NO172907B - Fremgangsmaate for analyse av fluidums-innstroemning i oljebroenner - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for dynamisk analyse av fluiduminnstrømning i en hydrokarbon-brønn under boring. Når man under boring av en brønn etter å ha passert gjennom et ugjennomtrengelig lag, når en permeabel formasjon som inneholder et væske- eller gassformig fluidum under trykk, har dette fluidet en tendens til å strømme inn i brønnen hvis søylen med borefluidum, kjent som boreslam, i brønnen ikke er i stand til å balansere trykket av fluidet i nevnte formasjon. Fluidet skyver slammet oppover. Dette kalles en f luiduminnstrømning eller et "kick". Et slikt, fenomen er ustabilt: Ettersom fluidet fra formasjonen erstatter slammet i brønnen, avtar den midlere densiteten til mottrykk-søylen i brønnen og ubalansen blir større. Hvis det ikke tas forholdsregler løper fenomenet løpsk og leder til en utblåsning.

Denne innstrømningen av fluidum blir i de fleste tilfeller detektert tidlig nok til å forhindre at en utblåsning finner sted, og det første skritt som tas er å stenge brønnen ved overflaten ved hjelp av en sikkerhetsventil mot utblåsning.

Straks denne ventilen er lukket er brønnen under kontroll. Brønnen trenger så å bli blåst ren for formasjonsfluidum, og slammet må så veies for å muliggjøre fortsatt boring uten fare. Hvis formasjonsfluidet som har trengt inn i brønnen er en væske (f.eks. saltvann eller hydrokarboner), oppviser sirkulasjonen av dette fluidet ingen særlige problemer, siden fluidet knapt øker i volum under oppstigningen til overflaten, og derfor forblir det hydrostatiske trykk som utøves av boreslammet ved bunnen av brønnen mer eller mindre konstant. Hvis derimot formasjonsfluidet er gassformig, utvider det seg ved oppstigning og dette skaper et problem ved at det hydrostatiske trykk gradvis avtar. For å unngå at nye innstrømninger av formasjonsfluidum innføres under "sirkulasjon" av innstrømningen, med andre ord mens gassen stiger til overflaten, må et trykk som er større enn formasjonstrykket opprettholdes ved bunnen av brønnen. For å gjøre dette må brønnens ringformede rom, dvs. rommet mellom borestrengen og brønnveggen, holdes ved et trykk som er slik at bunntrykket er ved den ønskede verdi. Det er derfor meget viktig for boreoperatøren å vite så tidlig som mulig under sirkulasjon av innstrømningen, om et farlig uhell skal til å inntreffe, slik som en ny innstrømning av fluidum eller begynnende slamtap som skyldes oppsprekking av formasjonen.

De midler til analyse og kontroll som er tilgjengelig for boreoperatøren, omfatter slamnivået i slamtanken, slaminjeksjons-trykket i brønnrørene og overflatetrykket til brønnens ringformede rom.

Disse tre data tillater operatøren å beregne volumet og beskaffenheten av innstrømningen, og også formasjonstrykket.

Det er på grunnlag av denne informasjon han bestemmer programmet for sirkulasjon av innstrømningen.

Tolkning av dataene medfører likevel visse problemer. For det første er vurderingen av innstrømningsvolumet, som er viktig for å bestemme beskaffenheten av innstrømningen, unøyaktig. Denne blir i virkeligheten foretatt ved å sammenligne slamnivået.i tanken med et "normalt" nivå, dvs. det nivå som ville intreffe ved fravær av innstrømningen. Men denne referansen er vanskelig å bestemme: på den ene side endres slamnivået konstant under boring fordi en del av slammet blir kastet ut med borekuttet; på den annen side stiger slamnivået i slamgropen når brønnen er lukket fordi returledningene for slammet tømmes. Anslaget over innstrømningsvolumet er derfor tilnærmet. Resultatet er at bestemmelse av beskaffenheten av innstrømningen også er usikker. Beregning av innstrømnings-densiteten fører derfor ofte til den konklusjon at innstrømningen er en blanding av gass og væske (olje eller vann), mens den i virkeligheten kan være bare en gass eller bare en væske. Det skal også bemerkes at denne beregningen ikke kan foretas når innstrømningen er i en horisontal del av brønnen.

