NO154735B - Fremgangsmaate ved konsolidering av de deler av en permeabel fluidumholdig undergrunnsformasjon som omgir en broenn. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en fremgangmåte ved konsolidering av de deler av en permeabel fluidumholdig undergrunnsfor-mas jon som omgir en brønn som trenger ned gjennom formasjonen, ved hvilken det føres et konsolideringsmiddel omfattende en siliciumhalogenidforbindelse over et vannskikt som adhererer til de vannfuktede vegger av porerommet i formasjonsdelene, idet det i vannskiktet foreligger en syre.

Undergrunnsformasjoner inneholdende fluida, såsom hydrocarbonfluida (olje og/eller gass) eller vann, som ut-vinnes via brønner som trenger ned gjennom slike formasjoner, omfatter ofte lag av ukonsoliderte eller ufullstendig konsoliderte formasjonskorn. Slike korn (i det følgende også om-talt som sand eller sandpartikler) vil bli revet vekk fra lagene av fluidumstrømmer som passerer gjennom lagene til brønnen, og har tendens til å tilstoppe fluidumpassasjene i brønnen og/eller overflateutstyret som kommuniserer med brønnen. Rørsystemet i brønnen kan sågar bli lokalt skadet som følge av erosjonsvirkningen av den sand som fraktes med fluidumstrømmene og treffer rørveggene.

Mange metoder for konsolidering av slike sandavgivende formasjoner er allerede blitt foreslått, og flere av disse har vist seg brukbare i praksis. De konsolideringsmidler som er blitt benyttet ved disse metoder, er av mange forskjellige typer, såsom diverse typer harpiksmaterialer, vannglass-materialer, aluminiumoxyd-sementeringsmaterialer og silicium-halogenidf orbindelser.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører som nevnt en fremgangsmåte ved konsolidering av den type hvor der - som i og for seg kjent - benyttes siliciumhalogenidforbindelser som konsolideringsmiddel. Disse forbindelser har vist seg å være lette å håndtere på feltet. Ved hjelp av en enkel innsprøytningsteknikk kan siliciumhalogenidforbindelsen i gassform eller væskeform blåses eller sprøytes ned i brønnen og inn i formasjonsdelene som skal behandles. Det er av av-gjørende betydning at vann er tilstede rundt kontaktpunktene mellom tilstøtende sandkorn i formasjonsdelene i hvilke siliciumhalogenforbindelsen injiseres. Den følgende reaksjon vil da finne sted:

og det amorfe siliciumdioxyd som dannes ved denne reaksjon, vil binde formasjonskornene sammen, hvorved formasjonsdelenes trykkfasthet økes. Som det vil forståes, bør det bare være relativt små mengder vann tilstede i formasjonsdelene for at de konsoliderte formasjonsdeler skal kunne bibeholde en til-strekkelig permeabilitet.

En formasjonskonsoliderende behandling ved hvilken en siliciumhalogenidforbindelse i væskefase føres gjennom formasjonsdelene som skal behandles, er beskrevet i U.S. patentskrift nr. 3 055 426. En behandling hvor siliciumhalogenid-konsolideringsmidlet føres gjennom formasjonen i gassfase, er beskrevet i britisk patentskrift nr. 1 536 209.

Som allerede nevnt ovenfor, er det av avgjørende betydning at vann er tilstede rundt kontaktpunktene mellom til-støtende sandpartikler i formasjoner som skal konsolideres ved hjelp av en siliciumhalogenidforbindelse. I de formasjoner hvor overflaten av sandpartiklene er fuktet med olje, er det nødvendig å foreta en forbehandling for å bevirke at overflaten av sandpartiklene preferensielt blir fuktet med vann. En slik behandling er beskrevet i U.S. patentskrift nr. 3 055 426. Endringen i fuktbarhet oppnås ved behandling av kornenes overflate med et for formålet egnet overflate-aktivt middel.

