fig.1) até o tempo t = 0, quando a broca de perfuração cortauma formação permeável (12B da fig. 1) . Para tempos t<0,não existe nenhum potencial de escoamento, pois não existenenhum fluido fluindo para dentro ou para fora da formaçãoimpermeável. Para tempos t>0, o fluido no furo do poço fluipara dentro da formação permeável (situaçãosuperbalanceada) , ou o fluido da formação permeável fluipara dentro do furo do poço (situação sub-balanceada) . Aquantidade de formação permeável exposta ao furo do poço édada pela velocidade de penetração multiplicada pelo tempot. No tempo t = 800 segundos, a perfuração cessa com abroca de perfuração tendo penetrado 7,3 pés na formaçãopermeável; mas a bomba de lama e a telemetria de pulsos dalama continuam a operar. No caso superbalanceado, um rebococontinua a se formar e reduz o fluxo de fluido dentro daformação. No caso sub-balanceado, o fluido continua a fluirpara fora da formação, visto que o reboco não pode seformar.

Um sinal do potencial de escoamento oscilante podeser extraído de uma medição da voltagem diferencial (bloco601 da fig. 6) entre o eletrodo de referência e um dosquatro eletrodos (p. ex., El, E2, E3, ou E4), que é aquichamado de "eletrodo medidor". Por exemplo, um sinal dopotencial de escoamento oscilante extraído do comando deperfuração/ broca de perfuração (eletrodo El) e uma pressãosuperbalanceada é mostrado no gráfico da fig. 4. Uma seçãoda fig. 4 é mostrada em escala de tempo expandida na fig.5. Entre o tempo t=0et=800 segundos, a broca deperfuração corta a formação permeável (12B). No t = 800segundos, os eletrodos E1, E2 e E3 estão na formaçãopermeável, enquanto que o E4 permanece na formaçãoimpermeável.

No caso superbalanceado, o filtrado de lama invadea formação permeável, produzindo um potencial deescoamento. A maior parte da invasão ocorre na face decorte da broca de perfuração, que remove continuamente oreboco. Atrás da face de corte da broca de perfuração,reboco é formado na parede do furo do poço e inibe umainvasão adicional.. Quando a perfuração cessa a t = 800segundos, a invasão também cessa, e o potencial deescoamento diminui rapidamente.No caso sub-balanceado, fluidos da formação escoampara dentro do furo do poço ao longo de toda a sua extensãona formação permeável, bem como na face de corte da broca.Devido ao fato do reboco não poder se formar, o potencialde escoamento não diminui após a perfuração cessar.

De modo alternativo, componentes distintos de CC eCA do sinal do potencial de escoamento oscilante podem seradquiridos, conforme mostrado·na fig. 6. 0 componente CC éadquirido no bloco 602, por mediação da saida de sinal dopotencial de escoamento oscilante., através da medição davoltagem diferencial do bloco 601 ao longo do tempo. Ocomponente CA é adquirido no bloco 603 por filtragem docomponente CC (e de outros componentes indesejados) dasaida de sinal do potencial de escoamento oscilante, pelamedição da voltagem diferencial do bloco 601. Além disso, ocomponente em fase e o componente fora de fase do sinal depotencial de escoamento (chamados a seguir de componentesCA) podem ser adquiridos no bloco 605, pela detecçãosincrona do componente CA do sinal do potencial deescoamento (saida pelo bloco 603) com o componente CA dapressão no fundo do poço medida pelo sensor de pressão(saida pelo bloco 604). O componente CA da pressão no fundodo poço é adquirido no bloco 604, pela filtragem docomponente CC (e de outros componentes indesejados) dasaida do sinal de pressão pela pressão. De modo importante,a CA do sinal do potencial de escoamento oscilante estámenos sujeita a contaminação por ruído, do que oscomponentes CC do sinal do potencial de escoamentooscilante.

A origem do componente fora de fase do sinal dopotencial de escoamento pode ser entendida da seguintemaneira. A pressão oscilante no fundo do poço serádifundida para dentro da formação. Em um ponto interior naformação, a pressão terá uma diferença de fase com apressão no fundo do poço. A diferença de fase depende dadistância até o furo do poço e da permeabilidade daformação e das propriedades do fluido. A corrente deescoamento em um ponto interior estará em fase com ogradiente de pressão nesse ponto, e terá uma diferença defase com a pressão no fundo do poço. A corrente deescoamento em cada ponto interior fornece uma contribuiçãopara o potencial de escoamento no eletrodo medidor; acontribuição está em fase com o gradiente de pressão noponto interior. O potencial de escoamento no eletrodomedidor é a integridade das contribuições de todos ospontos na formação. Assim, existirá um componente fora defase do sinal do potencial de escoamento.

