eitAZlUAN «TIKX£UM A*> GAS INSTITUTE IBP02004 OPERATORS DE FRATURAMENTO HIDRAULICO NO CAMPO RIO OIL & GAS DE PILAR, Edson da C. Payao1, Luiz A. Q. M. Gomes 2, Josue de S. Araujo3

EXPO AND CONFERENCE

Copyright 2004, Institute Brasileiro de Petroleo e Gas - IBP Este Trabalho Tecnico foi preparado para apresentado na Rio Oil & Gas Expo and Conference 2004, realizada no periodo de 4 a 7 de outubro de 2004, no . Este Trabalho Tecnico foi selecionado para apresenta^ao pela Comissao Tecnica do Evento, seguindo as infbrma^bes contidas na sinopse submetida pelo(s) autor(es). O conteudo do Trabalho Tecnico, como apresentado, nao foi revisado pelo IBP. Os organizadores nao irao traduzir ou corrigir os textos recebidos. O material conforme, apresentado, nao necessariamente reflete as opinioes do Institute Brasileiro de Petroleo e Gas, Socios e Representantes. E de conhecimento e aprovag&o do(s) autor(es) que este Trabalho Tecnico seja publicado nos Anais da Rio Oil & Gas Expo and Conference 2004.

Resumo

A crescente demanda por gas natural para abastecimento de industrias na regiao Nordeste do Brasil e incentivo para a campanha de conversao dos pocos produtores de oleo da fonnacao com vazoes marginais no campo terrestre de Pilar, Estado de Alagoas, em pocos produtores do gas encontrado na fonnacao , com ate 3500 metros de profundidade. Um dos passes para aumento da producao de gas natural neste campo foi a rcalizacao de opcracocs de fraturamento hidraulico na fonnacao Penedo, com caracteristicas operacionais distintas daquelas executadas visando a producao de oleo na fonnacao Coqueiro Seco, menos profunda. Este trabalho descreve a estrategia de complctacao destes pocos convertidos em produtores de gas, com enfase nos problemas encontrados e superados durante as opcracocs de fraturamento liidraulico. Nos pocos com trajetoria inclinada atraves do profundo reservatorio Penedo, o efeito de multiplas fraturas com influencia de tortuosidade, foi superado atraves de tecnicas corretivas, por se tratarem de pocos ja existentes. Em tratamentos pioneiros de fraturamento liidraulico realizados no campo de Pilar, a ocorrencia de screen-outs prematures foi uma constante, desestimulando a aplicagao da tecnica. A necessidade de produzir gas levou a novas ideias, cuja implcmcntacao trouxe resultados acima dos esperados.

Abstract

The growing demand of natural gas by the industries in the Northeast of is the main drive for the conversion campaign witnessed in the oil wells producing at marginal rates from the Coqueiro Seco formation in the Pilar field. State of Alagoas, to gas wells producing from the deep Penedo reservoir, with total depths in the vicinity of 3500 meters. One of the important steps for increasing natural gas production in the Pilar field is the hydraulic fracturing operations in the Penedo formation. The process of creating these fractures show a distinct behavior from the treatments performed in the shallow Coqueiro Seco formation, aiming at improved oil productivity. Tins paper describes the completion strategy for the wells converted from oil to gas producers, highlighting the problems faced and overcome during the hydraulic fracture treatments. In deviated wells crossing the deep Penedo reservoir, the risk of multiple fractures and influence of tortuosity have been diminished through corrective techniques, unique for each one of the existing wells. In the early hydraulic fracture treatments performed in the Pilar field, premature screen-outs were commonplace, disencouraging the use of the technique. The need to produce gas brought new ideas to the battlefield, and their implementation led to results beyond expectations.

1. Introduce

Os investimentos em producao de gas natural em Alagoas objetivam atender ao crescimento verificado de sen consume; estima-se que as vendas de gas natural no Nordeste do Brasil passarao dos atuais 6 milhoes de metros cubicos por mes para cerca de 20 milhoes em 2006, levando-se em conta o abastecimento das usinas tenneletricas na regiao. Atualmente, a demanda reprimida em todo o Pais e de cerca de 4 milhoes de metros cubicos diaries.

