[pt] Os problemas na perfuração associados à instabilidade do poço são geralmente agravados quando camadas de folhelho são atravessadas, as quais constituem uma alta porcentagem do total das rochas perfuradas no mundo. O folhelho, quando submetido às tensões in situ, pode atuar como uma membrana semipermeável à passagem de íons através do seus poros. Este comportamento e o desenvolvimento de pressões osmóticas ao redor do poço, desempenham um papel fundamental no balanço das forças que instabilizam a rocha. Neste trabalho, um modelo computacional baseado na teoria da poroelastoplasticidade com formulação numérica pelo método dos elementos finitos, é utilizado para avaliar a influência da interação rocha-fluido na estabilidade de poços perfurados através de folhelho. Simulações efetuadas para diferentes cenários esclarecem a maneira como o modelo acopla e trata os mecanismos de transporte envolvidos (difusão hidráulica, osmose química, difusão iônica, advecção). Resultados mostram a pressão de poros e a resistência da rocha adversamente afetadas à medida que o folhelho fica exposto ao fluido de perfuração. É discutida a instabilidade do poço segundo os dados obtidos da variação da pressão de poros, tensões efetivas, área plastificada e deslocamento radial do poço. / [en] Drilling problems associated with wellbore instability are aggravated when shale beddings are drilled, which constitute a high percentage of drilled rocks in the world. Shale in contact with water base mud (WBM), when submitted to the in situ stresses, could have a semipermeable membrane system behavior. This behavior and the osmotic pressure developed around the wellbore have a fundamental role in the force equilibrium that makes the formation unstable. On this document, a computer model based in the poroelastoplasticity with numerical formulation based on finite element code is applied to estimate the influence of rock-drilling fluid interaction on the stability of borehole drilled through shale. Modeling conditions explains how the model couples and deals with driving forces involved (hydraulic diffusion, chemical osmosis, chemical diffusion, advection). Unfavorable consequences about the pore-pressure and rock strength are showed with the time rock exposure. Wellbore instability is discussed according to pore-pressure, effective stress, plastic zone and radial displacement results obtained in this document.

[pt] A maioria dos problemas de instabilidade ocorre quando rochas argilosas como folhelhos são perfuradas e o fluido de perfuração interage com a rocha. A interação rocha- fluido é materializada através da troca de íons e moléculas de água entre o fluido de perfuração e a rocha, gerando como conseqüências à variação nas poropressões dentro do folhelho e a alteração na estrutura dos minerais. O presente trabalho tem como objetivo o estudo das mudanças nas propriedades físico-químicas de amostras de folhelhos quando imersas em água e em sais orgânicos e inorgânicos. Um equipamento de imersão foi desenvolvido no qual amostras de folhelho são postas em contato com fluidos. Os resultados eletroquímicos indicam que a imersão dos folhelhos em soluções salinas reduz, quando comparada com a água, as alterações nas propriedades mecânicas, químicas e eletroquímicas dos fluidos. Os resultados mostram também que os folhelhos de origem offshore são mais reativos que os folhelhos originados de plataforma terrestres, devido às propriedades de seus constituintes individuais e de sua microestrutura. Quando imersos, os cloretos e os formiatos reduzem a hidratação das amostras, as mudanças no pH, as alterações nas atividades químicas dos folhelhos e dos fluidos dos poros, na capacidade de troca catiônica, na composição química da matriz da rocha e fluido dos poros, além de diminuir a desintegração superficial das amostras. A microscopia ótica, eletrônica e a espectrometria de dispersão de energia indicam a deposição dos sais nas superfícies das amostras. / [en] Most of borehole instability problems occur when argillaceous rocks such as shales are drilled and the drilling fluid interacts with the rock. The rock-fluid interaction is materialized through the exchange of ions and water molecules between the drilling fluid and the rock, generating pore pressure variation inside the shale and changes in minerals structure. The present work has the objective of studying the changes in the physicochemical properties of shale samples when immersed in the water, inorganic and organic salts. Immersion equipment was developed in which shale samples are put in contact with fluid. The results show that immersion of shale samples in salt solutions reduce, when compared with de-ionized water, the changes in mechanics, chemical and electrochemical of solutions. The results also show that the shales from offshore platform are more reactive than terrestrial basin, in function of shale s individual constituents and microstructure. When immersed, the chlorides and formates reduce the rock water content, the changes in the rock pH, water activity of shale and interstitial water, in the cation exchange capacity, in the chemical composition of rock and interstitial water e reduce the shale s loss of mass. The results indicate that the ions presents in the rock and the fluids flow in the direction of decreasing solute concentration gradient. This result in the alteration the exchangeable bases of shales and the specific surface of clays minerals. The electronic and optic microscopy and energy dispersion spectrometry indicated a deposition of salts in the surface of samples.