Visto que a pressão é governada pela equação dedifusão, ao invés da equação de ondas, a resposta dapressão a certa distância afastada da fonte se tornadifusa. Em grandes distâncias de afastamento, asinformações detalhadas sobre a fonte, espaciais ecronológicas, serão perdidas na pressão. Assim, a parteoscilante da pressão deve diminuir com a crescentedistância até a fonte de perturbação da pressão. A pressãoem um ponto próximo à superfície do furo de poço é plotadana fig. 7A, e a pressão correspondente em um ponto interiorda formação afastado da superfície do furo de poço éplotada na fig. 7B. Pode ser visto que a amplitude da parteoscilante, como um percentual da parte CC, é reduzidasignificativamente, quando uma delas sè afasta da fonte.Por conseguinte, o componente CA do potencial de escoamentopossui profundidades mais rasas de investigação, do que ocomponente CC.

Os componentes CC, em fase CA, e fora de fase CA deum sinal do potencial de escoamento medido pelo eletrodo Elsão mostrados na fig. 8. Os componentes em fase e fora defase são plotados em diferentes escalas pelo componente CC,com os componentes CA multiplicados por um fator de 10 parafins de clareza. Esses componentes CA saturam mais cedo, doque o componente CC, e descem mais rapidamente, quando aperfuração cessa. Estas propriedades refletem a natureza decurta amplitude dos componentes CA de sinal do potencial deescoamento.

A diferença de fase entre a pressão no fundo dopoço e o potencial de escoamento depende da permeabilidadeda formação. 0 uso potencial da diferença de fase nadeterminação da permeabilidade da formação será discutidomais tarde.

Os sinais do potencial de escoamento medidos pelosquatro eletrodos El, E2, E3 e E4 são dependentes dasposições dos eletrodos ao longo da coluna de perfuração,bem como da posição da junção isolante 16 ao longo dacoluna de perfuração. Os sinais do potencial de escoamentonos quatro eletrodos são mostrados para condiçõessuperbalanceadas nas figs. 9 - 15. A junção isolante 106está localizada a diferentes distâncias da broca deperfuração 17 nessas figuras.

Os componentes de sinal CC são mostradosrespectivamente na figs. 9, 10 e 11. 0 aumento doespaçamento entre a broca de perfuração 17 e a junçãoisolante 106, de 3 pés para 12 pés, não provoca uma grandequeda na amplitude do sinal CC. A amplitude do sinal para oeletrodo El é de cerca de 38 mV para um espaçamento de 3pés, e de cerca de 23 mV para um espaçamento de 12 pésentre a broca e a junção isolante. A amplitude de sinal doeletrodo E2 é de cerca de 19 mV para o espaçamento de 3pés, e de 1.2 mV para um espaçamento de 12 pés. Observetambém que o eletrodo E2 está no leito permeável para oespaçamento de 3 pés, mas está no leito impermeável paraespaçamento de 12 pés. Esta lenta diminuição nas amplitudesdo sinal CC ocorre, porque a broca de perfuração 17 e ocomando de perfuração 16 formam uma superfícieequipotencial e conduzem passivamente a corrente elétricado potencial de escoamento para longe do furo do poço. Ajunção isolante 106 força a corrente elétrica de escoamentoa retornar para a seção 15F do comando de perfuração atrásda junção isolante 106. Isto também explica o motivo dasamplitudes CC diminuírem lentamente do E1 para o E2 . Após acorrente elétrica de escoamento fluir até alem da junçãoisolante 106, ela retorna rapidamente para o comando deperfuração 15F. Isto explica o motivo da amplitude noeletrodo E3 ser muito menor do que no E2.

Os componentes de sinal CA são mostradosrespectivamente nas figs. 12, 13 e 14. As amplitudes doscomponentes CA diminuem lentamente com o aumento dadistância entre a broca de perfuração e a junção isolante.

Os componentes de sinal CC calculados sem a junçãoisolante 106 são mostrados na fig. 15. Comparando as figs.15 e 9, as amplitudes sem a junção isolante são 40 vezesmenores, do que com uma junção isolante. Assim, uma junçãoisolante é, de preferência, incluída no projeto daferramenta, a fim de oferecer boa intensidade de sinal.