Av alle disse grunner blir innstrømningsanalyse ikke

ansett som en pålitelig teknikk idag.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte for å analysere innstrømninger i en oljebrønn, som er uten de ovennevnte ulemper. Ifølge denne fremgangsmåten blir et system, fortrinnsvis automatisk, for innsamling og behandling av data som leveres av sensorer på en borerigg, brukt til å forbedre innstrømningsanalysen. Generelt foreslås det å bruke de data som leveres av boreslammets transiente strømnings-tilstander til å anslå beskaffenheten av fluidene i brønnens ringformede rom. Den forreslåtte fremgangsmåte kan anvendes uansett den aktuelle brønnens avvik fra vertikalretningen.

Mer nøyaktig angår foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte til å analysere en fluiduminnstrømning eller fluiduminnstrøm-ninger i en brønn fra en undergrunnsformasjon, hvor det blir tatt målinger av de suksessive verdier av minst en første parameter som vedrører strømningshastigheten Qj_ eller trykket Pj_ for innføring av boreslam i brønnen, og de suksessive verdier av minst en annen parameter som vedrører strømnings-hastigheten Qr eller trykket pr av det boreslam som tilbakeføres til overflaten. De skiftende verdier av den første parameter blir sammenlignet med de skiftende verdier av den annen parameter, og fra denne sammenligningen blir det bestemt en verdi som er en funksjon av kompressibiliteten X til fluidene i brønnen.

Kjennetegnene og fordelene ved oppfinnelsen vil fremgå klarere av følgende beskrivelse under henvisning til de vedføyde tegninger av et ikke begrensende eksempel på ovennevnte fremgangsmåte, hvor: Fig. 1 i form av et skjema viser boreslam-kretsen i en brønn under regulering av en innstrømning. Fig. 2 viser et skjema over den hydrauliske kretsen i en brønn under regulering av en gassinnstrømning. Fig. 3 viser et eksempel på trykk- og strømningshastighets-kurver som en funksjon av tiden, observert under tester i en eksperimentbrønn. Fig. 1 viser slamkretsen i en brønn under en regulerings-operasjon ved innstrømning av formasjonsfluidum. Borkronen 2 er festet til enden av en borestreng 3. Slamkretsen omfatter en tank 4 som inneholder boreslam 5, pumpe 6 som suger slam fra tanken 4 gjennom et rør 7 og fører det inn i brønnen 1 gjennom et stivt rør 8 og en fleksibel slange 9 som er forbundet med den rørformede borestrengen 3 via en svivel 17. Slammet unnslipper fra borestrengen når det når borkronen 2 og tilbake-føres opp gjennom brønnen gjennom det ringformede rom 10 mellom borestrengen og brønnveggen. Ved normal drift strømmer boreslammet gjennom en sikkerhetsventil 12 mot utblåsning som

er åpen. Slammet strømmer inn i slamtanken 4 gjennom en ledning 24, og gjennom en vibrerende sikt som ikke er vist på tegningen, for å skille borekuttet fra slammet. Når en fluiduminnstrømning detekteres, blir ventilen 12 lukket. Når slammet har vendt tilbake til overflaten, strømmer det gjennom en strupeventil 13 og en avgassingsanordning 14 som skiller gassen fra væsken. Boreslammet vender så tilbake til tanken 4 gjennom en ledning 15. Slaminnstrømnings-hastigheten Qj_ blir målt ved hjelp av en strømningsmåler 16, og slamdensiteten blir målt ved hjelp av en sensor 21, idet begge disse er innsatt i ledningen 8. Injeksjonstrykket pj_ blir målt ved hjelp av en sensor 18 på det stive røret 8. Returtrykket dr blir målt ved hjelp av en sensor 19 som er innsatt mellom sikkerhetsventilen 12 og strupeventilen 13. Slamnivået n i tanken 4 blir målt ved hjelp av en nivåføler 20 som er innsatt i tanken 4.

Signalene Qj_, dm, <p>j_, pr og n som genereres på denne

måten, blir levert til en behandlingsanordning 22 hvor de blir behandlet under dynamisk analyse av en innstrømning som antydet i det foregående. Man kan imidlertid legge merke til at for å utnytte foreliggende oppfinnelse er det tilstrekkelig å måle pr eller Qr på den ene side og Qj_ eller p-^ på den annen.

