DE69933449T2

DE69933449T2 - Verfahren zur bestimmung von spannungen an ort und stelle in einer irdischen formation

Info

Publication number: DE69933449T2
Application number: DE69933449T
Authority: DE
Inventors: Jan Cornelis KENTER; Gerardus Johannes VAN MUNSTER; Jan Barend PESTMAN
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1998-07-07
Filing date: 1999-07-01
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2019-07-02
Also published as: NO20010094D0; AU4907899A; NO20010094L; EP1095205A1; ATE341699T1; MY123277A; DE69933449D1; DK1095205T3; WO2000001927A1; CA2337803A1; AU747421B2; EP1095205B1; RU2215149C2; CA2337803C; NO321318B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung einer in situ-Spannung in einer Erdformation, wobei die Formation einem in situ-Spannungszustand mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Hauptspannung unterliegt. Die drei Hauptspannungen werden im allgemeinen als erste, zweite und dritte in situ-Spannung bezeichnet. In der Technologie der Kohlenwasserstofförderung aus einer Erdformation ist es häufig erforderlich, die Größen und Richtungen der in situ-Spannungen in der Formation zu kennen, oder zumindest über einen Hinweis darüber zu verfügen. Eine derartige Kenntnis ist beispielsweise zur Erzielung der Bohrlochstabilität, des hydraulischen Frakturierens der Formation, für geologische Modelle oder zur Verhinderung einer Sandförderung erforderlich. Die Richtung der in situ-Spannungen kann auf verschiedene Art und Weise bestimmt werden, wie Differenzialspannungsanalyse, verschiedene akustische Techniken oder sogenannte Minifrac-Tests. In dieser Hinsicht versteht sich, daß eine der in situ-Spannungen im allgemeinen in vertikaler Richtung erzeugt wird und ihre Größe vom Gewicht der überlagernden Schichten abhängt. Deshalb werden im allgemeinen nur zwei horizontale in situ-Spannungen einer Untersuchung hinsichtlich Richtung und Größe unterzogen. Es ist versucht worden, die Größen der horizontalen in situ-Spannungen festzustellen, indem Beanspruchungen und konstitutive Eigenschaften des Felses verwendet werden, um die Spannungen zu bestimmen. Die konstitutiven Eigenschaften des Felses sind jedoch im allgemeinen nicht genau bekannt.
B. J. Pestman: „An acoustic emission study of damage development and stress-memory effects in sandstone", Int. Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts; Band 333, Nr. 6, September 1996; Seiten 585–593, offenbart eine Reihe von akustischen Labor-Emissionsexperimenten an Sandsteinproben.
Die US-A-5,253,518 offenbart Verfahren zum mehrstufigen Testen von Felsproben unter Verwendung von isostatischen Druckmessungen des Porendruckes der Probe.
Die US-A-4,107,981 offenbart ein Verfahren zur Schätzung des Bodendruckes in Felsproben.
Es ist ein Ziel der Erfindung, eine genauere Bestimmung der Größe einer oder mehrerer in situ-Spannungen in der Erdformation zu schaffen.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung einer in situ-Spannung einer Erformation geschaffen, die einer ersten, zweiten und dritten in situ-Spannung unterworfen ist, wobei ein Bohrloch in die Formation gebohrt worden ist, das Bohrloch ein Bohrlochfluid enthält, das einen vorbestimmten Druck auf die Bohrlochwand induziert, so daß in einem Bereich der Formation die erste in situ-Spannung durch eine reduzierte aufgebrachte Spannung ersetzt wird, abhängig von dem vorbestimmten Druck, der auf die Bohrlochwand ausgeübt wird, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

– Auswahl einer Probe, die aus dem Bereich entfernt worden ist, wobei die Probe erste, zweite und dritte Bezugsrichtungen aufweist, die mit den entsprechenden Richtungen der ersten, zweiten und dritten in situ-Spannung koinzidieren, bevor die Probe aus der Formation entfernt worden ist; und
– Durchführen einer Vielzahl von Tests an der Probe, wobei in jedem Test die Probe den ausgewählten Spannungen in den Bezugsrichtungen unterworfen wird, um einen Schadensbereich der Probe und aus dem Schadensbereich zumindest eine der zweiten und dritten in situ-Spannungen zu bestimmen, wobei die Größe der gewählten Spannung in der ersten Be zugsrichtung im wesentlichen gleich der Größe der anderen Spannung ist.

