NO152467B - Fremgangsmaate til behandling av en formasjon rundt en broenn - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår behandling av underjordiske formasjoner som et borehull trenger gjennom. Mer bestemt går den ut på en fremgangsmåte for selektiv behandling av en rekke formasjonsintervaller under anvendelse av kuletetninger. Det er vanlig praksis når olje- og gassbrønner gjøres ferdig, å sette ned en rørstreng som kalles foringsrør i brønnen og benytte sement rundt utsiden av foringsrøret for å isolere de forskjellige hydrokarbonproduserende formasjoner som brønnen trenger gjennom. For å få til fluidumforbindelse mellom de hydrokarbonførende formasjoner og det indre av foringsrøret blir foringsrøret og sementkappen perforert.

Til forskjellige tider under brønnens levetid kan det være ønskelig å øke produksjonshastigheten av hydrokarboner ved syrebehandling eller hydraulisk frakturering. Hvis bare en kort, enkel hydrokarbonførende sone i brønnen er blitt perforert vil behandlingsvæsken strømme inn i denne produserende sone. Når lengden av den perforerte sone eller antallet av perforerte soner øker, blir behandlingen av hele den produk-tive sone eller sonene mer vanskelig. For eksempel vil de lag som har den høyeste permeabilitet sannsynligvis forbruke hoved-delen av en bestemt stimulerende behandling slik at de mindre gjennomtrengelige lag blir så godt som ubehandlet. For å overvinne dette problem er det foreslått å avlede behandlings-

væske fra soner med høy permeabilitet til soner med lav permeabilitet.

Forskjellige teknikker for valgvis behandling av flere soner er blitt foreslått, og det anvendes da pakningsanordninger, ledeplater og kuler, brodannende plugger og kuletetninger.

Pakningsanordninger er blitt benyttet i stor ut-strekning for å skille ut soner som skal behandles. Selv om disse anordninger er effektive er de kostbare å bruke på grunn av det tilhørende arbeidsutstyr man må ha under håndteringen av pakningsanordningen for rørene. Videre vil den mekaniske pålitelighet ha tilbøyelighet til å avta når brønnens dybde øker.

Ved anvendelse av en ledeplate og en kule for å skille soner anvendes det en ledering som passer mellom to skjøter i foringsrøret og ringen har en noe mindre innvendig diameter enn foringsrøret slik at en stor kule eller et legeme som slippes i foringsrøret, vil legge seg på plass på ledeplaten. Etterat kulen ligger på ledeplaten hindrer kulen fluidum i å strømme ned gjennom foringsrøret. En ulempe ved denne fremgangsmåte er en ekstra omkostning som anbringelse av ledeplaten medfører. Hvis dessuten to eller flere ledeplater benyttes vil i den innvendige diameter på den nedre ledeplate være så liten at en standard perforeringsanordning ikke kan benyttes til perforering under den nedre ledeplate.

En broplugg som består hovedsakelig av mellomlegg, en pluggdor og et tetningselement av gummi er også blitt inn-ført i og satt fast i foringsrøret for å isolere den nedre sone mens man behandler den øvre sone. Etter frakturering eller syrebehandling av brønnen blir i alminnelighet pluggen slått ned til brønnboringens bunn med en slaganordning. En vanskelig-het med bropluggmetoden er at pluggen noen ganger ikke tåler de høye trykkforskjeller. Et annet problem med denne omlednings-teknikk er at anbringelse og fjernelse av pluggen kan være temmelig kostbar.

En av de mer populære og meget anvendte omledningsteknikker gjør bruk av kuletetninger. I en typisk fremgangsmåte av denne art blir kuletetninger pumpet ned i brønnen sammen med behandlingsvæske for formasjonen. Kulene bringes da med i brønnens boring og til perforeringene ved hjelp av den væske som strømmer gjennom disse. Kulene kommer i anlegg mot per-foreringen og holdes der av trykkforskjellen over perforeringene.

