Decifrare gli Strati di Ghiaia: Compattazione e Fattori Geologici nel Sottosuolo del Kuqa

Ciao a tutti! Oggi vi porto con me in un’avventura nel sottosuolo, in un posto affascinante e cruciale per le nostre risorse energetiche: la Depressione di Kuqa nel Bacino di Tarim. Qui, la Formazione Cretacica è il campo di battaglia principale per aumentare le riserve di gas naturale, ma c’è un “piccolo” ostacolo: strati di ghiaia estremamente spessi e sepolti a profondità non eccessive. Pensate che in alcuni punti superano i 5000 metri di spessore!

La Sfida: Perforare la Ghiaia Spessa

Perforare questi strati è un vero incubo per gli ingegneri. Immaginate di dover trapanare chilometri di sassi compattati! Nel pozzo A, ad esempio, hanno affrontato uno strato di ghiaia di 5830 metri. La velocità media di avanzamento? Un misero 0,68 metri all’ora. Hanno dovuto usare ben 94 punte di perforazione, ognuna delle quali riusciva a scavare in media solo 65 metri. Nel pozzo B, la situazione non era migliore: 57 perdite di circolazione, 27 blocchi e 4 interruzioni forzate. Capite bene che questi problemi rallentano enormemente l’esplorazione e la valutazione delle riserve.

Il problema principale è la compattazione. Questo processo, che include sia la compressione meccanica (i granelli che si schiacciano l’uno contro l’altro) sia la dissoluzione per pressione (minerali che si sciolgono nei punti di contatto), cambia le proprietà della roccia, soprattutto la sua porosità. Nelle fasi iniziali di seppellimento, la compattazione meccanica è dominante, specialmente in questi strati di ghiaia.

Finora, si dividevano questi strati in sezioni non diagenizzate, quasi diagenizzate e diagenizzate, basandosi su dati di logging (misure fatte nei pozzi), grado di cementazione e curve di perforazione. Si sapeva che più si scende in profondità, più la ghiaia è compatta. Ma mancava uno standard preciso per classificare *quanto* è compatta. Senza questo, è difficile prevedere le condizioni di perforazione e scegliere le tecnologie migliori.

Il Nostro Approccio Innovativo: Il Clustering Quadratico

Qui entriamo in gioco noi! La sfida era grande: come classificare la compattazione senza avere campioni di roccia (carote), che in quest’area sono rarissimi perché non è l’obiettivo primario dell’esplorazione? E come verificare se la nostra classificazione è accurata? E, soprattutto, come usare questa classificazione per aiutare concretamente la perforazione?

Abbiamo pensato di sfruttare al massimo i dati che avevamo: i dati di logging. Utilizzando un algoritmo di apprendimento automatico chiamato K-means clustering, abbiamo sviluppato un metodo che abbiamo battezzato “classificazione del grado di compattazione basata sul clustering quadratico”. Sembra complicato, ma l’idea è di raggruppare i dati simili tra loro per identificare diversi livelli di compattazione.

Ecco i passi fondamentali del nostro metodo:

• Selezione dei parametri caratteristici: Abbiamo analizzato quali dati di logging (come raggi gamma naturali GR, tempo di transito sonico DT, resistività RM e RD) fossero più correlati con i tempi di perforazione. Più alta la correlazione, più utile il parametro!
• Analisi del clustering singolo: Abbiamo applicato l’algoritmo K-means ai dati di ogni singolo pozzo per vedere come si raggruppavano.
• Costruzione dello standard quadratico: Ci siamo accorti che le diverse zone dell’area di studio, chiamate “corpi di conoide” (Bozi 3, Bozi 1, Dabei), avevano caratteristiche diverse a causa delle loro diverse sorgenti di materiale. Quindi, applicare uno standard unico non sarebbe stato preciso. Abbiamo allora raggruppato i pozzi per conoide e applicato nuovamente il clustering (ecco perché “quadratico”!) per definire standard specifici per ogni zona.
• Verifica dello standard: Abbiamo applicato i nostri standard a pozzi non usati per crearli e confrontato i risultati previsti con i tempi di perforazione reali.

I Risultati: Cosa Abbiamo Scoperto sulla Compattazione

Il nostro metodo ha funzionato! Abbiamo ottenuto un’accuratezza dell’81% nel prevedere la compattazione rispetto ai dati reali di perforazione. Ma cosa ci dicono questi risultati sulla distribuzione della compattazione nell’area Bozi-Dabei?

Verticalmente:
Come previsto, la compattazione generalmente aumenta con la profondità. Ma abbiamo notato differenze significative tra i tre corpi di conoide, influenzate dalla tettonica (il sollevamento dei Monti Tianshan a nord e la presenza di una struttura salina chiamata Tuzimaza Salt Wall).