Flertallet av undergrunnsformasjoner som skal behandles for konsolideringsformål, har imidlertid vannfuktbare vegger i porerommet og kan følgelig direkte underkastes en behandling med et siliciumhalogenidkonsolideringsmiddel. Slike formasjoner vil enten inneholde vann som adhererer til porerommets vegger, eller de kan lett fuktes ved innsprøytning av vann via brønnen eller borehullet, slik at vannet trenger inn i formasjonsdelene som skal konsolideres. Når en overdreven mengde vann er tilstede i porerommet i en slik formasjon, kan dette føre til en uønsket reduksjon av permeabiliteten etter konsolideringen. Før konsolideringsmidlet injiseres, bør derfor overskuddet av vann fortrenges fra formasjonsdelene som skal konsolideres, ved injisering av tørr gass gjennom porerommet

(når det dreier seg om en gassholdig formasjon) eller ved injisering av en ikke-polar væske gjennom denne (når det dreier seg om en væskeholdig formasjon). Volumet av det vann-fortrengende fluidum må velges slik at det blir tilbake en til-strekkelig mengde vann på porerommets vegger for konsolideringsformål, uten at det oppstår noen uønsket reduksjon av permeabiliteten.

Anvendelsen av siliciumhalogenidforbindelser som konsolideringsmiddel er spesielt fordelaktig fordi den ikke krever noen forbehandling av formasjonen for å fjerne alt vann fra porerommet i formasjonsdelene som skal behandles, slik det kreves ved nesten alle andre konsolideringsopera-sjoner. Ved disse sistnevnte operasjoner vil tilstedeværelsen av en vannfilm på overflaten av formasjonspartiklene hindre konsolideringsmidlet i å bindes til overflaten av formasjonspartiklene, hvilket fører til svak konsolidering. Fjerning av vann fra overflaten av vannfuktede formasjonspartikler er en kostbar operasjon som i praksis har vist seg vanskelig å utføre med den nødvendige grad av effektivitet, og det er derfor forståelig at det finnes tillokkende å anvende et konsolideringsmiddel som reagerer med vann som er tilstede rundt kontaktpunktene mellom tilstøtende.sandkorn. Et slikt middel kan anbringes i formasjonen ved en enkel operasjon som kan ut-føres til relativt lave omkostninger.

En inngående undersøkelse av prøver tatt fra en vann-fuktet formasjon som var behandlet med en gassformig blanding av siliciumtetraklorid og nitrogen, avslørte at - selv om kornene i prøvene var bundet sammen med siliciumholdig sement (SiC^) - var det behov for å øke prøvens trykkfasthet. Konsoliderte formasjonsdeler med høy trykkfasthet rundt produk-sjonsbrønner er ønskelig når brønnen skal produsere fluidum under betingelser med stor belastning, da sandkorn fra svakt konsoliderte formasjonsdeler under slike betingelser har tendens til å skilles ut fra formasjonen og forårsake pro-blemer i brønnen og/eller i overflateutstyret som kommuniserer med brønnen.

Med den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes det

nu en fremgangsmåte som omfatter de innledningsvis angitte i og for seg kjente trekk og som utmerker seg ved at i det minste de deler av porerommets vegger som befinner seg nær brønnen, underkastes en forbehandling som omfatter injisering i formasjonen av en syredannende siliciumhalogenidforbindelse i en vektmengde som er mellom 1/5 og 1/500 av den vektmengde i hvilken siliciumhalogenidforbindelsen injiseres under konsolideringstrinnet.

I henhold til en fordelaktig utførelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen injiseres siliciumhalogenidforbindelsen i brønnen ved hjelp av et bærerfluidum med en forhåndsbestemt, hovedsakelig konstant konsentrasjon under forbe-handlings trinnet og konsoliderings trinnet. I henhold til en annen fordelaktig utførelsesform av fremgangsmåten injiseres siliciumhalogenforbindelsen i brønnen ved hjelp av et bærerfluidum, idet det benyttes en hovedsakelig konstant strømnings-hastighet av blandingen av siliciumhalogenidforbindelse og bærerfluidum pr. tidsenhet under forbehandlingstrinnet og likeledes under konsolideringstrinnet. Fortrinnsvis innbefatter konsolideringsmidlet s iliciumtetraklorid.