As figs. 9-15 mostram que medições exatas dossinais do potencial de escoamento podem ser obtidas, depreferência, com uma junção isolante localizada na colunade perfuração. A junção isolante 106 não precisa serlocalizada imediatamente atrás da broca de perfuração 17.Observe que, quando a distância entre a junção isolante 106e a broca de perfuração 17 aumentou de 3 pés para 12 pés, amagnitude do potencial de escoamento diminuiu somente em umfator de 2. Assim, é contemplado que a junção isolante 106pode ser colocada de 20 a 30 pés atrás da broca deperfuração 17, se desejado. Isto permite que um sistema deperfuração direcional possa ser localizado imediatamenteacima da broca de perfuração, e que a junção isolante sejacolocada acima do sistema de perfuração direcional. Esta éuma consideração prática importante, visto que a maioriados poços offshore necessitam de um sistema de perfuraçãodirecional imediatamente acima da broca de perfuração.

De acordo com o aspecto da presente invenção, ossinais do potencial de escoamento, medidos por um ou maisdos quatro eletrodos E1, E2, E3, E4 da composição 100,podem ser usados para detectar condições sub-balanceadas deperfuração, o que é critico para a segurança da perfuração.Normalmente, uma condição superbalanceada é mantida durantea perfuração. Se uma formação com pressão inesperadamentealta for encontrada, de forma que exista uma condição sub-balanceada, o sondador precisa tomar medidas imediatas paraimpedir uma "explosão". Uma "explosão" pode resultar naperda do poço, danos ambientais, e potencialmente na perdade vidas. A fig. 16 mostra os componentes de sinal CC dossinais do potencial de escoamento com a junção isolante 106localizada a 3 pés atrás da broca de perfuração 17. A fig.17 mostra os componentes de sinal CA. A detecção decondições sub-balanceadas de perfuração pode sersimplesmente extraída dos sinais CC, pela detecção de umainversão de sinal nos sinais CC. Nas figs. 9 e 16, o sinalde um sinal CC é negativo para condições superbalanceadasde perfuração, e positivo para condições sub-balanceadas deperfuração. 0 sinal CC irá de negativo para positivo,quando ocorrer uma transição nas condições de perfuração,de superbalanceadas para sub-balanceadas.

De modo alternativo, os componentes de sinal CApodem ser usados para detectar condições sub-balanceadas deperfuração. Comparando as figs. 12 e 17, não existe nenhumainversão de sinal nos componentes CA, quando ocorrer umatransição das condições de perfuração, de superbalanceadaspara sub-balanceadas. Porém, a duração de tempo do períodode subida do potencial de escoamento após penetrar na zonapermeável é muito diferente nas duas figuras. No casosuperbalanceado, reboco se forma rapidamente na parede dofuro do poço acima da broca de perfuração, e reduz aquantidade de invasão do filtrado de lama atrás da face decorte da broca de perfuração. Assim, uma filtragemsignificativa somente corre na face de corte. 0 aumento daextensão do furo de poço na formação permeável 12B nãoaumenta a taxa de filtragem. Na situação sub-balanceada,reboco não pode se formar. Assim, a quantidade do filtradode lama aumenta com a elevação da extensão do furo do poçona formação permeável. Além disso, quando a perfuração écessada em t = 800 segundos, os componentes de sinal CAdiminuem rapidamente para condições superbalanceadas deperfuração (fig. 12), muito embora fluido de perfuraçãocontinue a circular, mas permanecem estacionários paracondições sub-balanceadas de perfuração (fig. 17).

Novamente, o rápido desenvolvimento de reboco no casosuperbalanceado explica o motivo do potencial de escoamentodiminuir rapidamente em t = 800 segundos. Considerando ocaso sub-balanceado, o fluido continua a fluir da formaçãopara o furo do poço. Por último, os componentes de sinal CAno eletrodo E3 permanecem muito pequenos para condiçõessuperbalanceadas de perfuração (fig. 12), mas aumentam demodo significativo (p. ex., em t = 600 seg) para condiçõessub-balanceadas de perfuração (fig. 17). De acordo com apresente invenção, uma ou mais destas propriedades podemser usadas como critérios de detecção para condições sub-balanceadas de perfuração.