1 Engenheiro de Petroleo - PETROBRAS 2 Gerente de Desenvolvimento de Negocios - Schlumberger 3 Especialista em Operagoes de Fraturamento Hidraulico - Schlumberger Rio Oil & Gas Expo and Conference 2004

A inauguragao de uma unidade de processamento de gas natural (UPON) em Alagoas visou o initio do processo de intcriorizacao do gas natural no Estado de Alagoas. Antes de sua entrada em opcracao. parte do gas produzido nos campos do Estado era transferido e processado em Sergipe, para retomo a Alagoas em forma de gas liquefeito de petroleo (GLP). A nova unidade possui capacidade para processar ate dois milhoes de metros cubicos de gas natural diariamente, que resultara em 160 toneladas de GLP. Esse volume e suficiente para abastecer Maceio e os municipios vizinhos. Serao produzidos ainda 28 mil litres de gasolina natural, e 1,8 milhao de metros cubicos de gas industrial, destinado a postos de abastecimento de veiculos, comercio e residences de Maceio, bem como ao escoamento de parte de sua producao atraves do gasoduto Pilar (AL) - Cabo (PE) com diametro de 10" e uma extensao de 194 km. Para abastecer a unidade de processamento de gas natural em Alagoas, houve um investimento em tecnicas que possibilitassem a producao economica do gas encontrado na formacao Penedo do Campo de Pilar, dentre as quais a campanlia de fraturamento liidraulico apresenta papel de destaque. Os pocos antigos do Campo de Pilar, com intervalos abertos a producao de oleo e posterionnente isolados acima do objetivo na profunda formacao Penedo, representam desafios as tecnicas convencionais de fraturamento liidraulico. O objetivo deste trabalho e descrever os avangos tecnologicos cuja implcmcutacao conduziu ao sucesso dos projetos de desenvolvimento dos intervalos produtores de gas da formacao Penedo no Campo de Pilar, atraves de opcracocs de fraturamento liidraulico com resultados bastante diversos dos observados nas tentativas pioneiras.

2. Campo de Pilar, Alagoas

Tradicional cidade do interior alagoano. Pilar tern importance na Historia politica, economica e social do Estado. Sua historia remonta ao seculo XIII, atraves de um engenlio localizado onde depois surgiu o povoado, vila e cidade do Pilar. A origem de sen nome deve-se a descoberta de uma imagem de Nossa Senliora colocada num pilar proximo as margens da Lagoa Manguaba. A cidade passou entao a chamar-se Nossa Senliora do Pilar, que continua sendo a padroeira da cidade e cuja imagem esta exposta no altar-mor da Igreja Matriz. A Figura 1 indica a local ixacao da cidade de Pilar dentro do Estado de Alagoas.

Figura 1. Localizagao da cidade de Pilar

O Campo de Pilar, localizado proximo a cidade de Pilar na bacia de Sergipe-Alagoas, tern como principal caracteristica intensa compartimentagao dos reservatorios, produto da sedimentagao deltaica, que resultou em reservatorios intercalados, e pela tectonica do rift, produzindo uma grande quantidade de blocos falhados (Borba et al., 2002).

2 Rio Oil & Gas Expo and Conference 2004

A Figura 2 a seguir indica a local izacao do Campo de Pilar.

O ACUMULACOES DE HDROCAP

PILAR

SALS-39

Figura 2. Localizagao do Campo de Pilar

Os reservatorios do campo de Pilar estao distribuidos nas formacocs Coqueiro Seco (principalmente oleo), entre 500 e 2500 metros de profundidade, Penedo (principalmente gas), entre 2000 e 4000 metros, e Barra de Itiuba, entre 4000 e 4500 metros. A formacao Coqueiro Seco e caracterizada por intcrcalacocs de arenitos com folhelhos, depositados em ambiente deltaico, com excelente conelagao ao longo do campo. Os reservatorios atingem espessuras individuals de ate 50 metros. Podem-se distinguir seis ciclos de scdimcntacao. cada qual culminando com folhelhos transgressivos no topo. No geral, ha uma tendencia de diminuicao da relagao arenito/folhelho em cada ciclo e nos ciclos como urn todo. A formacao Penedo e uma sucessao predominantemente arenosa, de origem fluvial e eolica, contendo algumas intcrcalacocs de folhelho que servem de capeadores para as acumulacocs de gas. A maior parte do gas esta contida em reservatorios profundos, a cerca de 3000 metros de profundidade. A existencia de gas na formacao Barra de Itiuba, no campo de Pilar, e uma descoberta recente (2004), com urn poco em producao atualmente.

