DK174493B1 - Fremgangsmåde til styring af injektionsfrakturers udbredelsesretning i permeable formationer - Google Patents

Description

i DK 174493 B1

Den foreliggende opfindelse angår en forbedret fremgangsmåde af den generelle art, hvor man til produktion af olie eller gas fra en formation, ved siden af hinanden, danner en første og en anden produktionsboring, samt 5 etablerer en yderligere boring, en såkaldt injektionsboring, der udstrækker sig ved og mellem den første og den anden boring, idet der, mens der produceres olie eller gas, ledes en væske til injektionsboringen og ud i formationen i en tidsperiode 10

Opfindelsen er baseret på, at der under tilførslen af væske til en injektionsboring ved høje injektionsrater kan opstå frakturer, der udbreder sig ud fra injektionsboringen gennem de områder af formationen, der har naturlige 15 svagheder, og/eller i retning af formationens maksimale horisontale spænding σ'Η. Disse frakturer er uønskede, såfremt de medfører en ukontrolleret bortstrømning af væsken fra injektionsboringen direkte ind i enten den ene eller den anden tilstødende produktionsboring, hvorved 20 produktionsforholdene ikke er optimale Dannelsen af frakturer har dog generelt den fordel, at den tilførte væske hurtigere kan ledes ind i den omkringliggende formation over en større vertikal flade og dermed hurtigere kan fortrænge indholdet af olie eller gas.

25

Ved opfindelsen søger man at tilvejebringe en ganske særlig fraktur, der strækker sig ud fra en injektionsboring, for at optimere produktionen af olie eller gas Nærmere bestemt bliver det i henhold ril opfindelsen muligt at 30 styre udbredelsen af en sådan fraktur, så frakturen har et kontrolleret forløb og i vidt omfang udstrækker sig i 2 DK 174493 B1 et lodret plan langs med og sammenfaldende med injektionsboringen

Dette opnås ved, at der i forbindelse med den mdled-5 mngsvis omtalte fremgangsmåde foretages en i det mindste tilnærmet bestemmelse af den maksimalt tilladelige mjek-tionsrate Iraa i perioden Ti for undgåelse af frakture-ringsbrud i injektionsboringen, når der tilledes væske, ved at injektionsraten I for væsken tilført mjektionsbo-10 ringen holdes under den nævnte maksimalt tilladelige m-jektionsrate Ima>: i den nævnte første tidsperiode T1( og ved at injektionsraten I forøges til en værdi over Imax efter udløbet af tidsperioden Ti, når relationen σ'hoop <= o'h er opfyldt Med betegnelsen "injektionsrate" menes i 15 denne sammenhæng mængden af væske, udtrykt som mængde per tidsenhed, der ledes til injektionsboringen.

Den maksimalt tilladelige injektionsrate Ima;< for undgåelse af frakturenngsbrud kan eksempelvis bestemmes eller 20 estimeres ved den såkaldte "step-rate"-test, hvor mjek-tionsraten trinvist forøges samtidig med at tilvæksten af trykket i borehullet overvåges. Når kurven, der afspejler denne relation, pludseligt ændrer hældning tolkes dette i henhold til gældende teorier som begyndende frakturering, 25 og injektionsraten I, der frembringer denne frakturering, benævnes i det følgende Imax

Som angivet i krav 2 foretrækkes det, at boringerne etableres så de forløber i det væsentlige horisontalt, hvor-30 ved formationens lodrette spændinger bibringer yderligere til opfindelsen Med betegnelsen "i det væsentlige horisontalt" menes i denne tekst boringer, der udstrækker sig 3 DK 174493 B1 inden for et vinkelinterval på +/- ca 25° i forhold det horisontale plan

Det foretrækkes endvidere, at der før etableringen af bo-5 ringerne foretages en estimering af retningen af formationens naturlige største effektive hovedspænding σ'Η i området ved den planlagte placering af boringerne, og at boringerne udstrækker sig indenfor intervallet + /- ca 25° i forhold til denne retning 10