De acordo com outro aspecto da presente invenção,os sinais do potencial de escoamento medidos por um ou maisdos quatro eletrodos El, E2, E3, E4 da composição 100 podemser usados para detectar fraturas abertas, o que é criticopara a segurança da perfuração. De modo particular, podehaver uma perda instantânea de fluido através de fraturasnaturais ou induzidas durante a perfuração, resultando emcirculação perdida e pressões potencialmente eperigosamente baixas no furo do poço. Neste caso, opotencial de escoamento irá aumentar rapidamente., conformefluidos correm para dentro da formação através das fraturasabertas. Essa perda de fluido somente será observada muitomais tarde na superfície. A fig. 18 mostra os componentesde sinal CC com a junção isolante 106 localizada a 3 pésatrás da broca de perfuração 17 em conjunto com uma fraturaaberta, que é mais tarde fechada com reboco. A fig. 19mostra os componentes de sinal CA. A fig. 20 mostra oscomponentes de sinal CC, se a fratura não for fechada comreboco, e a fig. 21 mostra os componentes de sinal CA. Afratura é uma fina zona de alta permeabilidade, e épenetrada pela broca de perfuração em t = 320 segundos.

Conforme é evidenciado nas figs. 18 - 21, o fluxo de fluidoaumenta, conforme a fratura é perfurada, o que resulta emsinais de grande potencial de escoamento CC e CA noseletrodos El e E2. Os componentes CC são 40 vezes maiorespara o eletrodo El com a fratura, do que com a formaçãopermeável (fig. 9). Da mesma forma, os componentes de sinalCA são significativamente maiores para o eletrodo El com afratura, do que com a formação permeável (fig. 12). Quandoa fratura for mais tarde fechada com reboco (em t = 380segundos nas figs. 18 e 19), os componentes CC e oscomponentes CA retornam a seus valores estacionários, apósa broca de perfuração ultrapassar a fratura. Quando afratura não for fechada com reboco (figs. 20 e 21), nãoexiste nenhum decré scimo, quando a broca de perfuraçãoabandonar a fratura. De acordo com a presente invenção,estas propriedades podem ser usadas como critérios dedetecção para uma fratura aberta, que é também critico paraa segurança da perfuração.

De acordo com outro aspecto ainda da presenteinvenção, os sinais do potencial de escoamento medidos porura ou mais dos quatro eletrodos El, E2, E3, E4 dacomposição 100 podem ser usados para caracterizar apermeabilidade radial e a permeabilidade vertical daformação. Após a perfuração ser interrompida, reboco seforma rapidamente para cessar a perda de fluido em umasituação superbalanceada. Os sinais do potencial deescoamento diminuem com o tempo, conforme o gradiente depressão é difundido para dentro da formação. O declínio érápido para formações de alta permeabilidade e lento paraformações de baixa permeabilidade. A fig. 22 mostra ocomponente CC medido pelo eletrodo El para cinco valoresdistintos de permeabilidade radial, com uma permeabilidadevertical de 100 mD. Pode ser visto que a taxa de declínio ébastante sensível à permeabilidade radial. A fig. 23 mostrao componente CC medido pelo eletrodo El para cinco valoresdistintos de permeabilidade vertical, com umapermeabilidade radial de 100 mD. A fig. 24 mostra ocomponente CC medido pelo eletrodo El para cinco valoresdistintos de permeabilidade vertical, com a permeabilidaderadial fixada em 4 mD. Para melhor visualização dasensibilidade da taxa de declínio à permeabilidade, asderivadas discretas do tempo de perfilagem (a diferençaentre os componentes CC nos pontos de amostragem em doistempos dividida pelo componente CC no ponto de amostragemno tempo médio) são mostradas nas figs. 25 - 27, onde ointervalo de tempo é um curto intervalo em torno de 800segundos, quando a perfuração cessa. A sensibilidade docomponente CC para a permeabilidade radial da formação estáisenta das separações relativamente grandes entre as curvasda fig. 25. A insensibilidade do componente CC àpermeabilidade vertical, com a permeabilidade radial fixadaem 100 mD, está isenta das separações relativamentepequenas entre as curvas da fig. 26. Ea insensibilidade docomponente CC à permeabilidade vertical, com apermeabilidade radial fixada em 4 mD, está isenta dasseparações relativamente pequenas entre as curvas da fig.27. A partir dessas propriedades, pode ser concluído que,após a perfuração cessar e o reboco se formar, a relaxaçãoda pressão em excesso próxima ao furo do poço éessencialmente em uma direção radial.