Figur 2 representerer i forenklet form den hydrauliske kretsen i en brønn når operatøren forbereder seg på å sirkulere de formasjonsfluider som har kommet inn i brønnen. Umiddelbart etter detektering'av en innstrømning blir pumpene koblet ut og sikkhetsventilen 12 og strupeventilen 13 blir lukket. Brønnen blir dermed isolert. Boreoperatøren måler så trykket p-j_ i rørene ved hjelp av sensoren 8 og trykket pr i det ringformede rommet ved hjelp av sensoren 19 mellom brønnhodet og regulerings-strupeventilen 13.

For å belyse forklaringen av fremgangsmåten vil der bli antatt her at det ringformede rommets tverrsnitt har et X ..nstant areal A fra bunnen til toppen av brønnen. Men fremgangsmåten kan brukes selv om dette tverrsnittet ikke har et konstant areal.

I en første tilnærmelse kan det antas at innstrømningen er en enkelt f ase-plugg 40 med densitet dj_ og høyde h som befinner seg ved bunnen av brønnen ved dybde L . Volumet Vj_ av denne innstrømningen kan anslås ved økningen i nivået n av slammet i tanken 4 i forbindelse med innføringen av formasjonsfluidet i brønnen. La L være brønnens totale dybde, med andre ord differansen i høyde mellom sensoren 19 og borkronen 2. La oss anta at innstrømningen er fordelt gjennom slammet over en avstand h , som vist på figur 2. Verdien av h blir beregnet på følgende måte:

Densiteten dj_ av innstrømningen blir så beregnet ved hjelp av følgende formel:

hvor dm er densiteten av slammet i det øyeblikk innstrømningen detekteres, og f er brønnens vinkelawik fra vertikalen ved den dybde man møter innstrømningen. Denne beregningen gjør det mulig å bestemme den type fluidum som har kommet inn i brønnen. Ettersom det estimatet av V-j_ som man får ved å observere slamnivået i tanken 4, imidlertid er beheftet med feil, er det i praksis vanskelig å bruke denne fremgangsmåten til å bestemme beskaffenheten av innstrømningen.

Det er derfor fordelaktig å fremskaffe mer informasjon om situasjonen i det ringformede rommet. I den foreliggende . oppfinnelse blir det foreslått en dynamisk metode i motsetning til den metode som er beskrevet ovenfor og som kan beskrives som statisk ved at den er basert på data som er stabile over tid.

Hvis pumpen 6 blir startet for å sirkulere innstrømningen, stiger overflatetrykket i ringrommet fordi overtrykk vanligvis tilføres ved bunnen av brønnen for å forhindre eventuelle nye innstrømninger. På grunn av kompressibiliteten til de fluider som befinner seg i borerørene og i det ringformede rommet, er der en forsinkelse mellom økningen av strømningshastigheten ved pumpene og økningen av trykket i systemet. En del av slammet som innføres, trykker i virkeligheten sammen brønnen under det transiente trinn ved pumpestart. Under denne perioden etableres det en transient tilstand. Injeksjonshastigheten Qj_ og returhastigheten Qr er forskjellige, Qr øker eller avtar langsommere med en viss forsinkelse i forhold til eventuell variasjon i Qj_ . Det samme er tilfellet for variasjoner i returtrykket pr i forhold til variasjoner i injeksjonstrykket Pj_ . På figur 1 er Q-^ boreslam-hastigheten målt av sensoren 16 som er anbragt på røret 8, og Qr er slamstrømningshastig-heten gjennom strupeventilen 13.

I en stabil tilstand er:

På grunn av at volumet til det slam som befinner seg i ringrommet er betydelig større enn det som befinner seg i borerørene, kan trykkforsinkelsesvirkningen i ringrommet anses i hovedsak å skyldes slamvolumet i ringrommet, og rørvolumet kan man se bort fra. Transientene kan da beskrives ved hjelp av følgende uttrykk:

hvor Va er det totale volum av ringrommet, Xa er kompressibiliteten av ringrommet, og dpr er variasjonen i returtrykket pr som inntreffer i løpet av tidsperioden dt. Qr blir vanligvis ikke målt direkte i systemet som beskrevet på figur 1. Men den fremgangsmåten som beskrives her, kan anvendes enda lettere hvis en slik måling ble foretatt.■ Mellom Qr og trykket pr som måles av sensoren 19, er det et forhold av typen hvor k^ er en koeffisient som karakteriserer strupeventilen når den har en gitt åpning. Hvis derfor verdiene av Qj_ og pr blir registrert av behandlingssystemet 22 under en hastighets-endring, er det mulig å bestemme verdiene av produktet av XaVa og strupeventil-konstanten k^ ved hjelp av følgende differen-sialligning som er oppnådd ved å kombinere ligning (2) og (3):