Fra tysk patent nr. 3120479 kendes en metode til at frembringe en in]ektionsfraktur. For at styre frakturens udbredelse må der i henhold til denne kendte metode etableres to lnjektionsboringer, hvilket giver en betragtelig 15 forøgelse af omkostningerne Patentskriftet anviser ikke, hvorledes frakturudbredelsen kan styres, når der alene er etableret en mjektionsfraktur

Opfindelsen vil i det følgende blive forklaret nærmere 20 under henvisning til tegningen, der viser et udførelseseksempel

Fig. 1 viser to produktionsboringer, hvorfra der produceres olie eller gas, samt hovedspændingernes orientering i 25 den omkringliggende formation,

Fig 2 viser spændingerne i formationen i fig 1 efter seks måneders produktion, 30 Fig 3 viser to produktionsboringer, hvorfra der produceres olie eller gas, samt en mgektionsbonng, hvortil der 4 DK 174493 B1 tilføres væske, samt hovedspændingernes orientering i den omkringliggende formation,

Fig 4 viser spændingerne i formationen i fig. 3 efter 5 seks måneders produktion og tre måneders vandtilførsel,

Fig 5 forklarer de indgående spændingsnotationer ved m-3 ekt lonsbo ringer., 10 Fig 6 viser den tidslige udvikling af spændingerne umiddelbart over injektionsboringen i fig. 5, og

Fig 7 viser en typisk relation mellem trykket l injektionsboringen og mj ekticnsraten.

15 I fig 1 er med henvisningstallene 5, 10 vist to produk tionsboringer til produktion af olie eller gas fra en kridtholdig formation 1 Produktionsboringerne 5, 10 ud strækker sig i et tilnærmelsesvis fælles plan i formatio-20 nen 1 i en dybde på eksempelvis ca 7000 fod under havoverfladen Det viste fælles plan er horisontalt, men kan have en vilkårlig orientering Eksempelvis kan produktionsboringerne 5, 10 udstrække sig i et plan med en hældning i intervallet +/- ca. 25° i forhold til det honson-25 tale plan.

Produktionsboringerne 5, 10 er på konventionel måde via opadrettede boringer i områderne 16, 20 forbundet med et brøndhoved, hvorfra olie eller gas fra formationen 1 le-30 des til et fordelingssystem på overfladen Boringerne 5, 10, 16, 20 etableres som normalt ved boring fra overfladen 5 DK 174493 B1

Produktionsboringerne 5, 10 kan have en længdeudstrækning på eksempelvis ca 10000 fod og forløber fortrinsvis indbyrdes parallelt i en afstand på eksempelvis ca 1200 5 fod Produktionsboringerne 5, 10 kan dog inden for opfindelsens rammer divergere en anelse i retning fra områderne 16, 20 Den i fig 1 viste situation er repræsentativ for et virkeligt forekommende boreforløb, idet den angivne skala beskriver afstande i fod.

10

Til brug for den følgende diskussion vil det effektive spændingsfelt i formationen 1 blive udtrykt ved symbolerne σ'ν, der er den lodrette spændingskomposant, σ'Η/ der er den maksimale vandrette spændingskomposant, samt a'h/ 15 der er den vandrette spændingskomposant vinkelret på σ'h De effektive spændinger σ'ν, σ'Η samt a'h kan bestemmes eller estimeres ved hjælp af elasticitetsteorien, idet der tages højde for påvirkningen fra strømmende væsker eller gasser i formationen En sådan strømning giver an- 20 ledning til volumenkræfter i overensstemmelse med følgende formel 1) b>=-p dp/dx , by=-p dp/dy , bz=-p dp/dz, 25 hvor p er poretrykket, mens β er den såkaldte Biot- faktor Effekten af disse volumenkræfter på det effektive spændingsfelt kan ligeledes beregnes ved hjælp af elasticitetsteorien .