Selv om omledningsteknikker med kuletetninger har fått utstrakt anvendelse virker kulene ofte ikke effektivt fordi bare en brøkdel av de innførte kuler i virkeligheten kommer i anlegg mot perforeringer. Kuletetninger med en større spesifikk vekt enn behandlingsvæsken vil ofte gi en lav og ubestemmelig virkningsgrad når det gjelder tetning, en virkningsgrad som er sterkt avhengig av forskjellen i spesifikk vekt mellom kuletetningene og væsken, væskens strømningshastig-het gjennom perforeringene og antallet, avstanden mellom og orienteringen av perforeringene. Resultatet er at lukning av det ønskede antall perforeringer på det rette tidspunkt under behandlingen blir meget tilfeldig. Det er også vanskelig å bestemme hvilket perforert intervall av det perforerte foring.s-rør som er lukket med kuler og i mange tilfelle får man stimulering i uønskede deler av formasjonen.

Kuletetninger med en spesifikk vekt som er mindre enn behandlingsvæsken er blitt foreslått for å forbedre virk-ningsgraden når det gjelder tetningen. Ved denne fremgangsmåte blir væske som inneholder lette kuletetninger innført i brønn-boringen med en hastighet slik at væskens hastighet nedad er tilstrekkelig til å utøve en nedadrettet medrivende kraft på kuletetningene som er større enn kuletetningenes oppdriftskraft. Straks kuletetningene har nådd frem til perforeringene vil de komme i anlegg mot disse og tette perforeringene slik at behandlingsvæsken blir omledet til de gjenværende åpne perforeringer. Et problem ved anvendelse av lette kuletetninger er at hvis væskens strømningshastighet nedad i røret er langsom slik tilfellet er med matrisebehandlinger med syre, vil behandlingsvæsken ikke kunne overvinne kuletetningenes oppadrettede oppdriftskraft, og dermed vil kuletetningene kanskje ikke bli transportert frem til perforeringene. Et annet problem er at det noen ganger er vanskelig å bestemme hvilket intervall av formasjonen som vil bli behandlet. Lettvektskuler som bringes med ned i foringsrøret av den tyngre behandlingsvæske vil ofte lukke de øvre perforeringer før lukning av de nedre perforeringer .

Ved foreliggende oppfinnelse er man kommet frem til en forbedret fremgangsmåte til midlertidig begrensning av strømmen av en behandlingsvæske gjennom de nedre perforeringer i foringsrøret i en brønnboring ved innføring av behandlingsvæske gjennom de øvre perforeringer i brønnen. I store trekk går oppfinnelsen ut på at det i foringsrøret i en brønn, som er perforert ved en rekke nivåer, innføres kuletetninger som er beregnet på å lukke minst en av perforeringene i foringsrøret,

et første fluidum med en spesifikk vekt som er større enn kuletetningenes spesifikke vekt og et ytterligere fluidum som har en spesifikk vekt som er mindre enn den spesifikke vekt for kuletetningene. Kuletetningene, det første fluidum eller det annet fludium kan innføres i brønnen samtidig eller i en hvilken som helst rekkefølge. Det første fluidum innføres i brønnen i en mengde som er tilstrekkelig til å fylle den nedre del av brønnen til et nivå mellom de perforeringer som skal forbli åpne og de perforeringer som skal midlertidig begrenses når det gjelder fluidumstrøm. Forskjellen i spesifikk vekt mellom kuletetningene og væsken i brønnen bevirker at kulene forflytter seg til skilleflaten eller overgangssonen mellom det første fluidum og det annet fluidum. Straks kuletetningene kommer under det nivå som skal behandles blir en behandlingsvæske innført i brønnen. Fluidumstrøm gjennom perforeringene under kuletetningene vil bringe kuletetningene mot perforeringene der tet-ningene vil komme i anlegg mot og omlede ytterligere innføring av behandlingsvæske gjennom de øvre perforeringer. Denne prosess kan gjentas for behandling av hvilket som helst antall soner i formasjonen.