De to ukjente XaVa og k^ kan bestemmes f.eks. ved å anvende minste kvadraters metode eller en annen kjent glatte-metode. Et anvendelseseksempel er beskrevet nedenfor under henvisning til figur 3 og datatabell I. Det skal bemerkes at ligning (4) nå inneholder bare én ukjent, XaVa , hvis utgangshastigheten Qr blir målt. Som et eksempel kan ligning (4) skrives på følgende måte: eller som

hvor verdiene av Q-j_ og pr blir målt som en funksjon av tiden t. Man vil legge merke til at ligning (6) er av formen y = ax + b, som er ligningen for en rett linje. De suksessive verdier av y og x blir beregnet fra de målte verdier av Q-j_ og pr , og helningen a = XaVa av den rette linjen og dens skjæringstid b = l/Vk^ blir bestemt. Dette gir verdiene av XaVa og kd.

Hvis ringrommet er delvis fylt med et volum Vg av gass hvis kompressibilitet er Xg , og hvis kompressibiliteten av boreslammet er Xj-, , oppnås følgende ligning:

Ved normale boreforhold er kompressibiliteten av gass meget høy sammenlignet med kompressibiliteten av slam. Hvis en brøkdel av ringrommet er fylt med gass, gjelder derfor Forsinkelsen i trykkendringen pr som observeres ved strupeventilen i forhold til variasjonene i pumpehastigheten, er svært følsom for nærvær av gass i ringrommet. Kompressibiliteten av gass er i en første tilnærmelse, det inverse av gassens trykk:

hvor Pg er middeltrykket av gassen i ringrommet. Hvis gassen har trengt inn i ringrommet under en innstrømning, er største-delen av gassen ved bunntrykket, som kan anslås på klassisk måte ved å måle overflatetrykket i rørene etter lukking av sikkerhetsventilen mot utblåsing. Hvis XaVa = XgVg, kan gassvolumet Vg derfor anslås siden verdien av XaVa er kjent fra ligning (4) og verdien av Xg fra ligning (9). Dette er nyttig, for det første for å bekrefte (eller avkrefte) anslaget over gassinnstrømnings-volumet som er foretatt ut fra stigningen av slamnivået i tanken 4. Det kan endog vise seg uunnværlig hvis veggen er horisontal, siden det da er umulig å bruke forskjeller i hydrostatisk trykk til å anslå beskaffenheten av innstrømningen.

Ifølge én utførelsesform består fremgangsmåten derfor i å sirkulere slammet langsomt gjennom strupeventilen 13 og samtidig registrere det trykk pr som avleses av sensoren 19 og den hastighet Qj_ som avleses av sensor 16 under den transiente perioden. Disse data blir så tolket, og verdiene av XaVa og k^ blir beregnet. Volumet Va av ringrommet er kjent, og dette gjør det mulig å anslå en midlere kompressibilitet Xa for de fluider som befinner seg i ringrommet. Hvis den oppnådde verdi er høy sammenlignet med en forutbestemt verdi, som kan være kompressibiliteten Xm av slammet hvis denne verdien er kjent, eller alternativt verdien av Xa som tidligere er bestemt ved hjelp av den samme metode, men ved fravær av gass (under en kalibreringsoperasjon for eksempel), kan det sluttes at fluidet som ankommer fra formasjonen, er en gass. Straks nærværet av gass er blitt bekreftet, kan dens volum anslås.

Det skal bemerkes at hvis det er vanskelig av driftsmessige grunner å sirkulere slammet gjennom strupeventilen 13 for å studere trykktransientene ved denne ventilen, er det også mulig ifølge en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen, å måle. trykkøkningen ved strupeventilen 13 ved hjelp av føleren 19 når et kjent volum blir pumpet inn i ringrommet, med andre ord når brønnen blir satt under trykk ved noen få slag av pumpen 6. Denne økning i slamvolum dv muliggjør også beregning av XaVa fra ligningen dv =<X>a<V>a d<p>r, hvor dpr er trykkvariasjonen ved strupeventilen 13.