For å forklare fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen mer detaljert skal der nu, i illustrasjonsøyemed, beskrives fem eksperimenter og et forsøk på feltet. For enkelhets skyld er samtlige eksperimenter basert på den følgende standardbehandling.

Standardbehandling

Et glassrør av diameter 36 mm og lengde 12, cm ble fylt med sand fra South West Ampa-feltet i staten Brunei. Sandpartiklene hadde dimensjoner i området fra 200/,um til mindre enn 2^um. Sanden var erholdt fra de sandfiltere som fjernet sanden fra gassen produsert på South West Ampa-feltet.

Før sanden ble fylt på røret ble sandpartiklene fuktet ved at vann fra springen ble jevnt fordelt over sandens overflate i en mengde av 5 vekt% av sanden.

Sandmassen i røret ble så konsolidert ved at der ble ledet en gassformig blanding av SiCl4 og N2 (24 vekt% SiCl4 og 76 vekt% N2) gjennom sandmassen med en hastighet' av 6 l/min (idet hastigheten ble beregnet over det uhindrede indre tverr-snittsareal av røret).

Sandmassen ble behandlet med fortynnet SiCl^ i 10 minutter, hvoretter røret ble knust og den konsoliderte sandmasse kuttet på tvers i fem like store seksjoner på 3,6 cm. Sek-sjonene ble nummerert fortløpende 1-5, idet man startet ved rørets injeksjonsside, og prøvenes styrke ble deretter bestemt ved hjelp av en måler for bestemmelse av Brinell-hårdhetstallet. Utstyr for måling av Brinell-hårdhetstallet (BHN = Brinell Hardness Number) er blitt beskrevet av A. C. van der Vlis i et skrift "Rock classification by a simple hardness test" som ble lagt frem på Second Congress of the International Society of Rock Mechanics (september 19 70).

Hårdhetsverdiene som er oppført i tabell A, ble målt

som et resultat av ovennevnte standardbehandling utført ved en temperatur på 293 K og et trykk på 1 bar. Resultater som var stort sett lik resultatene oppført i tabell A, ble også oppnådd da standardbehandlingen ble utført ved 373 K og 150 bar.

Eksperiment 1

Ved dette eksperiment ble der før injiseringen av blandingen av SiCl4 og N2 (bestående av 24 vekt% SiCl4 og 76 vekt% N2) i henhold til standardbehandlingen foretatt en forbehandling av sandmassen. Ved denne forbehandling ble en gassformig blanding av SiCl4 og N2, bestående av 0,24 vekt% SiCl4 og 99,76 vekt% N2, ledet gjennom sandmassen i 25 minutter med en strømningshastighet på 6 l/min. Den injiserte mengde SiCl^ under denne forbehandling er således 1/100 av den injiserte mengde SiCl^ under konsolideringstrinnet utført i henhold til standardbehandlingen.

Brinell-hårdheten (se tabell 1) som ble målt etter at eksperiment 1 var avsluttet, viste en betydelig økning i trykkfastheten av de forskjellige deler av sandmassen sammen-lignet med resultatene ifølge tabell A.

Økningen av Brinell-hårdhetsverdiene som ble oppnådd som følge av forbehandlingstrinnet forut for konsolideringstrinnet, ble antatt å skyldes virkningen på kornoverflåtene av den saltsyre som ble dannet da SiCl^ reagerte med vannet som var tilstede på sandkornene. Da SiCl^-gassen ble injisert i en meget liten mengde under forbehandlingen, kunne hele mengden av SiCl^ i løpet av forbehandlingstiden reagere med vannet som adhererte til de sandkorn som var tilstede ved formasjonens inntaksside. HCl-dampen som ble utviklet ved denne reaksjon, ble av nitrogengassen fordelt over porerommet mellom sandkornene som skulle konsolideres, og ble oppløst i vannet som adhererte til disse sandkorn, hvorved overflaten av disse korn ble rengjort og overflaten ble omdannet til en basis til hvilken det under den påfølgende konsoliderings-reaksjon dannede amorfe siliciumdioxyd kunne adherere godt, slik at sandpartiklene ble bundet sammen til en masse med høy trykkfasthet.