Es versteht sich, daß in dem Kontext der vorliegenden Erfindung die Bohrlochwand sowohl den zylindrischen Teil der Bohrlochwand als auch den Boden des Bohrloches umfaßt. Ein wichtiger Aspekt der Erfindung besteht darin, daß der schwerwiegendste Spannungszustand berücksichtigt wird, welchem das Probenmaterial unterworfen ist, um den Schadensbereich zu bestimmen. Unter „schwerwiegendster Spannungszustand" wird ein Spannungszustand verstanden, in welchem das Probenmaterial den größten Schaden genommen hat. Wenn beispielsweise die Probe vom Bohrlochboden genommen wird, wird als schwerwiegendster Spannungszustand jener in Betracht gezogen, der unmittelbar vor dem Entfernen der Probe aus der Formation auftritt, wobei die Größe der vertikalen in situ-Spannung an der Probenstelle durch eine vertikale Spannung ersetzt wird, die gleich dem Bohrlochfluiddruck am Bohrlochboden plus dem Gewicht des Felsmaterials zwischen dem Bohrlochboden und der Probenstelle ist. Wenn das Felsmaterial Porenfluid enthält, wird der Porenfluiddruck von der vertikalen Spannung abgeleitet, um die effektive vertikale Spannung zu finden (welche die Spannung ist, die von den Felskörnern getragen wird).
In einem solchen schwerwiegendsten Spannungszustand ist das Verhältnis der Differenz zwischen den horizontalen in situ-Spannungen und der vertikalen Spannung zur mittleren Spannung ein Maximum.
Der Schadensbereich (der auch als Schadensfläche bezeichnet wird) wird durch Punkte im dreidimensionalen Spannungsraum gebildet, an denen der Beginn eines zusätzlichen Schadens bei einer weiteren Belastung des Probenmaterials auftritt. Die Schadensfläche kann aus der akustischen Emission des Probenmaterials am Beginn des zusätzlichen Schadens genau bestimmt werden. Eine derartige akustische Emission wird im allgemeinen als Kaisereffekt bezeichnet, der beispielsweise in „An acoustic emission study of damage development and stress-memory effects in sandstone", B J Pestman et al, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., Band 33, Nr. 6, Seiten 585–593, 1996 beschrieben ist.
Die Erfindung wird nun detaillierter und anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 schematisch einen Querschnitt eines Bohrloches, das in einer Erdformation gebildet ist, wie es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird;
1A schematisch die in situ-Spannungen, die in der Erformation vorhanden sind;
1B schematisch eine Kernprobe, die aus der Erdformation entnommen wurde; und
2 schematisch ein in situ-Spannungsdiagramm, das bei dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens Anwendung findet.
In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung wird angenommen, daß die Erdformation kein Porenfluid enthält, somit die Spannungen, die als effektive Spannungen bezeichnet werden, von den Felskörnern aufgenommen wird. 1 zeigt ein Bohrloch 1, das in einer Erdformation 3 gebildet ist. Die ungestörte Formation 3 unterliegt in situ-Spannungen in vertikaler und horizontaler Richtung, d.h. eine vertikale Druckspannung σ₁ und zwei horizontale Druckspannungen σ₂, σ₃, wie dies in 1A unter Bezugnahme auf ein kubusförmiges Element 5 der Formation 3 gezeigt ist. Das Bohrloch 1 ist mit einem Bohrfluid 7 von vorbestimmtem spezifischem Gewicht gefüllt, derart, daß ein vertikaler Druck P von dem Bohrfluid 7 auf den Bohrlochboden 11 ausgeübt. Unterhalb des Bohrlochbodens 11 befindet sich ein Bereich 14 der Formation 3, in welchem die vertikale in situ-Spannung σ₁ an einem spezifischen Punkt durch eine Spannung σ₁' gleich dem Vertikaldruck P des Bohrschlammes 7 plus dem Gewicht des Felsmaterials zwischen dem Bohrlochboden 11 und dem spezifischen Punkt ersetzt wird. Die horizontalen in situ-Spannungen σ₂, σ₃ im Bereich 14 sind nicht (oder nur sehr geringfügig) von dem Vorhandensein des Bohrloches beeinflußt.