• Nel conoide Bozi 3, la Formazione Xiyu (più superficiale) è debolmente o mediamente compatta, la Formazione Kuqa (intermedia) è mediamente compatta, e la Formazione Kangcun (più profonda) è fortemente compatta. È la zona con la compattazione più alta in generale.
• Nel conoide Bozi 1, la parte superiore è debolmente compatta, quella intermedia mediamente compatta e la parte inferiore fortemente compatta. La compattazione generale è un po’ inferiore a Bozi 3.
• Nel conoide Dabei, la compattazione è decisamente più debole. Le zone fortemente compatte sono meno spesse. Questo è dovuto al fatto che le spinte tettoniche e la struttura salina hanno sollevato questi strati, rendendoli meno profondi.

In sintesi, il corpo di conoide Bozi è complessivamente più compattato di quello Dabei.

Orizzontalmente (in pianta):
Anche spostandosi sulla mappa, la compattazione varia, e qui entra in gioco la composizione della ghiaia.

• Nel conoide Bozi 3: Man mano che ci si allontana dalla sorgente del materiale (le montagne), la compattazione diminuisce. Vicino alla sorgente, ci sono più ghiaie “dure” (quarzite, granito), ma essendo state trasportate per poco, non hanno sviluppato una buona resistenza alla compattazione. Lontano dalla sorgente, prevalgono rocce mediamente resistenti (arenarie carbonatiche, dolomie) che, avendo viaggiato di più, sono più resistenti alla compattazione.
• Nel conoide Bozi 1: Qui la tendenza è strana: la compattazione prima aumenta e poi diminuisce allontanandosi dalla sorgente. Questo dipende dalla complessa miscela di rocce trasportate dal fiume Muzart, che ha una grande capacità di trasporto. La proporzione tra ghiaie poco consolidate e mediamente consolidate cambia con la distanza.
• Nel conoide Dabei: La compattazione è generalmente debole e meno influenzata dalla distanza dalla sorgente. Prevalgono rocce come arenarie, dolomie e selci, con una buona resistenza intrinseca alla compattazione.

I Fattori Chiave: Perché la Compattazione Varia?

Abbiamo identificato due fattori principali che controllano la compattazione in quest’area:

1. Composizione della Ghiaia: Non tutte le rocce si compattano allo stesso modo. Ghiaie ricche di quarzite o granito sono molto più resistenti alla compressione rispetto a quelle composte da arenarie e peliti (rocce argillose), che contengono minerali più “morbidi” e plastici. La sorgente del materiale (che tipo di montagne vengono erose) e la distanza percorsa dai sedimenti determinano la composizione della ghiaia in un dato punto.
2. Profondità di Seppellimento (influenzata dalla Tettonica): Questo è forse il fattore più intuitivo. Più uno strato è sepolto in profondità, maggiore è la pressione esercitata dagli strati sovrastanti, e quindi maggiore sarà la compattazione. I movimenti tettonici nella regione hanno giocato un ruolo cruciale:
* Il continuo sollevamento dei Monti Tianshan e la subsidenza della depressione hanno spinto gli strati dei conoidi Bozi 1 e Bozi 3 a profondità maggiori, aumentandone la compattazione.
* Al contrario, la risalita di una grande massa di sale dal sottosuolo (diapirismo salino) e le faglie associate hanno sollevato l’area del conoide Dabei, mantenendola a profondità minori e limitandone la compattazione.

Implicazioni Pratiche e Conclusioni

Capire queste differenze di compattazione è fondamentale per la perforazione. Ora possiamo:

• Ottimizzare le tecniche di perforazione: Nelle zone Bozi, dove la roccia è molto compatta e resistente, si può usare la perforazione ad aria per rompere meglio la roccia e ridurre l’usura delle punte. Nelle zone Dabei, dove la compattazione è minore ma potrebbero esserci sedimenti sciolti o fratture, bisogna monitorare la stabilità del pozzo e usare tecniche per prevenire perdite di fluido (“plugging while drilling”).
• Prevedere meglio i tempi e i costi: Sapendo in anticipo che tipo di compattazione aspettarsi, si può pianificare meglio l’operazione.

Il nostro metodo di “clustering quadratico” si è dimostrato efficace per classificare la compattazione in assenza di dati di carotaggio, e potrebbe essere applicato in altre aree del mondo con condizioni simili (strati spessi di ghiaia, pochi dati diretti), come il Corridoio Hexi o il Bacino Junggar in Cina.

In conclusione, siamo riusciti a gettare luce sulla complessa interazione tra geologia e compattazione in questi enormi strati di ghiaia. Abbiamo sviluppato uno strumento utile e capito meglio come la storia tettonica e la natura dei sedimenti influenzino le condizioni del sottosuolo, fornendo basi geologiche preziose per rendere l’esplorazione di gas naturale più sicura ed efficiente. E la ricerca continua: i prossimi passi potrebbero includere l’analisi dell’influenza delle facies sedimentarie (gli ambienti di deposizione specifici) e l’integrazione con dati sismici per modelli ancora più dettagliati!

Fonte: Springer