3. Historico

As trajetorias inclinadas dos pocos do Campo de Pilar atraves da formacao Penedo promovem a gcracao de multiplas fraturas, cujas larguras sao insuficientes para a criacao das geometrias requeridas para os pacotes de agente de sustentagao. A existencia de elevado grau de tortuosidade proximo as perfuragbes com desvio em relagao a diregao preferencial de fratura e responsavel por elevadas perdas de carga, fenomeno ja observado em bombeio de testes de calibragao que precedem os tratamentos principals. Quando a fratura e iniciada nestas condigoes, a largura liidraulica e reduzida em relagao a uma fratura em condigoes ideals, favorecendo a ocorrencia de screen-outs prematures. Brumley e Abass (1996) observaram que a criagao de geometrias nao-planares complexas de fraturas depende da orientagao do pogo em relagao as diregoes das tensoes principals. Multiplas fraturas podem ocorrer em intervales com mais de 20° em relagao ao piano preferencial de fratura. Modelando-se uma fratura liidraulica com origem em urn intervale inclinado como uma fissura em mu meio infinite, sua pressao de propagagao esta relacionada ao comprimento da fratura de forma semelhante a uma fissura iniciada em mna regiao com elevada pressao de fechamento

= ^ + (1)

Como esperado, confonne a fratura cresce sua pressao de propagacao se aproxima do valor observado quando nao ha a regiao de alta pressao

3.1. P090 A Estes tratamentos foram realizados em Novembro de 2002, no inicio da campanlia de fraturamento hidraulico no Campo de Pilar. A Figura 3 abaixo mostra a primeira tentativa de bombeio de uma opcracao de quebra-previa (skin bypass frac) em que ocorre o screen-out tao logo a pasta com conccntracao de 3.0 ppa chega a formacao. O agente de sustcntacao empregado foi bauxita com granulometria 12/20. O intervale canhoneado tern extensao de 18 metros.

Tempo (min)

Figura 3. Screen-out premature em opcracao de quebra-previa, primeira tentativa

A segunda tentativa de quebra-previa no mesmo intervale levou a resultados semelhantes, confonne se pode ver na Figura 4. A analise destes dels insucessos levou a constatacao da importancia dos fenomenos de vizinhanca do poco neste tipo de opcracao. indicados desde o inicio pelo crescimento anonnal da pressao de tratamento quando da chegada do gel de fraturamento a formacao (200+ psi), seja per efeito de tortuosidade ou de pcrfuracocs parcialmente abertas ao fluxo. Melhorias propostas para opcracocs futuras sao o aumento no volume de colcliao, maior vazao de tratamento, e mna rampa de conccntracao de agente de sustcntacao mais suave, com incrementos de 0.5 ppa, partindo de uma concentragao inicial de 0.5 ppa. O recanhoneio das zonas de interesse tambem deve ser considerado, atentando-se para o fato de que o diametro de entrada das pcrfuracocs deve acomodar o fluxo de agente de sustcntacao de granulometria grossa (12/20) sem risco de formacao de pontes que levariam ao screen-out prematura. O poco em questao e vertical, situacocs mais

4 Rio Oil & Gas Expo and Conference 2004 complexas poderiam ser esperadas dos pogos desviados existentes no Campo de Pilar. O intervalo estimulado nao apresentou melhorias em sua produtividade.

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„ 5000

Tempo (min)

Figura 4. Screen-out prematura em operagao de quebra-previa, segunda tentativa

3.2. Pogo B Situacao semelhante a do poco A foi experimentada no poco B, que se encontrava abandonado devido a baixa produtividade, e que se manteve da mesma forma apos a tentativa de se bombear o teste de calibracao. O tratamento principal foi abortado devido a elevada pressao de tratamento, proxima ao limite operacional dos equipamentos de superficie, testados a 15000 psi e com pressao maxima de trabalho de 10000 psi. A Figura 5 abaixo condensa duas tentativas isoladas de realizar o teste de calibracao neste poco. sendo uma de 0 a 13 minutos, em que foram injetados 1500 galoes de fluido, e outra a partir de 13 minutos no grafico abaixo, em que foram colocados 3000 galoes de fluido na formacao. Estes eventos ocorreram em Dezembro de 2002.