Ein Probenentnahmewerkzeug (nicht gezeigt) wird durch das Bohrloch 1 abgesenkt, um eine zylindrische Kernprobe 16 (1B) aus dem Bereich 14 der Formation 3 zu entnehmen. In 1 ist die Kernprobe 16 mit strichlierten Linien angedeutet, um die Stelle des Felsmaterials der Kernprobe 16 zu zeigen, bevor die Probe 16 der Formation 3 entnommen wird. Die Kernprobe 16 hat eine erste Bezugsrichtung 18, eine zweite Bezugsrichtung 20 und eine dritte Bezugsrichtung 22, wobei diese Bezugsrichtungen den entsprechenden in situ-Spannungsrichtungen vor dem Entfernen der Probe 16 aus der Formation 3 entsprechen. Somit entspricht vor dem Entfernen der Probe 16 aus der Formation 3 die Bezugsrichtung 18 der vertikalen, die Bezugsrichtung 20 der Richtung der in situ-Spannung σ₂, und die Bezugsrichtung 22 der Richtung der in situ-Spannung σ₃. Während und nach dem Entfernen der Kernprobe 16 aus der Formation 3 werden die Druckspannungen, die in den Bezugsrichtungen wirken, geändert, wenn die Kernprobe 16 in einem Behälter gespeichert ist (nicht gezeigt), deren Fluid einen moderaten hydrostatischen Druck enthält.
In einem nächsten Schritt werden eine Reihe von Drucktests an der Kernprobe 16 ausgeführt, wobei die Probe Druckspannungen S₁, S₂, S₃ in den entsprechenden Bezugsrichtungen 18, 20, 22 unterzogen wird. Der Zweck dieser Tests besteht darin, die Schadensmenge zu bestimmen, welcher das Material der Kernprobe 16 vor dem Entfernen aus der Erdformation 3 unterlegen ist und daraus die horizontalen in situ-Spannungen abzuschätzen. Die Schadensmenge kann durch einen Schadensbereich in dem dreidimensionalen Spannungsraum (S₁, S₂, S₃) repräsentiert werden. Wenn in Betracht gezogen wird, daß die Schadensmenge des Probenmaterials durch den schwerwiegendsten Spannungszustand bestimmt wird, welchem das Probenmaterial unterworfen wird (d.h. dem Spannungszustand, der den größten Schaden verursacht), besteht ein wesentlicher Aspekt der Erfindung darin, zu berücksichtigen, daß der schwerwiegendste Spannungszustand des Probenmaterials bei Vorhandensein des Bohrloches 1 und vor dem Entfernen der Probe 16 aus der Erdformation auftritt. Deshalb sind in dem schwerwiegendsten Spannungszustand die Hauptspannungen σ₁' in der Bezugsrichtung 18, σ₂ in der Bezugsrichtung 20 und σ₃ in der Bezugsrichtung 22.
Unter Bezugnahme auf 2 wird das Profil des Schadensbereiches für S₁ = σ₁' in einer Reihe von Tests bestimmt, um die Größe der horizontalen in situ-Spannungen σ₂ und σ₃ abzuschätzen. Während der Tests wird die Druckspannung S₁ gleich σ₁' gehalten, während die Spannungen S₂ und S₃ variiert werden, bis der Beginn eines zusätzlichen Schadens auftritt. Bei dem Beispielsdiagramm nach 2 wird die Probe 16 entlang eines Spannungspfades 24 zum Punkt A belastet, an welchem der Beginn des zusätzlichen Schadens auftritt. Ein derartiger Beginn des zusätzlichen Schadens wird durch Messen der akustischen Emission aus dem Material, basierend auf dem Kaisereffekt, bestimmt. Als nächstes werden die Spannungen S₂ und S₃ entlang der Spannungspfade 26, 28 zum Punkt B, entlang der Spannungspfade 28, 30, 32 zum Punkt C, entlang der Spannungspfade 32, 34, 36 zum Punkt D und entlang der Spannungspfade 36, 38, 40 zum Punkt E geändert, wobei die Punkte B, C, D, E durch den Beginn des zusätzlichen Schadens gemäß dem Kaisereffekt bestimmt werden. Die durch die Punkte A, B, C, D, E geformte Kurve ergibt das Profil der Schadensfläche für S₁ = σ₁'. Beim Durchführen der Tests muß Sorgfalt ausgeübt werden, damit der schwerwiegendste Spannungszustand des Probenmaterials nicht in einem signifikanten Ausmaß überschritten wird, um sicherzustellen, daß das Schadensprofil aus den Tests genau dem schwerwiegendsten Spannungszustand entspricht, der auftritt, bevor die Probe 16 aus der Formation 3 entfernt wurde.