A fig. 28 ilustra a relação entre o componente forade fase e o componente em fase (isto é, a tangente doângulo de fase) do sinal do potencial de escoamento CAmedido pelo eletrodo E1 para cinco valores distintos dapermeabilidade radial, com a permeabilidade vertical fixadaem 100mD. A fig. 2 9 ilustra a tangente do ângulo de fase dosinal do potencial de escoamento medido pelo eletrodo E1para cinco valores distintos da permeabilidade vertical,com a permeabilidade radial fixada em'IOOmD. E a fig. 30ilustra a tangente do ângulo de fase do sinal do potencialde escoamento medido pelo eletrodo El para cinco valoresdistintos da permeabilidade vertical, com a permeabilidaderadial fixada em 4mD. Pode ser visto que a tangente doângulo de fase do sinal do potencial de escoamento ésensível à permeabilidade radial e à permeabilidadevertical. Em todas as três figuras 28 - 30, o valorabsoluto da tangente do ângulo de fase diminui, conforme apermeabilidade aumenta. No limite da permeabilidadeinfinita ( ou compressibilidade zero), a resposta da pressãodentro da formação às variações de pressão no furo do poçoé instantânea. As fontes das correntes de escoamento dentroda formação estão sempre em fase com a pressão no furo dopoço. O ângulo de fase se aproxima de zero, quando apermeabilidade se aproxima do infinito.

Visto que as taxas de declínio e as tangentes doângulo de fase possuem diferentes sensibilidades para apermeabilidade radial e para a permeabilidade vertical, épossível estimar a permeabilidade radial e a permeabilidadevertical, com os componentes CC e CA combinados. Através daminimização da diferença entre os valores medidos ecalculados, a permeabilidade radial e a permeabilidadevertical são estimadas.

Se o componente de sinal CC do sinal do potencialde escoamento estiver indisponível, é possível estimar apermeabilidade da formação com os componentes CA emseparado. Nesta analise, uma hipótese é feita quanto àrelação entre a permeabilidade radial e a permeabilidadevertical.

De acordo com outro aspecto ainda da presenteinvenção, os sinais do potencial de escoamento medidos porum ou mais dos quatro eletrodos El, E2, E3 e E4 dacomposição 100 podem ser usados para estimar a pressão daformação. A fig. 31 mostra o componente CC do sinal dopotencial de escoamento medido no eletrodo El para trêspressões superbalanceadas distintas (500 psi, 400 psi, e300 psi) . A pressão no furo do poço pode ser variada pelocontrole da taxa das bombas de lama, por variação do pesoda lama de perfuração, ou pela manobra da coluna deperfuração para dentro (ou para fora) do furo do poço. Ficaevidente através da fig. 31, que os sinais do potencial deescoamento CC são proporcionais à pressão superbalanceada.Assim, a pressão da formação pode ser estimada, pelamedição dos componentes CC do potencial de escoamento emuma pluralidade de pressões distintas no furo do poço. Asmagnitudes do potencial de escoamento para as diferentespressões superbalanceadas são ajustadas em uma linha reta,de acordo com a lei de Darcy. Essa linha reta éextrapolada, a fim de determinar a pressão da formação nopotencial de escoamento zero. Essa pressão (a pressão nopotencial de escoamento zero) é a pressão da formação. 0método de estimativa é mostrado, de forma esquémática, nafig. 32. A estimativa da pressão da formação durante aperfuração é extremamente importante para a segurança daperfuração.