30 Fig 1 viser med henvisningstallet 2 forløbet af hovedspændingerne i formationen 1 i det viste plan efter en 6 DK 174493 B1 produktionsperiode på seks måneder. Det fremgår, at den effektive hovedspændings σ'Η orientering α i forhold til produktionsboringerne 5, 10 er relativt upåvirket af produktionen i en vis afstand fra produktionsboringerne 5, 5 10 Vinklen α udgør i eksemplet ca 25° Med γ er endvi dere angivet hovedspændingernes orientering i forhold til en linie, der er markeret med tallet 15, og som forløber midt mellem produktionsboringerne 5, 10. Det ses, at vinklen γ svarer tilnærmelsesvis til vinklen α i det vi-10 ste eksempel

Det fremgår endvidere, at hovedspændingen σ'Η umiddelbart ved produktionsboringerne 5, 10 har en ændret oriente ring, idet hovedspændingen er orienteret omtrent vmkel-15 ret på produktionsboringernes 5, 10 udstrækning, dvs under vinklen β Med andre ord vil trykspændingerne i formationen i dette område have en maksimal komposant, der er rettet omtrent vinkelret md mod produktionsboringerne 5, 10 Denne retningsændring indledes med det samme, når 20 produktionen påbegyndes, og skyldes tilstrømningen til produktionsboringerne 5, 10 af den omkringliggende væske.

I fig 2 er endvidere vist udviklingen af spændingerne o'h samt poretrykket p i et tværsnit gennem formationen 25 ved den i fig. 1 viste situation efter en produktionsperiode på seks måneder, idet limerne 5' , 10' indikerer langsgående lodrette planer, der indeholder produktionsboringerne 5, 10 30 I fig 3 er vist, hvorledes fremgangsmåden ifølge opfindelsen kan udøves med det formål at tilvejebringe forbed- 7 DK 174493 B1 rede produktionsforhold fra de i fig. 1 viste produktionsboringer, der herefter vil blive betegnet med henvisningstallene 105, 110 De viste forhold svarer til det under henvisning til fig 1 beskrevne for så vidt angår 5 beliggenheden af produktionsboringerne 105, 110

Det fremgår, at der langs en linie svarende til linien 15 i fig 1 er dannet en yderligere boring 115, der i et område 125 går over i en opadrettet boring og er forbundet 10 med en pumpe for tilførsel af væske, fortrinsvis havvand, til boringen 115 Den yderligere boring 115 vil i det følgende blive benævnt "injektionsboringen"

Injektionsboringen 115 har fortrinsvis samme længde som 15 produktionsboringerne 105, 110 og vil typisk være uforet, således at forstå, at boringens væg udgøres af selve formationens 1 porøse materiale Boringen 115 kan dog være foret 20 På figur 3 er endvidere med kurveskaren 102 angivet spændingsforholdene i formationen 1 seks måneder efter produktionens påbegyndelse. Spændingsforholdene afspejler, at der i en tidsperiode Ti svarende til de umiddelbart foregående tre måneder er blevet tilført væske, fortrins-25 vis havvand eller formationsvand, til formationen 1 via injektionsboringen 115 og under særlige trykforhold, der vil blive omtalt nærmere nedenfor.

Tilførslen af væske til en porøs formation medfører gene-30 relt, som det er velkendt, at indholdet af olie eller gas i formationen 1 mellem produktionsboringerne 105, 110 så at sige fortrænges sideværts hen mod produktionsboringer- 8 DK 174493 B1 ne 105, 110, hvorved formationen 1 tømmes hurtigere Ved opfindelsen kan den tilledte væske bringes ni at give anledning til en yderligere ændring i spændingsforholdene langs injektionsboringen Dette kan som vist i fig 3 5 konstateres ved, at vinklen γ' mellem linien defineret af injektionsboringen 115 og hovedspændingsretningen σ'Η er mindre end den tilsvarende vinkel γ for forholdene uden tilførsel af væske ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen, jf fig 1 Denne ændring konstateres i området langs he-10 le injektionsboringen Det forhold, at hovedspændmgsret-mngen i hele dette område er orienteret omtrent parallelt med injektionsboringen 115 bidrager, som det vil blive forklaret nærmere nedenfor, positivt til at opnå den ved opfindelsen tilsigtede virkning. Dersom man, som 15 det er tilfældet ved en foretrukket udførelsesform for opfindelsen, vælger at danne produktionsboringerne 105, 110 og injektionsboringen 115 så de i videst mulig omfang følger orienteringen 102 af formationens naturlige effektive hovedspænding σ'Η nøje, kan der på et særligt tid-20 ligt tidspunkt efter væsketilførslens påbegyndelse tilvejebringes gunstige forhold for at opnå den ved opfindelsen tilsigtede virkning

Som det fremgår af fig 4, der illustrerer spændingsfor-25 holdene i formationen 1 ved den i fig. 3 viste situation, vil værdien af i området ved injektionsboringen 115 som følge af den tilførte væske være mindre end den tilsvarende værdi vist i fig 2.