I en foretrukken utførelsesform er det første fluidum en vandig saltoppløsning med en spesifikk vekt større enn 1,1 g/cm 3, mens det annet fluidum er. dieselolje med en spesifikk vekt på mindre enn 0,95 g/cm"^ og kuletetningene er laget av en syntaktisk skumkjerne og et polyuretan dekklag med spesifikk vekt mellom omtrent 1,0 g/cm 3 og 1,05 g/cm 3.

Denne oppfinnelse gjør det mulig å anvende lette kuletetninger for å begrense strømmen av behandlingsfluidum gjennom perforeringene i en nedre del av borehullet med 100% virkningsgrad uten innvirkning på innføring av behandlingsfluidum gjennom perforeringer i en øvre del av en brønn. Denne fremgangsmåte byr derfor på betydelige fordeler sammenliknet med tidligere kjente fremgangsmåter som benyttes for omledning av fluider.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk og vil i det følgende bli beskrevet nærmere under henvisning til tegningen som gjengir et snitt gjennom en brønn, der oppfinnelsen anvendes.

Oppfinnelsen kan benyttes i brønnboringer med et foringsrør som strekker seg gjennom en flerhet av hydrokarbon-avgivende lag, formasjoner, soner eller strata. De oljeproduser-ende lag ligger ofte over hverandre og kan være adskilt av ikke-prduktive mellomliggende områder. Når behandlingsfluider inn-føres i en brønn der det er forbindelse til de mange lag eller intervaller, vil det lag som har minst motstand mot behandlingen få sin permeabilitet eller produktivitet økt mens de lag som er mindre mottagelige for behandling ikke får økt hverken sin permeabilitet eller produktivitet. En sone blir derfor behandlet på bekostning av en annen. Foreliggende oppfinnelse er særlig egnet til å øke permeabiliteten eller produktiviteten for et høyereliggende produserende lag ved stimuleringsmetoder, f.eks. ved hydraulisk oppbrytning eller syrebehandling, samtidig med at fluidumstrømmen til et nedre produktivt lag begrenses.

En utførelsesform for oppfinnelsen vil bli beskrevet under henvisning til tegningen som viser en brønn 10 med et foringsrør 12 som strekker seg til bunnen av brønnhullet. Brønnen strekker seg gjennom et øvre hydrokarbonproduserende lag 14

og et nedre hydrokarbonproduserende lag 15. Det antas i dette eksempel at det nedre lag 15 har en større permeabilitet enn det øvre lag 14. Foringsrøret er vist bundet til sidene av borehullet med sement på utsiden for å holde foringsrøret på plass og for å isolere lagene 14 og 15 som brønnen strekker seg gjennom. Sementlaget 13 strekker seg oppad fra bunnen av borehullet til jordens overflate. Laget 14 er i fluidumforbindelse med det indre av foringsrøret 12 gjennom perforeringer 17, og laget 15 har tilsvarende fluidumforbindelse til det indre av foringsrøret gjennom perforeringer 16.

Hydrokarboner fra de produserende lag 14 og 15 flyter gjennom perforeringene 16 og 17 til det indre av forings-røret 13 og blir transportert til overflaten gjennom produk-sjonsrøret 19. En pakningsanordning er anbrakt nær den nedre ende av produksjonsrøret 19 og over laget 14 for å danne en trykktetning mellom produksjonsrøret 19 og foringsrøret 12. Produksjonsrør blir ikke alltid benyttet og i slike tilfelle blir hele det indre volum av foringsrøret " anvendt til trans-port av hydrokarboner til jordoverflaten. Fordi det nedre lag 15 har en høyere permeabilitet enn det øvre lag 14 til at man kan stimulere det øvre lag 15 ved oppbrytning eller syrebehandling er det nødvendig å begrense strømmen av behandlingsfluider inn i det nedre lag 15.

Det første trinn ved isolasjonen av det nedre lag 15 fra det øvre lag 14 i henhold til oppfinnelsen, er at man innfører i brønnboringen et fluidum med større spesifikk vekt enn den spesifikke vekt for kuletetningene. Dette tyngre fluidum, betegnet med 20 på tegningen, pumpes ned i brønnen i en mengde som er tilstrekkelig til å fylle den nedre del av brønnboringen opp til et nivå mellom perforeringene 16 for det nedre lag 15 og perforeringene 17 for det øvre lag 14.