De acordo com outro aspecto ainda da presenteinvenção, os sinais do potencial de escoamento medidos porum ou mais dos quatro eletrodos El, E2-, E3 e E4 dacomposição 100 podem ser também usados para a detecçãoantecipada de pressões anormais na formação. Por exemplo,se a pressão da formação se tornar maior do que a pressãono furo do poço, o sinal do componente CC dos sinais dopotencial de escoamento será invertido. Essa inversão desinal será observável, antes que fluido suficiente tenhaescoado para dentro do furo do poço, para que a variação depressão seja diretamente observável. 0 acúmulo da inversãode fluxo pode ocorrer durante um período de tempo curto,mas finito, conforme a zona com pressão anormal estiversendo perfurada. Qualquer inversão de fluxo seráimediatamente observável no componente CC das medições dopotencial de escoamento. Assim, as medições do potencial deescoamento do componente CC possuem valor na detecçãoantecipada da pressão anormal na formação. Devido ao fatoda medição de escoamento ser feita em um ponto muitopróxima à broca de perfuração, isto fornece o alerta maisantecipado possível de uma formação superpressurizada.Uraa modalidade preferida de uma ferramenta LWD100'., projetada para medir potencial de escoamento, émostrada na fig. 33. A broca de perfuração 17' é fixada naseção 16' do comando de perfuração da ferramenta LWD 100'por um acoplamento 105'. O topo do comando de perfuração16' é interconectado com o fundo da seção 15 F' do comandode perfuração por uma junção isolante 106', que isolaeletricamente o corpo metálico da seção 15 F' de comando deperfuração, do comando de perfuração 16' e da broca deperfuração 17'. A junção isolante 106' permite que o corpometálico do comando de perfuração 16' e da broca deperfuração 17', coletivamente, seja usado como um eletrodomedidor para medições do potencial de escoamento, e tambémpermite que o corpo metálico 101' da seção 15 F' do comandode perfuração seja usado como um eletrodo de referência devoltagem para medições do potencial de escoamento, conformeaqui descrito. A lama de perfuração 108' passa pelointerior da ferramenta LWD e da broca de perfuração 17',para lubrificar a broca de perfuração 17' e para removercascalhos. Um sensor de pressão 104' mede a pressão no furodo poço. A junção isolante 106' pode ser constituída de umaconexão de oficina, onde o pino possui um fino revestimentode cerâmica, de cerca de 0,010 a 0,020 pol. de espessura. Aconexão de pino revestida com cerâmica é atarraxada numaconexão tipo fêmea, e a conexão de oficina montada éinjetada com epóxi. Essa conexão de oficina é permanente enão rompida, após a ferramenta ser fabricada. Este conjuntopode propiciar um alto grau de isolamento elétrico entre ocomando de perfuração 16' e a seção de comando 15 F'.

Uma camada de isolante 103 - 1' cobre o exterior dajunção isolante 106', enquanto que outra camada de isolante112 cobre o interior. Essas camadas externa e interna deisolante podem ser feitas, por exemplo, de fibra de vidroe/ou de borracha. Sua finalidade é aumentar a resistênciaelétrica entre o eletrodo inferior El (comando deperfuração 16' e broca de perfuração 17') e o comando deperfuração 15 F, que seria, de outro modo, reduzida, quandoa lama de perfuração condutora estivesse presente. A camadaexterna de isolante 103 - 1' também fornece isolamentoelétrico em torno do eletrodo E2 102 - 1', para elevar aintensidade do sinal. Os eletrodos 102 - 1' (E2), 102 - 2'(E3) e 102 - 3' (E4) podem ser anéis metálicos embutidosrespectivamente nas camadas isolantes 103 - 1', 103 - 2', e103 - 3' . Cada um desses três eletrodos é conectado aoscomponentes eletrônicos de medição, por cabos e anteparasde pressão (não mostrados). Essas camadas isolantesexternas e eletrodos podem ser montados de modo niveladocom o exterior do comando de perfuração ou ligeiramenterecuados, para evitar danos. Cintas de desgaste com umdiâmetro ligeiramente maior do que o comando de perfuraçãopodem ser também adicionadas, para evitar danos aoseletrodos.O eletrodo El (comando de perfuração 16' e broca deperfuração 17') é conectado aos componentes eletrônicos demedição, que são alojados no chassi anular 107' por umaextensão elétrica interna 110, que se encaixa em um soqueteelétrico 111. O soquete elétrico 111 é diretamente fixado auma porção superior interna do comando de perfuração 16',para proporcionar conexão elétrica ao eletrodo El (comandode perfuração 16' e broca de perfuração 17'). A extensãoelétrica 110 consiste de uma haste de metal ou cabo que seencaixa com o soquete elétrico 111, quando a conexão deoficina for estabelecida. Uma camada isolante envolve aextensão elétrica 110, e serve para a mesma finalidade quea camada isolante interna 112.