30 Opfindelsen er som nævnt indledningsvis baseret på den erkendelse, at der under tilførslen af væske til en in- 9 DK 174493 B1 jektionsbonng ved høje injektionsrater kan opstå uønskede frakturer, der udbreder sig fra injektionsboringen og ind i en af de tilstødende produktionsboringer. Betragtes fig 3 er en sådan tilfældigt forløbende fraktur antydet 5 med henvisningstallet 200. Den viste fraktur forløber lodret ud af papirets plan, men frakturen vil, alt efter formationens 1 forhold, kunne forløbe i en vilkårlig anden retning 10 Ved opfindelsen søger man at udnytte de fordele, der knytter sig ved en fraktur, som strækker sig ud fra en injektionsboring. Betragtes fig 3 bliver det ved opfindelsen i vidt omfang muligt at tilvejebringe en gunstig fraktur i form af en i vidt omfang lodret spalte, der 15 forløber langs med og sammenfaldende med injektionsboringen 115

For opnåelse af den tilsigtede virkning tilføres ifølge opfindelsen, mens der produceres, indledningsvis væske 20 til injektionsboringen 115 ved en relativt lav injektionsrate I Denne tilstand opretholdes som minimum i en periode Ti, hvilket som nævnt giver anledning til, at spændingsfeltet reorienteres omkring injektionsboringen, hvorved den numerisk mindste spændmgskomposant o'h er 25 orienteret omtrent vinkelret på injektionsboringens 115 forløb Med andre ord er den mindste spænding, der holder formationen under tryk, rettet mod det plan, hvori frakturen ønskes opnået Væsketrykket P i injektionsboringen 115 skal i perioden Ti være mindre end eller lig med det 30 tryk Pf, det såkaldte fraktureringstryk, der giver anledning til trækbrud i formationen, og injektionsraten I skal i perioden Ti være mindre end eller lig med den m- 10 DK 174493 B1 jektionsrate Ima>-, der giver anledning til trækbrud i formationen

Som følge af væsketilførslen til injektionsboringen 115 5 optræder lokale spændingsændringer i formationen langs injektionsboringens periferi, og opfindelsen tager udgangspunkt i denne kærvvirknmg ved borehullet 115. Rundt langs borehullet findes den mindste spændingskoncentration langs borehullets øverste og nederste del, dvs. i to 10 områder, der ligger i et lodret plan, således som illustreret i fig 5 Er borehullet 115 cirkulært ligger disse områder, hvor cirklens lodrette diameter skærer cirklen Den mindste ringspænding a'hoop, der er et udtryk for disse lokale spændinger i formationen umiddelbart ved bo-15 rehullets top og bund, kan tilnærmet bestemmes ud fra udtrykket 2 } CT hoop 3 σ h ” σ V, 20 hvor o'v er bidraget fra massen af de overliggende formationer σ'h og σ'ν er i nærværende sammenhæng udtryk for spændingerne i formationen i området ved injektionsboringens 115 position, bestemt ud fra elasticitetsteorien under hensyntagen til de indgående strømninger, jf. formel 25 1) Da væskestrømmen som nævnt giver anledning til at d'h falder med tiden, vil a'hoop aftage Af formel 2) fremgår, at den negative værdi af a'hoop vokser, når σ'ν tiltager Produktionen fra produktionsboringerne 105, 110 giver anledning til en sådan forøgelse af σ'ν 30 11 DK 174493 B1

For at tilvejebringe den ønskede fraktur forøges infektionsraten som nævnt efter, at der er forløbet et vist tidsrum Ti fra inficeringens påbegyndelse Betingelsen for, at infektionsraten kan forøges er, at relationen 5 3) σ' hoop σ' h er opfyldt Såfremt infektionsraten forøges før denne betingelse er opfyldt, dvs før udløbet af den påkrævede 10 tidsperiode Ti, vil der være forøget risiko for uønskede frakturer således som beskrevet indledningsvis