[pt] A perfuração de poços de petróleo através de folhelhos, que se constituem na maioria das rochas da coluna estratigráfica, pode apresentar problemas de instabilidade devido às interações fisico-químicas entre os fluidos de perfuração e estas rochas. Os custos associados à solução destes problemas são muito altos e dependendo da intensidade destes problemas, poços podem ser perdidos. Nesta tese, um novo equipamento, capaz de reaplicar parte das tensões que estão atuando na amostra de rocha, foi desenvolvido. Uma metodologia de testes para avaliar os mecanismos de interação rocha-fluido e para determinar os parâmetros de transporte de massa, necessários para análises de estabilidade de poços, é proposta. Especificamente, parâmetros que descrevem o transporte de água e íons devido a gradientes hidráulicos e químicos são determinados. O conhecimento destes parâmetros contribui para compreender a eficiência do fluido de perfuração no controle de instabilidades durante a perfuração. Testes realizados em dois folhelhos de plataformas offshore usando diferentes fluidos demonstraram a eficiência do equipamento e da metodologia de testes. Os parâmetros de transporte obtidos são consistentes com valores obtidos em outros trabalhos. / [en] The drilling of oil wells through shales, which constitute the majority of rocks in the stratigraphic column, may present instability problems due to physico-chemicals interactions between the drilling fluids and these rocks. The costs associated to the solution of these problems are very high and, depending upon the intensity of these problems, wells can be lost. In this thesis, a new equipment was developed which is capable of reapplying part of the stresses that were acting upon the rock sample. A testing methodology to evaluate rock-fluid interaction mechanisms and to determine the mass transport parameters, needed for wellbore stability analyses, is proposed. Specifically, parameters that describe the transport of water and ions due to hydraulic and chemicals gradients are determined. The knowledge about these parameters is instrumental to understand the efficiency of the drilling fluid in controlling instabilities during drilling. Tests carried out in two shales from offshore platforms using different fluids demonstrated the efficiency of equipment and of the testing methodology. The transport parameters obtained are consistent with values obtained elsewhere.

[pt] Este trabalho desenvolve uma metodologia para obter experimentalmente a pressão capilar de diferentes fluidos em contato com folhelhos, comparando-a com valores obtidos analiticamente a partir da caracterização dos fluidos e dos folhelhos individualmente. Foram realizados ensaios numa célula de difusão a qual permite simular as condições de pressão aplicadas no campo, avaliar a interação físico- química entre fluidos e rochas, além de determinar os parâmetros de transporte de massa devido a gradientes químicos e hidráulicos. Verifica-se que os valores de pressão capilar obtidos diretamente na célula de difusão são inferiores aos obtidos a partir da equação de pressão capilar utilizando a tensão interfacial, o ângulo de contato e o raio de poros do folhelho. Desta forma, conclui-se que caso seja realizada uma análise de estabilidade considerando a pressão capilar do fluido, este parâmetro deve ser determinado experimentalmente na célula de difusão. Caso contrário, valores superestimados poderão ser encontrados. / [en] A methodology was developed to experimentally obtain the capillary pressure of different fluids in contact with shales and compare these values with analytical results from individual characterization of fluids and shales. Tests were carried out in a diffusion cell, which allows the simulation of in-situ pressure conditions, the evaluation of physical-chemical interactions between fluids and rocks and the determination of mass transport parameters due to hydraulic and chemical gradients. It is observed that the values of capillary pressure directly obtained in the diffusion cell are inferior to the ones obtained from the capillary pressure equation using the interfacial tension, the contact angle and the pore radius of shales. Thus, it can be concluded that, if a stability analysis considering the capillary pressure of the fluid is carried out, this parameter should be experimentally determined in the diffusion cell. Otherwise, overestimated values can be found.

[pt] A grande maioria dos problemas de estabilidade de poços de petróleo ocorre em trechos de folhelhos, rochas nas quais, uma especificação eficiente da pressão do fluido de perfuração requer previamente uma especificação correta da concentração salina e da temperatura. Todavia, para um dimensionamento adequado das características do fluido de perfuração necessárias à estabilidade do poço, é necessário o uso de modelos matemáticos que considerem um acoplamento adequado entre efeitos poroelásticos, químicos e térmicos. Entretanto, a complexidade matemática das equações de modelos acoplados normalmente leva à adoção de soluções numéricas, que consomem um tempo computacional muito grande e, por isso, esses modelos não são atrativos à aplicação na análise da estabilidade de poços. Este trabalho apresenta um modelo acoplado termo-químico-poroelástico representado por duas soluções, uma numérica, que utiliza o método dos elementos finitos, e outra analítica, baseada no método das transformadas de Laplace. Ao comparar ambas as soluções é demonstrado que a solução analítica consegue representar tão bem quanto à solução numérica os principais processos acoplados presentes durante a perfuração de folhelhos e que influenciam na sua estabilidade e, por esta razão, pode ser utilizada na análise de estabilidade de poços em folhelhos. Através de um estudo de caso, é verificado que um controle eficiente da estabilidade do poço é obtido especificando a pressão do fluido de perfuração em função da sua temperatura e concentração salina. Estes resultados também indicam as razões de alguns problemas não previstos por modelos desacoplados, e que quase sempre ocorrem durante a perfuração em folhelhos. / [en] Wellbore stability problems are most common when drilling through shales. In order to avoid such problems in this kind of rocks the solute concentration and temperature must be properly defined in the drilling fluid composition, which requires considering poroelastic, thermal and chemical effects in a coupled way. The equations complexity of coupled models usually results in numerical solutions that are very time consuming, thus, unattractive for stability analysis. In an opposite way, it is very difficult to develop closed- form solutions for coupled models. This work presents a thermochemoporoelastic model represented by a numerical solution based upon the finite element method and an analytical solution based upon the Laplace transform method. A comparison between the results of the numerical solution and analytical solution shows that the later can reproduce the coupled processes involved in the wellbore stability problem in shales as well as the former, and for this reason the closed-form solution can be applied as a practical tool in wellbore stability analysis. The analysis of a typical wellbore drilled through shales showed that an efficient control of wellbore stability can be obtained through an adequate specification of the drilling fluid pressure when taking in account its solute concentration and temperature. The model was also able to explain some problems not predicted by uncoupled models, but almost always seen while drilling through shales.