Das Schadensprofil in dem S₁, S₂ Diagramm (für S₁ = σ₁') bildet einen Satz von Punkten (S₁, S₂), von denen jeder Punkt im Prinzip einen in situ-Spannungszustand (σ₁, σ₂, σ₃) repräsentieren könnte. Eine Auswahl wird in bekannter Weise getroffen, um aus diesen Punkten den realen in situ-Spannungszustand zu bestimmen, beispielsweise, indem ein Scheitelpunkt im Profil als repräsentativ für den realen in situ-Spannungszustand genommen wird.
Im Falle, daß Felsmaterial Porenfluid enthält, ist die gesamte Spannung an einem spezifischen Punkt in der Formation die Summe der effektiven Spannung (getragen von den Felskörnern) und dem Porenfluiddruck. Das vorstehende Verfahren kann dann in ähnlicher Weise angewendet werden für die effektiven in situ-Spannungen σ_1e, σ_2e und σ_3e. Die vertikale effektive in situ-Spannung σ_1e an einem spezifischen Punkt wird durch eine Spannung σ_1e' gleich dem vertikalen Druck P aus dem Bohrschlamm 7 plus dem Gewicht des Felsmaterials zwischen dem Bohrlochboden 11 und dem spezifischen Punkt minus dem Porenfluiddruck ersetzt. Die Größen der horizontalen effektiven in situ-Spannungen σ_2e und σ_3e werden dann in ähnlicher Weise bestimmt, wie dies vorstehend unter Bezugnahme auf σ₂ und σ₃ beschrieben worden ist.

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer in situ-Spannung einer Erformation (3), die einer vertikalen und zwei horizontalen in situ-Spannungen (σ₁, σ₂, σ₃) unterworfen ist, wobei ein Bohrloch (1) in die Formation gebohrt worden ist, das Bohrloch (1) ein Bohrlochfluid enthält, das einen vorbestimmten Druck (P) auf die Bohrlochwand (11) induziert, so daß in einem Bereich (14) der Formation die erste in situ-Spannung (σ₁) durch eine reduzierte aufgebrachte Spannung ersetzt wird, abhängig von dem vorbestimmten Druck (P), der auf die Bohrlochwand (11) ausgeübt wird, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Auswahl einer Probe (16), die aus dem Bereich (14) entfernt worden ist, wobei die Probe (16) erste, zweite und dritte Bezugsrichtungen (18, 20, 22) aufweist, die mit den entsprechenden Richtungen der vertikalen und zwei horizontalen in situ-Spannungen (σ₁, σ₂, σ₃) koinzidieren, bevor die Probe (16) aus der Formation entfernt worden ist; und – Durchführen einer Vielzahl von Tests an der Probe, wobei die Probe (16) den ausgewählten Spannungen (S₂, S₃) in den zweiten und dritten Bezugsrichtungen unterworfen wird, um einen Schadensbereich der Probe und aus dem Schadensbereich zumindest eine der zwei horizontalen in situ-Spannungen (σ₁, σ₂, σ₃) zu bestimmen, und wobei in jedem Test die Größe einer gewählten Spannung (S₁) in der ersten Bezugsrichtung (18) im wesentlichen gleich der Größe der reduzierten Spannung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem sich der Bereich (14) unterhalb des Bohrlochbodens (11) befindet, und die reduzierte Spannung durch das Gewicht der Fluidsäule in dem Bohrloch (1) und das Gewicht des Teiles der Erdformation (3) zwischen dem Bohrlochboden (11) und der Stelle bestimmt wird, an der die Probe (16) aus der Formation (3) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Probe (16) aus dem Bodenbereich (14) des Bohrloches (1) entfernt worden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, bei welchem in jedem Test ein Punkt (A, B, C, D, E) des Schadensbereiches aus der akustischen Emission der Probe (16) bestimmt wird.