Den tunge væske 20 som benyttes til fylling av den nedre del av brønnen, må ha en spesifikk vekt som er større enn den spesifikke vekt for kuletetningene som innføres i brønnen. Dette er ønskelig for at kuletetningene skal flyte på det tunge fluidum 20 over perforeringene 16. Den spesifikke vekt for fluidet 20 vil naturligvis avhenge av den spesifikke vekt for de kuletetninger som anvendes i brønnen, men fluidet vil normalt ha en minste spesifikk vekt på mer en 1 g/cm 3 og fortrinnsvis en spesifikk vekt på over 1,10 g/cm 3. Enhver væske som har den nødvendige spesifikke vekt og er inert i forhold til kuletetningene kan benyttes ved utførelse av oppfinnelsen. Passende tunge fluider kan innbefatte vandige fluider i form

av en saltoppløsning eller kalsiumbromidoppløsninger og ikke-vandige fluider som f.eks. orto-nitrotoluen, carbondisulfid, dimetylftalat, nitrobenzen og isokinolin.

Etterat det tunge fluidet er innført i forings-røret, innføres et fluidum med en spesifikk vekt som er mindre enn den spesifikke vekt for kuletetningene i foringsrøret.

Dette lette fluidum som er betegnet med 21 på tegningene, vil bli liggende i brønnen over det tunge fluidum og fortrinnsvis fylle brønnen til et nivå nær ved perforeringene 17 for laget 14. Enhver væske som har en spesifikk vekt mindre enn kuletetningenes spesfikke vekt kan benyttes ved utførelse av oppfinnelsen. Hensiktsmessige lette fluider innbefatter hydrokarboner, såsom dieselolje og lette hydrokarbonkondensatorer. Det lette fluidum 21 kan også være det samme fluidum som benyttes til behandling av laget 14 under forutsetning av at behandlingsfluidets spesifikke vekt er mindre enn den spesifikke vekt for kuletetningene .

Etterat det tunge fluidum 20 og det lette

fluidum 21 er innført i brønnen innføres kuletetninger 22 i brønnen, der kuletetningene har en spesifikk vekt som ligger mellom den spesifikke vekt for det tunge fluidum 21 og den spesifikke vekt for det lette fluidum 20. Kuletetningene er utført slik at de har et utvendig belegg som er tilstrekkelig formbart til å tette en perforering som er dannet med stråler og de har også en massiv, stiv kjerne som hindrer kuletetningene i å bli trykket inn i eller gjennom perforeringene. Kulene er omtrent rundé, men også andre geometriske former kan benyttes. På grunn av forskjellen i spesifikk vekt mellom kuletetningene og det lette fluidum 21 vil kuletetningene synke til bunnen av det lette fluidum 21 og flyte på toppen av det tunge fluidum 20.

Etterat kuletetningene 22 er kommet på plass i brønnen mellom lagene 14 og 15 og fortrinnsvis etterat alle kuler flyter på toppen av det tunge fluidum 20, som vist på tegningene, innføres en behandlingsvæske i brønnen for å be-handle formasjonen eller laget 14. Behandlingsvæsken kan være en syre, en vannoppløsning eller en hydrokarbonoppløsning slik at formasjonens permeabilitet eller produktivitet øker ved fysisk knusing eller oppbrytning eller ved reaksjon med et kjemisk middel, f.eks. en syre som virker på materialet i laget. Når behandlingsfluidum innføres, vil enhver fluidumstrøm til laget 15 bevirke at nivået for det tunge fluidum 20 synker. Straks kulene 22 kommer frem til perforeringene 16 vil strømmen av fluidum 21 gjennom perforeringene 16 bringe kuletetninger over mot og i anlegg med perforeringene. Kuletetningene holdes her av trykkforskjellen og derved vil de på en effektiv måte lukke perforeringene 16. Da perforeringene 16 i laget 15 er lukket, vil trykket bygges opp i foringsrøret og behandlingsfluidum passere gjennom perforeringene 17 og inn i laget 14.