For å kontrollere den ovenstående teori, basert på rense-virkningen som utøves av den HC1 som utvikles under forbehandlingen, ble det følgende eksperiment utført.

Eksperiment 2

I dette eksperiment ble saltsyrens innvirkning på trykkfastheten av konsoliderte sandmasser undersøkt. I eksperi-mentet ble det forut for konsolideringstrinnet ifølge standardbehandlingen foretatt en forbehandling med en vandig, 15 vekt%'s oppløsning av HC1. Oppløsningen ble ledet gjennom den ved standardbehandlingen anvendte sandmasse, hvorved det tilførte vann fra springen ble fortrengt fra sandpartiklenes overflate. Deretter ble nitrogengass ledet gjennom sandmassen for å fortrenge størstedelen av oppløsningen, inntil en mengde oppløsning svarende til 5 vekt% av sandmassen var tilbake på kornenes overflate. Deretter ble standardbehandlingen utført. Resultatene av Brinell-hårdhetstesten er opp-ført i tabell 2.

Dette eksperiment ble utført ved omgivelsenes betingelser.

Inntakssiden av seksjon 1 fra eksperiment 2 viste seg å ha en Brinell-hårdhetsverdi som var større enn den verdi som ble funnet på tilsvarende sted i sandmassen ved eksperiment 1, og som var hovedsakelig lik Brinell-hårdhetsverdien målt i den andre ende av seksjon 1 ved eksperiment 2.

Da inntakssiden av seksjon 1 i eksperiment 1 ikke var blitt brakt i kontakt med HC1, slik inntakssiden av seksjon 1 i eksperiment 2 var det, kan det konkluderes med at det er forbehandlingen med HC1 som forbedrer kvaliteten av konsolideringen .

Eksperiment 3

I eksperiment 1 ble sandkornene forbehandlet med saltsyre (utviklet ved reaksjonen mellom siliciumtetraklorid og vann som var tilstede på sandkornene) i 2 5 minutter. Deretter ble sanden konsolidert ved hjelp av standardbehandlingen. For bedre å kunne bestemme den tid som kreves for forbehandling av sanden ble en rekke eksperimenter av samme type som eksperiment 1 utført, idet man varierte tidsrommet i hvilket sandkornene var utsatt for den syre som ble utviklet gjennom reaksjonen mellom SiCl^ og vann. Dette ble oppnådd ved å lede den gassformige forbehandlingsblanding av SiCl^ og N2 (hhv. 0,24 vekt% og 99,76 vekt%) gjennom sandmassen med en hastighet av 6 l/min i tidsrom av varierende varighet, hvoretter standardbehandlingen ble foretatt. Resultatene er oppført i tabell 3.

(1) BHN-verdien er gitt som et gjennomsnitt av BHN-verdiene for de fem seksjoner i hvilke sandmassen ble oppkuttet etter konsolideringen (2) Eksperimentene ble utført under omgivelsenes betingelser.

Det vil sees at ingen forbedring av styrken kan registreres for behandlingstider opptil 8 minutter. Ved behandlingstider fra 8 minutter til 13 minutter skjer der en hurtig forbedring av styrken. Behandlingstider utover 13 minutter ga ikke i dette tilfelle ytterligere forbedrede resultater.

Eksperiment 4

Prosedyren ifølge eksperiment 3 ble gjentatt, men nu i lukket beholder ved 373 K og 150 bar, istedenfor som tidligere angitt ved omgivelsenes betingelser. Resultatene er oppført i tabell 4.

Den tid det tar for den utviklede saltsyre å innvirke på sanden, slik at optimale resultater oppnåes, er mindre enn 5 minutter under disse betingelser med forhøyet temperatur og trykk og er vesentlig redusert i forhold til den tid som kreves for å oppnå optimale resultater ved omgivelsenes temperatur og trykk, slik betingelsene var ved eksperiment 3.