Figur 3 illustrerer den foreslåtte fremgangsmåte innenfor rammen av foreliggende oppfinnele. De data som er plottet på figur 3, ble oppnådd fra forsøk utført under regulerte forhold hvor en kjent gassmengde ble injisert ved bunnen av en prøve-brønn. Trykkforsinkelsen pr med en endring av hastigheten Qj_ kan ses på registreringen på figur 3, som er tatt som en funksjon av tiden t. Denne figuren viser også variasjoner i utgangshastigheten Qr og injeksjonstrykket Pj_. Man vil legge merke til at verdiene av Qr også endres med en viss forsinkelse sammenlignet med verdiene av Qj_ eller pj_ . Tabell I gir verdiene av Qj_ (i cm-^/s) og pr (i bar) målt og vist på

figur 3 som en funksjon av tiden t og de tilsvarende beregnede verdier y og x i ligning (6) med:

Ved hjelp av disse verdiene er følgende verdier blitt bestemt: kd = 0,512 g/cm<7>, XaVa = 0,00294cm<4> s<2>/g og Vg = 859 liter ved gasstrykk pg = 283 bar.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte for analyse av fluiduminnstrømning eller innstrømninger i en brønn fra en undergrunnsformasjon, hvor suksessive verdier av minst én første parameter som vedrører strømningshastigheten Q^ eller trykket pj_ til boreslam-injeksjonen i brønnen, og suksessive verdier av minst én annen parameter som vedrører strømningshastigheten Qr eller trykket pr av boreslam-returen til overflaten, blir målt, karakterisert ved at det foretas en sammenligning mellom de skiftende verdier av den første parameter og de skiftende verdier av den annen parameter, og at det fra denne sammenligningen blir bestemt en verdi som er en funksjon av kompressibiliteten X til fluidene i brønnen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den verdi som er en funksjon av kompressibiliteten X til fluidene i brønnen, er lik produktet XaVa hvor Va er volumet av ringrommet og Xa er kompressibiliteten av fluidene i ringrommet.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at forekomst av gass i ringrommet blir bestemt ved å sammenligne verdien av Xa med en forutbestemt verdi, ved at trykket pg av gassen blir bestemt og også dens kompressibilitet Xg, som hovedsakelig er lik 1/Pg > og gassvolumet Vg som er tilstede i ringrommet, blir bestemt av ligningen: XaVa = XgVg.

4. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den skiftende injeksjons-hastighet Qj_ blir sammenlignet med skiftende returtrykk pr.

5. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at en variasjon påføres injeksjonshastigheten Qj_ for å skape en transient strømnings-tilstand av boreslammet i brønnen.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, hvor brønnens sikkerhetsventil mot utblåsning blir lukket og sirkulasjon av boreslam i brønnen blir stanset når en fluiduminnstrømning detekteres i ringrommet, karakterisert ved at sirkulasjon av slammet blir gjenopptatt ved overflaten gjennom en strupeventil som har til virkning å skape en transient strømningstilstand, idet suksessive verdier av returtrykket pr til slammet og injeksjonshastigheten Qj_ blir målt under den transiente tilstand, og verdien av kompressibiliteten Xa til fluidet i ringrommet blir bestemt og sammenlignet med en forutbestemt verdi for å oppnå beskaffenheten av det fluidum som har trengt inn i ringrommet.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved. at verdien av en koeffisient kd som kjennetegner strupeventilen, blir bestemt.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at de suksessive verdier av returhastigheten Qr , blir målt.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 5, hvor sikkerhetsventilen mot utblåsning blir lukket og sirkulasjon av boreslammet i brønnen blir stanset når en fluiduminnstrømning er blitt detektert i ringrommet, karakterisert ved at et ytterligere bestemt volum av boreslam blir injisert i brønnen for å sette slammet under trykk, noe som har til virkning å skape en transient tilstand i brønnen, idet suksessive verdier av slamretur-trykket pr under den transiente tilstand blir målt, og verdien av kompressibiliteten Xa til fluidet i ringrommet blir bestemt og sammenlignet med en forutbestemt verdi for å anslå beskaffenheten av det fluidum som har trengt inn i ringrommet.