Den spesifikke vekt på behandlingsfluidet kan

være lik eller større enn eller mindre enn den spesifikke vekt på kuletetningene. Hvis behandlingsfluidet har en spesifikk vekt som er større enn den spesifikke vekt for kuletetningene kan det lette fluidum 21 ikke være det samme som behandlingsfluidet,fordi det lette fluidum må ha en spesifikk vekt som er mindre enn kuletetningenes spesifikke vekt for å sikre at kulene holdes lavere enn de perforeringer som behandlingsfluidet skal strømme gjennom.

Etterat laget 14 er hensiktsmessig behandlet, av-lastes trykket på brønnhodet, og trykkforskjellen fra formasjonen mot brønnboringen bevirker at kuletetningene frigjøres fra perforeringene 16. Andre lag (ikke vist) kan deretter etter valg behandles i henhold til oppfinnelsen ved å innføre ytterligere tung væske 20 i brønnen slik at kuletetningene flyter til en posisjon over perforeringene i det neste høyere lag som midlertidig skal stenges, og under perforeringene for det neste høyere lag som skal behandles, samtidig med at det innføres ytterligere lett væske for å etterfylle den lette væske som har gått tapt under det forutgående behandlingstrinn, med påfølgende innføring av ytterligere behandlingsvæske til behandling av det neste høyere lag eller eventuelt flere lag som ligger høyere enn kule.tetningene.

Selv om kuletetningene, det tunge fluidum 20 og det lette fluidum 21 i den her beskrevne utførelsesform ble innført i foringsrøret i en bestemt rekkefølge, skal det på-pekes at kuletetningene 22 og fluidene 20 og 21 kan innføres i foringsrøret i en hvilken som helst rekkefølge, og de kan innføres samtidig. I en annen utførelsesform kan tungt fluidum 20 og lett fluidum 21 pumpes inn samtidig mens kuletetningene deretter innføres i foringsrøret ved brønnhodet ved hjelp av en mateanordning eller annen hensiktsmessig innføringsanord-ning.

Kuletetninger som er innført i brønnen i henhold til oppfinnelsen forstyrrer ikke innføring av behandlingsfluider under flertrinns behandling av en formasjon. Kuletetninger som befinner seg i brønnen mellom lagene 14 og 15 vil komme i anlegg mot perforeringer 16 når fluidum strømmer gjennom disse og tetningsvirkningen vil være 100%. Dette betyr at hver enkelt kuletetning vil legge seg an mot og tette en perforering 16 så snart det finnes en perforering 16 som det strømmer fluidum gjennom. Hvis fluidet 21 som har lav spesifikk vekt, strømmer gjennom de nedre perforeringer 16, vil kuletetninger bringes i anlegg. Man vil få en omledning som kan be-stemmes på forhånd fordi antall perforeringer som tettes til av kuletetninger vil være lik det antall kuletetninger som inn-føres i foringsrøret. Det antall kuletetninger som benyttes ved utøvelse av foreliggende oppfinnelse avhenger derfor av det antall perforeringer man ønsker lukke. På grunn av den høye virkningsgrad når det gjelder tetningen, vil et overskudd av kuletetninger normalt være unødvendig.

For å utøve foreliggende oppfinnelse i marken

er det nødvendig å ha kuletetninger med en spesifikk vekt som er mindre enn den spesifikke vekt for det tunge fluidum 20 og en spesifikk vekt som er større enn den spesifikke vekt for det lette fluidum 21, og samtidig skal de ha styrke til å tåle de trykk de blir utsatt for i brønnboringen. Det er ikke uvanlig at trykket ved brønnens bunn overstiger 700 kg/cm 3 og til og med 1000 kg/cm 2 under behandling av brønnen. Hvis en kuletetning ikke tåler disse trykk vil de falle sammen, hvorved den spesifikke vekt for kuletetningene øker til en verdi som lett overstiger den spesifikke vekt for fluidet 21.