Det beskrevne forløb er illustreret i fig. 6, der viser, hvorledes inficeringen af væske påbegyndes ca 90 dage 15 efter produktionens indledning. På et tidspunkt Ti efter inficeringens påbegyndelse er ovennævnte relation 3) opfyldt I eksemplet inficeres ved infektionsraten I i yderligere 90 dage, på hvilket tidspunkt σ'Η fordelagtigt har gennemgået en betydelig retningsændring (γ-γ' ) på ca 20 15° Herefter forøges infektionsraten til en værdi over I,n5,, hvilket i fig 6 er illustreret ved at trykket i infektionsboringen stiger Det ses, at σ'hoop brat ændrer karakter fra en trykspænding til en trækspænding, hvorved formationens trækstyrke nås.

25

Det bemærkes, at man, hvis infektionsraten ikke forøges, ifølge ansøgers teori i det viste tilfælde også kan opnå den ønskede fraktur, når o'hooP efter nogen tid når værdien for formationens trækstyrke Dette vil dog i mange 30 tilfælde tage uforholdsmæssigt lang tid 12 DK 174493 B1

I fig 7 er vist et typisk måleresultat tilvejebragt ved den såkaldte "step-rate"-test for fastlæggelse af den maksimalt tilladelige injektionsrate Imax Det bemærkes, at det i visse tilfælde kan være relevant at foretage en 5 løbende bestemmelse af den maksimalt tilladelige injektionsrate Ims·.. Dette skyldes, at Imax kan variere med tiden Det kan således i tidsperioden Ti vise sig nødvendigt at reducere injektionsraten I

Claims (5)

13 DK 174493 B1

1 Fremgangsmåde til styring af in]ektionsfrakturers udbredelsesretning i en permeabel formation (1), hvorfra 5 der produceres olie og/eller gas, omfattende· at der i formationen {1) ved siden af hinanden dannes en første og en anden produktionsboring {105, 110) , at der ved produktionsboringerne (105, 110) etable-10 res en yderligere boring (115), der udstrækker sig mellem den første og den anden produktionsboring (105, 110), at produktionen af olie og/eller gas påbegyndes, at der, mens der produceres olie eller gas, ledes en 15 væske til den nævnte yderligere boring (115) og ud i formationen (1) i en første tidsperiode Ti, for alene ved hjælp af denne yderligere boring at tilvejebringe en styring af udbredelsesretningen af en injektions f raktur , 20. kendetegnet ved, at der foretages en i det mindste tilnærmet bestemmelse af den maksimalt tilladelige injektionsrate Im5- i perioden Ti for undgåelse af frakturermgsbrud i den nævnte yderlige boring (115), når der tilledes 25 væske, at injektionsraten I for væsken tilført den yderligere boring (115) holdes under den nævnte maksimalt tilladelige injektionsrate Imax i den nævnte første tidsperiode Ti, og 30. at injektionsraten I forøges til en værdi over Iraax efter udløbet af tidsperioden Ti, når relationen 14 DK 174493 B1 o'hoop <= o'h er opfyldt

2 Fremgangsmåde ifølge det foregående krav, k e n -5 detegnet ved, at boringerne (105, 110, 115) etableres så de forløber i det væsentlige horisontalt.

3 Fremgangsmåde ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at der før etableringen af 10 boringerne (105, 110, 115) foretages en estimering af retningen (102) af formationens naturlige effektive hovedspænding σ'h i området ved den planlagte placering af boringerne, og at boringerne (105, 110, 115) dannes så de udstrækker sig med indenfor +/- ca 25° i forhold til 15 denne retning

4 Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at den yderligere boring (115) udstrækker sig omtrent ækvidistant 20 mellem den første og den anden boring (105, 110)

5 Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at den yderligere boring (115) forsynes med en foring før tillednm- 25 gen af væske € Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at man, før man leder den nævnte væske til den yderligere boring 30 (115), stimulerer den yderligere boring med henblik på at 15 DK 174493 B1 forøge udbredningen af væske i formationen, eksempelvis ved at tilføre syre