Eksperiment 5

Dette eksperiment ble utført med sandmassen, slik denne ble benyttet ved standardbehandlingen. I dette eksperiment var imidlertid olje tilstede i sandmassens porerom istedenfor gass, og oljen ble fortrengt med kondensat (som er en hydrocarbonblanding med tilsvarende flyktighet som bensin). Da sandkornenes overflate var vannfuktbare, ble en film av vann i en mengde svarende til 5 vekt% av sandmassen tilbake på kornenes overflate. Kondensatet ble så fjernet fra porerommet med et volum nitrogengass før forbehandlingen med syre ble utført. Ved forbehandlingen ble gassformig saltsyre an-vendt, og denne syre ble ført gjennom sandmassens porerom ved hjelp av en inert gass (såsom nitrogen) som ble tilført i en mengde av 6 l/min, beregnet på glassrørets innvendige tverr-snittsareal. Deretter ble blandingen av siliciumtetraklorid og nitrogen ført gjennom sandmassen som beskrevet under rede-gjørelsen for standardbehandlingen, og til slutt ble de følg-ende Brinell-hårdhetsverdier målt (se tabell 5) .

Dette eksperiment ble utført under omgivelsenes betingelser.

Ved tidligere anvendelser på feltet av konsoliderings-prosesser hvor der benyttes siliciumtetraklorid som med en nitrogen-bærergass fraktes ned til en gassproduserende formasjon, har det vært vanlig praksis å konsolidere formasjonen hurtig ved injisering av siliciumtetrakloridet med en hastighet av 10 l/min. Ytelsen av den således behandlede brønn under produksjon viste imidlertid at sanden ikke var blitt optimalt konsolidert, slik man skulle ha forventet ut fra resultatene oppnådd gjennom simulerte laboratorieeksperimente

For å forbedre konsolideringsbehandlingen ble fremgangs måten ifølge oppfinnelsen benyttet ved den følgende test ut-ført ute på feltet.

Forsøk på feltet

Under forsøket som ble utført ute på feltet, ble det foretatt en forbehandling av formasjonsdelene som skulle konsolideres. Ved forbehandlingen ble siliciumtetraklorid injisert i 30 minutter med en lav hastighet på

0,25 x 10 nm /min, blandet med en bærergass (bestående av nitrogen) som ble injisert med en hastighet av 13,4 nm /min Blandingen av SiCl^ og N2 inneholdt 2,2 vekt% SiCl^. Den la-1 hastighet med hvilken siliciumtetrakloridet ble injisert,

tillot siliciumtetrakloridet å reagere med det stedbundne va: som var tilstede i formasjonens porerom, hvorved det ble utviklet HC1 som oppløstes i vannet som heftet til sandkornene

formasjonsdelene som skulle konsolideres.

Etter forbehandlingen ble en gassformig blanding av siliciumklorid og nitrogen injisert med en øket hastighet,

-3 3 3

nemlig 0,7 x 10 nm /min SiCl4 og 26,8 nm /min N2-Blandingen inneholdt 24 vekt% SiCl4. Konsolideringstiden var 150 minutter, mens forbehandlingen varte i 30 minutter. Den påfølgende produksjonsperiode viste at ingen svak konsolider-ingssone var tilstede ved borehullet.

Som sammenfatning er det å si at oppfinnelsen er rettet på en forbehandling av porerommet i en formasjon med syre i gass- eller væskeform for å øke bindingsstyrken av det siliciumdioxyd som utvikles under konsolideringen av formasjonen, når en siliciumhalogenforbindelse føres gjennom formasjonen i gass- eller væskeform. Syren kan injiseres direkte i formasjonen, eller den kan utvikles i formasjonen, såsom ved langsom injisering av en siliciumhalogenforbindelse som ut-vikler saltsyre.