Tempo (min)

Figura 5. Teste de calibracao com elevada pressao de tratamento

4. Melhorias Implementadas

A campanha de fraturamento para a producao economica do gas existente na formacao Penedo do Campo de Pilar tern como um de sens balizadores a necessidade de se evitar screen-outs prematures, que acarretem fraturas com geometria inadequada e baixa conccntracao de agente de sustcntacao. Novas gcracocs de equipamentos de mistura e bombeio, modemos instmmentos de monitoramento e mcdicao associados a softwares sustentados por capacidade computacional sempre crescente e a necessidade de se obter sucesso em um ambiente hostil foram os sustentaculos da aplicagao de novos concedes em fraturamento hidraulico no Campo de Pilar. A Figura 6 mostra um blender, usado para medir e controlar a adigao de agente de sustentagao ao fluido de fraturamento, e uma cabine de monitoramento, que possibilita nao apenas o controle remote dos equipamentos de 5 Rio Oil & Gas Expo and Conference 2004 mistura e bombeio, mas tambem o registro e processamento dos principals parametros operacionais e o envio de dados e infonnacao em tempo real a outras cstacocs de trabalho.

Figura 6. Blender de fraturamento e cabine de controle

O uso de fluidos de rcticulacao retardada com elevada viscosidade e bombeados a alias vazoes faz parte da estrategia para minimizar os efeitos da tortuosidade. Estudos conduzidos por Beugelsdijk et al. (2000) indicam que aumento de vazao e viscosidade tambem reduzem os efeitos das descontinuidades encontradas nos reservatorios no crescimento da fratura.

4.1. P090 C Em 23 de Dezembro de 2003, tentou-se a cxccucao de um frac-pack, sem exito, no intervalo de 2655 a 2657 metros de profundidade da formacao Penedo. A Figura 7 abaixo mostra a tentativa de bombeio do teste de calibracao. abortado em virtude da elevada pressao de tratamento (7400 psi) apesar da baixa vazao (8.4 BPM).

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Tempo (min)

Figura 7. Teste de calibracao com elevada pressao de tratamento

Decidiu-se pela retirada da composicao de gravel pack e o intervalo foi recanhoneado de 2651,0 a 2664,0 metros. Em uma tentativa de reduzir a pressao de tratamento, no dia 30 de Dezembro de 2003 foram bombeados dois slugs de agente de sustcntacao. confonne se pode ver na Figura 8. A injccao dos estagios seguidos de paradas para fechamento da fratura criada redistribui a pressao dos fluidos na fratura, suavizando o perfil de pressoes. Quando as pressoes iniciais sao elevadas, este procedimento pode tomar possivel a cxccucao do tratamento, reduzindo as pressoes de tratamento a niveis aceitaveis. A adigao de agente de sustcntacao a estes estagios tern como efeitos a erosao das pcrfuracocs abertas no revestimento, bem como suavizar a angulosidade da tortuosidade da fratura recem-criada, alem de induzir o screen-out prematmo de fraturas secundarias, deixando menos opcocs de crescimento para a fratura durante o tratamento principal - em condicocs ideals, em apenas um piano. A intcrprctacao dos dados de pressao obtidos atraves de testes de calibracao deve levar em conta o mecanismo dominante na vixinhanca do poco. incorporando experiencias anteriores na analise. O step-down test e conclusivo no diagnostico do comportamento na vizinhanca do poco. porem nao e util para a analise de declinio de pressao visando a obtcncao de parametros de fratura e dctcrminacao da eficiencia do fluido. Romero et al. (1995) estabeleceram as bases 6 Rio Oil & Gas Expo and Conference 2004 teoricas para esta tecnica. A Figura 9 ilustra esta tecnica, aplicada no poco em questao. O tratamento principal foi injetado de acordo com o desenho apos a analise do teste de calibracao. confonne se pode visualizar na Figura 10.