O chassi dos componentes eletrônicos 107' contém,de preferência, a eletrônica de medição, um processador ememória, um relógio, eletrônica de comunicação, e podeconter ainda uma bateria. O chassi anular 107' é, depreferência, feito de metal e fornece uma câmara herméticaa ar para a eletrônica. O chassi anular 107' pode serretido no interior da seção 15 F' do comando de perfuraçãocom a contraporca 113, que atarraxada na seção de comando15 F'. Uma extensão elétrica 114 na conexão superior daferramenta LWD fornece uma conexão elétrica para umaferramenta MWD (não mostrada), que se comunica com a sondade perfuração através de telemetria eletromagnética outelemetria por pulsos de lama.Outra modalidade de uma ferramenta LWD 100",projetada para medir o potencial de escoamento, é mostradana fig. 34. Essa modalidade é similar, em muitos aspectos,à modalidade da fig. 33. Assim, para fins de simplicidadeda descrição, algarismos de referência são compartilhadospara os elementos em comum, e a descrição abaixo abordaapenas as diferenças entre elas. Na modalidade da fig. 34,o eletrodo de fundo El é concebido por uma camada isolanteexterna 103 - 4 e eletrodo 102 - 4 montado no exterior docomando de perfuração 16". 0 eletrodo 102 - 4 pode serconcebido como um anel metálico embutido na camada isolante103 - 4. Semelhante aos eletrodos externos montados acimado eletrodo inferior 102 -4, a camada isolante externa 103-4 e o eletrodo 102 - 4 podem ser montados de maneiranivelada com o exterior do comando de perfuração 16", ouligeiramente recuados para evitar danos. Cintas de desgastecom um diâmetro ligeiramente maior do que o comando deperfuração 16" podem ser também adicionadas, para evitardanos aos eletrodos. A camada isolante 103 -A isola oeletrodo El 102 - 4 do corpo do comando de perfuração 16".A extensão elétrica 110", o soquete elétrico 111" e aantepara 116 conectam o eletrodo 102-4 aos componenteseletrônicos de medição, que são alojados no chassi anular107'.

Com relação agora às figs. 35A e 35B, um eletrododas ferramentas aqui descritas, tal como o eletrodo E4 102- 3' das figs. 33 e 34, pode ser segmentado em diversoseletrodos separados, a fim de medir variações azimutais dopotencial de escoamento. As figs. 35A e 35B mostram quatroeletrodos (102 - 3A, 102 - 3B, 102 - 3C e 102 - 3D)distribuídos em torno da circunferência do comando deperfuração 15F. A vista de seção transversal da fig. 35A éperpendicular às vistas das figs. 33 e 34. A vista da fig.35B mostra somente o isolante 103 - 3 e três dos quatroeletrodos. Os quatro eletrodos são conectados aoscomponentes eletrônicos por anteparas e cabos (nãomostrados). Qualquer um dos quatro eletrodos (El, E2, E3 eE4) das ferramentas aqui descritas podem ser assimconfigurados.

Foram aqui descritas e ilustradas diversasmodalidades de aparelho e métodos para medir potenciais deescoamento e caracterizar aspectos da sua formaçãoterrestre. Embora modalidades específicas da invençãotenham sido descritas, não existe a intenção de que ainvenção seja por elas limitada, existindo a intenção que ainvenção seja de escopo mais amplo possível permitido pelatécnica, e que o relatório descritivo seja lido da mesmaforma. Assim, embora arranjos específicos de eletrodotenham sido divulgados, deverá ser apreciado quemodificações possam ser feitas, desde que o arranjo incluauma rede de eletrodos capazes de medir potenciais deescoamento. Assim, embora seja preferível montar oseletrodos e sensores de pressão na superfície das seções dacoluna de perfuração da composição de fundo, deverá serreconhecido que o eletrodo e o sensor de pressão podem sermontados na coluna de perfuração, fazendo parte de umcomando estabilizador ou de outro conjunto de comando.

Deverá ser apreciado que outras configurações podem sertambém usadas. Se o poço for perfurado, usando-seperfuração com revestimento, perfuração com colunaauxiliar, ou perfuração com tubo flexível, deve ficar claroque os mesmos princípios podem ser aplicados a estes outrosmétodos de perfuração. Os eletrodos, isolamento, junçãoisolante, e outros aspectos aqui descritos podem serimplementados na seção de revestimento, seções da colunaauxil iar, ou no tubo flexível. Assim, deverá ser apreciadopelas pessoas versadas na técnica que outras modificaçõesainda podem ser feitas na invenção apresentada, sem seafastar de seu espírito e escopo, conforme reivindicado.