Foruten saltsyre, som ble benyttet i eksperiment 2 for forbehandling av formasjonsdelene som skulle konsolideres, kan også andre syrer, såsom svovelsyre, flussyre, maursyre, sitronsyre, fosforsyre, osv., eller blandinger av slike (enten i gassform sammen med én eller flere bærergasser eller i væskeform oppløst i en bærervæske) anvendes under oppnåelse av resultater som er sammenlignbare med resultatene oppnådd med saltsyre. Bruk av HC1 vil imidlertid foretrekkes i de fleste tilfeller ut fra hensynet til omkostninger og lett-tilgjengelig-het av syren. Når HC1 oppløses i vann som bærer, kan mengder mellom 1 vekt% og 40 vekt% HC1 benyttes.

Det er å merke at ethvert fluidum (gass eller væske) som benyttes for å frakte siliciumhalogenforbindelsen inn i formasjonen, må være "tørt", hvilket vil si at det ikke bør inneholde mer vann enn den mengde som kan reagere med 10 vekti av

den injiserte siliciumhalogenforbindelse. Videre må ethvert overskudd av vann i porerommet i formasjonsdelene som skal behandles, fjernes ved at der ledes en gass med lavt vanndamp-innhold eller en ikke-polar væske (såsom et kondensat bestående av en hydrocarbonblanding med samme innhold av flyktige kompon-

enter som bensin) gjennom formasjonen. Dersom mengden av van i porerommet er utilstrekkelig for konsolideringsformål,

føres en gass inneholdende en tåke av vannpartikler gjennom formasjonen. Alternativt kan en porsjon vann føres gjennom formasjonen før der gjennom denne ledes en gass med lavt vann dampinnhold eller en ikke-polar væske (såsom et kondensat).

Avmålte mengder inerte fluida kan ledes gjennom form

sjonens porerom mellom suksessive porsjoner behandlings-

fluidumer (deri innbefattet fluida for regulering av vann-

innholdet i porerommet).

Dersom syren ikke ville være forlikelig med den påfølg-

ende konsolideringsprosess, må syren fjernes før konsolider-

ingsmidlet injiseres, ved hjelp av et spylefluidum egnet for fortrengning av syren.

Foruten siliciumtetrakloridet, som ble benyttet ved

standardbehandlingen, i eksperimentene og ved forsøket ute på

feltet, kan også andre siliciumhalogenforbindelser benyttes med like gode resultater, såsom f.eks. siliciumhexaklorid,

siliciumoctaklorid og siliciumfluorid.

Siliciumhalogenforbindelsen kan injiseres i en hvilken

helst konsentrasjon som egner seg for formålet. Vektforholde mellom de injiserte mengder av siliciumtetrakloridet under ko solideringsbehandlingen og forbehandlingen er mellom 5:1 og 500:1.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte ved konsolidering av de deler av en permeabel fluidumholdig undergrunnsformasjon som omgir en brønn som trenger ned gjennom formasjonen, ved hvilken det føres et konsolideringsmiddel omfattende en siliciumhaloge-

nidf orbindelse over et vannskikt som adhererer til de vann- fuktede vegger av porerommet i formasjonsdelene, idet det i vannskiktet foreligger en syre,karakterisert ved at i det minste de deler, av porerommets vegger som befinner seg nær brønnen, under- kastes en forbehandling som omfatter injisering i forma- sjonen av en syredannende siliciumhalogenidforbindelse i en vektmengde som er mellom 1/5 og 1/500 av den vektmengde i hvilken siliciumhalogenidforbindelsen injiseres under konsoliderings trinnet .

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at siliciumhalogenidforbindelsen injiseres i brønnen ved hjelp av et bærerfluidum med en forhåndsbestemt, hovedsakelig konstant konsentrasjon under forbehandlingstrinnet og konsolideringstrinnet.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at siliciumhalogenforbindelsen injiseres i brønnen ved hjelp av et bærerfluidum, idet det benyttes en hovedsakelig konstant strømningshastighet av blandingen av siliciumhalogenidforbindelse og bærerfluidum pr. tidenhet under forbehandlingstrinnet og likeledes under konsolideringstrinnet.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1-3, karakterisert ved at konsolideringsmidlet innbefatter siliciumtetraklorid.