Tempo (min)

Figura 8. Bombeio de slugs de agente de sustentagao

~ 6000

Tempo (min)

Figura 9. Teste de calibragao com step-down

S 5000

8 4000

Tempo (min)

Figura 10. Tratamento principal bombeado confonne plane)ado

7 Rio Oil & Gas Expo and Conference 2004

5. Conclusoes

As melhorias implementadas levaram ao alto indice de sucesso na execugao dos tratamentos de fraturamento hidraulico na Formagao Penedo do Campo de Pilar, com varios casos semelhantes ao pogo C apresentado. O ganho em produgao acumulada de gas no pogo C apos o tratamento e da ordem de 10 milhoes de metros cubicos apos seis meses de seu retorno a produgao. Os bons resultados permitiram maior ousadia na busca de gas em horizontes mais profundos e em reservatorios anteriormente considerados marginais devido a baixa permeabilidade, possibilitando confirmar novas reservas e agregar maior recuperagao de condensado.

6. Recomendagoes

Abordagem cientifica do problema, abandonando conceitos antigos, e possibilitando uma analise mais adequada dos problemas encontrados e da metodologia de busca de solugoes para supera-los. Teste de injetividade a alta vazao, favorecendo o inicio de fratura menos tortuoso e confirmando as condigoes dos equipamentos de superficie e de pogo nas condigoes da operagao a ser realizada, minimizando as possibilidades de falhas e de acidentes. Analise dos testes de calibragao incorporando os fenomenos de vizinhanga de pogo, minimizando os efeitos de uma pequena abertura de fratura proxima as perfuragoes. Sistema de fluidos retardados, com baixa pressao de fricgao na coluna enquanto apresentando alta viscosidade na formagao. Utilizagao de equipamentos de ultima geragao de mistura, bombeio, monitoramento e controle, que permitam a execugao das operagoes conforme desenho obtido com a utilizagao de simuladores computacionais em plataformas de elevada capacidade de processamento para adequagao do tratamento proposto as condigoes da formagao. Bombeio de slugs de agente de sustentagao objetivando a erosao dos orificios de entrada e o adogamento da tortuosidade da fratura proxima as perfuragoes, dificultando a propagagao de fraturas secundarias. Canhoneio adequado para realizagao de operagoes de fraturamento hidraulico, evitando perda de carga excessiva atraves das perfuragoes e minimizando o efeito de multiplas fraturas. Programa suave de adigao de agente de sustentagao (0.5 em 0.5 ppa) partindo-se de baixas concentragoes que contribuem para uma maior erosao das aberturas proximas ao pogo, reduzindo a possibilidade de screen-outs prematuros. Avaliagao e validagao das tecnicas usadas apos cada trabalho, visando a melhoria continua do processo.

7. Agradecimentos

Os autores agradecem a PETROBRAS e a Schlumberger pelo apoio na elaboragao deste trabalho, bem como aos seguintes colegas, em ordem alfabetica: Agostinho J. P. da Silveira, Alberio Valenga, Antonio F. dos Santos, Cleber G. Bezerra, Ebano Melo, Erinaldo Curvelo, Enio da Penha, J. Carlos Gomes, Jose Echeveste, Emanoel F. Fernandes, Murilo Calado, Roberto C. de Santa Rita, Rosalba Ulate, Samuel Guimaraes Santos e Wellington G. Santana.

8. Referencias

DEEG, W. F. J., BRUMLEY, J. L., ABASS, H. H. Hydraulic fracturing of deviated wells: an investigation of pressure trends in fracture propagation during two stages of injection. In: Western Regional Meeting, Society of Petroleum Engineers, Long Beach 1997 BORBA, C., TAKEGUMA, M. S., SOUZA FILHO, E. J., Revitalizagao do campo de Pilar utilizando pogos direcionais seguindo trends estruturais de acumulagoes - uma experiencia bem sucedida. In: Seminario de Reservatorios PETROBRAS, Angra dos Reis 2002 VAN DE KETTERIJ, R. G., DE PATER, C. J., Experimental study on the impact of perforations on hydraulic fracture tortuosity. In: European Formation Damage Conference, The Hague, The Netherlands - Society of Petroleum Engineers, 1997

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