Claims (23)

1. APARELHO PARA INVESTIGAR UMA FORMAÇÃO TERRESTREATRAVESSADA POR UM FURO DE POÇO, CARACTERIZADO pelo fato decompreender:a) coluna de perfuração terminada por uma brocade perfuração; eb) pluralidade de eletrodos, que são adaptadospara medir sinais de voltagem do potencial de escoamento,onde pelo menos um da dita pluralidade de eletrodos édefinido pela dita broca de perfuração.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de:dita coluna de perfuração possuir uma porçãoterminal incluindo uma seção do comando de perfuração e umajunção isolante disposta entre a dita seção do comando deperfuração e da dita broca de perfuração, de modo que adita seção do comando de perfuração seja eletricamenteisolada da dita broca de perfuração.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2,CARACTERIZADO pelo fato de ainda compreender:comando de perfuração, que conecta a dita junçãoisolante na dita broca de perfuração, e do dito pelo menosum eletrodo da dita pluralidade de eletrodos ser um corpometálico definido pela dita broca de perfuração e pelo ditocomando de perfuração, coletivamente.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2,CARACTERIZADO pelo fato de:dita pluralidade de eletrodos ainda compreenderum eletrodo, que é montado sobre a dita junção isolante.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2,CARACTERIZADO pelo fato de:dita pluralidade de eletrodos ainda compreenderum eletrodo, que é montado sobre a dita seção do comando deperfuração, acima da junção isolante.

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2,CARACTERIZADO pelo fato de:dita pluralidade de eletrodos compreender umeletrodo de referência, formado pela dita seção do comandode perfuração.

7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de ainda compreender:pelo menos um dentre primeiro circuito, queextrai um componente CC de um determinado sinal de voltagemdo potencial de escoamento, e segundo circuito, que extraium componente CA de um determinado sinal de voltagem dopotencial de escoamento.

8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 7,CARACTERIZADO pelo fato de ainda compreender:processador de dados, que extrai pelo menos umproduto de resposta pertinente à operações de perfuração,utilizando pelo menos um dentre o dito componente CC e odito componente CA.

9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8,CARACTERIZADO pelo fato de:dito pelo menos um produto de resposta forneceruma indicação das condições de perfuração sub-balanceadas.

10. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8,CARACTERIZADO pelo fato de:dito pelo menos um produto de respostacaracterizar permeabilidade da formação terrestre.

11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8,CARACTERIZADO pelo fato de:dito pelo menos um produto de resposta incluir umprimeiro produto de resposta, que caracterizapermeabilidade radial da formação, e um segundo produto deresposta, que caracteriza permeabilidade vertical daformação.

12. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8,CARACTERIZADO pelo fato de:dito pelo menos ura produto de resposta forneceruma indicação de uma fratura aberta na formação terrestre.

13. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8,CARACTERIZADO pelo fato de:dito pelo menos um produto de resposta forneceruma indicação de pressões anormais na formação.

14. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de ainda compreender:transdutor de pressão para medir pressão no fundodo poço.

15. Aparelho, de acordo com a reivindicação 14,CARACTERIZADO pelo fato de ainda compreender:circuito que extrai um componente em fase e umcomponente fora de fase de um determinado sinal de voltagemdo potencial de escoamento por detecção síncrona de umcomponente CA do dado sinal do potencial de escoamento, comum componente CA da pressão no fundo do poço medida pelodito transdutor de pressão.

16. Aparelho, de acordo com a reivindicação 15,CARACTERIZADO pelo fato de ainda compreender:processador de dados, que extrai pelo menos umproduto de resposta pertinente à operações de perfuração,utilizando o dito componente em fase e o dito componentefora de fase.

17. Aparelho, de acordo com a reivindicação 16,CARACTERIZADO pelo fato de:dito pelo menos um produto de resposta forneceruma indicação das condições de perfuração sub-balanceadas.

18. Aparelho, de acordo com a reivindicação 16,CARACTERIZADO pelo fato de:dito pelo menos um produto de respostacaracterizar permeabilidade da formação terrestre.

19. Aparelho, de acordo com a reivindicação 16,CARACTERIZADO pelo fato de:dito pelo menos um produto de resposta incluir umprimeiro produto de resposta, que caracterizapermeabilidade radial da formação, e um segundo produto deresposta, que caracteriza permeabilidade vertical daformação.

20. Aparelho, de acordo com a reivindicação 16,CARACTERIZADO pelo fato de:dito pelo menos um produto de resposta forneceruma indicação de uma fratura aberta na formação terrestre.

21. Aparelho, de acordo com a reivindicação 16,CARACTERIZADO pelo fato de:dito pelo menos um produto de resposta forneceruma indicação de pressões anormais na formação.

22. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2,CARACTERIZADO pelo fato de:pelo menos um eletrodo, que é disposto, de modooperativo, abaixo da dita junção isolante, ser isolado dabroca de perfuração.

23. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de:pelo menos uma porção da dita pluralidade deeletrodos ser distribuída em grupos em torno dacircunferência do aparelho.