Det tunge fluidum 20 vil i alminnelighet ha en spesifikk vekt på minst 1,0 g/cm<3> og det lette fluidum 21 vil stort sett ha en spesifikk vekt som er mindre enn omtrent 0,8 g/cm<3>. Den spesifikke vekt på kuletetningene må derfor ligge i området mellom 0,8 til 1,1 g/cm 3.

Man vil se at foreliggende oppfinnelse har en rekke fordeler sammenliknet med metoder som hittil er benyttet til behandling og stimulering av flere soner. Med fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen kan en hvilken som helst sone behandles med en hvilken som helst ønsket mengde behandlingsfluidum med omtrent intet tap i virkning på grunn av at fluidum går tapt i perforeringer under den sone som skal behandles. Fordelene ved foreliggende oppfinnelse sammenliknet med fremgangsmåter som tidligere er benyttet for å hindre bestemte lag i å oppta innførte fluider, er blant annet enkelheten siden det ikke er behov for noe kostbart utstyr til utførelse av fremgangsmåten, og fleksibiliteten siden forandringer i det nivå der innføring av behandlingsvæske skal foretas kan gjøres hurtig og billig.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte til selektiv behandling av en formasjon rundt en brønn (10) som er forsynt med foringsrør (12), der det finnes i det minste to vertikalt adskilte rekker perforeringer (16, 17) der det benyttes tetningskuler (22) med en størrelse som er tilstrekkelig til å tette de nedre perforeringer (16), mens de øvre perforeringer (17) holdes åpne for fluidumstrømning, karakterisert ved at':det i brønnen (10) innføres et første fluidum (20) med en spesifikk vekt som er større enn den spesifikke vekt av tetningskulene (22) i en mengde som er tilstrekkelig til at det øvre nivå av fluidet ligger mellom de øvre (17) og nedre (16) perforeringer, hvoretter det i brønnen (10) innføres et andre fluidum (21) med en spesifikk vekt som er mindre enn den spesifikke vekt for tetningskulene og, etter at tetningskulene (22) kommer under de øvre perforeringer (17), hvoretter det innføres et behandlingsfluidum i brønnen for å skape eti strøm av det annet fluidum (21) gjennom de nedre perforeringer (16), hvorved tetningskulene (22) føres til anlegg og tetning mot de nedre perforeringer (16), hvorved det skapes en strøm av behandlingsfluidum gjennom de øvre perforeringer (17).

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det som det første fluidum anvendes en vandig væske.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det som det annet fluidum anvendes en hydrokarbonvæske.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det som behandlingsfluidum anvendes et oppbrytende fluiddum.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakter i-sert ved at det som behandlingsfluidum anvendes en sur oppløsning.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det første fluidum, det annet fluidum og behandlingsfluidet innføres samtidig.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det første fluidum innføres etter at det annet fluidum og behandlingsfluidet er innført.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det annet fluidum innføres før det første fluidum og behandlingsfluidet.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det som det annet fluidum anvendes det samme fluidum som behandlingsfluidet.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det som det annet fluidum anvendes et fluidum som har en spesifikk vekt mindre enn den spesifikke vekt for behandlingsfluidet.

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 , karakterisert ved at så godt som alle tetningskuler som er inn-ført i brønnen bringes til å flyte hovedsaklig på toppen av det første fluidum og til å synke mot bunnen av det annet fluidum før behandlingsfluidet innføres i foringsrøret.

12. Fremgangsmåte som angitt i krav T, karakterisert ved at innføringen av behandlingsfluidet i foringsrøret stanses og at det innføres i brønnen ytterligere fluidum med en spesifikk vekt som er større enn den spesifikke vekt for tetningskulene i en mengde som er tilstrekkelig til at tetningskulene flyter opp til et nivå mellom de neste øvre perforeringer og de øvre perforeringer med tilførsel av ytterligere fluidum med en spesifikk vekt som er mindre enn den spesifikke vekt for tetningskulene, hvoretter det inn-føres behandlingsfluidum gjennom de nevnte neste øvre perforeringer.