NO310693B1 - Lösmasseplugg for plugging av en brönn - Google Patents

Description

Oppfinnelsens område

Oppfinnelsen angår en løsmasseplugg for plugging av en brønn, eksempelvis en brønn relatert til utvinning av hydrokarboner, i forbindelse med permanent eller midlertidig oppgivelse av brønnen. Løsmassepluggen er innrettet til i sin bruksstilling i brønnen å hindre/redusere gjennomstrømning av formasjonsfluider til overflaten via brønnen, idet et formasjonsfluid omfatter både væsker og gasser i grunnformasjonen.

Kjent teknikk

I forbindelse med permanent eller midlertidig oppgivelse av en brønn utføres pluggingen hovedsakelig ved at brønnens pro-duksjonsrør, øvre deler av foringsrør og annet overflødig brønnutstyr fjernes i den grad dette er mulig og hensiktsmessig. Samtidig med og/eller forut for pluggingen plasseres én eller flere mekaniske plugger, eventuelt kombinert med én eller flere sementplugger, i brønnen. Pluggene plasseres vanligvis innenfor noen få brønnintervaller, og hvor disse ut-gjør bare en liten del av det totale brønnvolum. På tilsvarende måte, eksempelvis i produksjonssammenheng, kan det være hensiktsmessig å isolere én bergartssone fra en annen sone ved hjelp av plugging. Pluggingen utføres for å forhindre at eventuelle underjordiske fluider, deriblant hydrokarboner, skal lekke ut til overflaten, eventuelt lekke frem til en annen bergartssone i brønnen, og skape uønskede og eventuelt farlige situasjoner.

Patentpublikasjonen US 5,657,822 omtaler dessuten plugging av en brønn ved hjelp av en plugg tildannet av bentonitt, som er et leirmineral, eventuelt ved hjelp av en plugg bestående av vekselvise lag med bentonitt og porøst, permeabelt og vannholdig partikulært materiale, eksempelvis sand og/eller grus. Ved tilførsel av vann oppviser bentonitt en ekstrem evne til å ta opp vann og svelle. For å unngå for tidlig kontakt med vann, slik at bentonitten begynner å svelle før den er anbrakt som en strømningshindrende plugg i sin bruksstilling i brønnen, plasseres derfor bentonitten fortrinnsvis i en egnet kapsel, eksempelvis en pappkapsel, før den føres inn i brøn-nen. Derved reduseres bentonittens kontakt med vann midlertidig. Etter å ha anbrakt et egnet antall slike bentonittfylte pappkapsler i bruksstillingen i brønnen, og etter at bentonitt og pappkapsler i denne forbindelse er brakt i kontakt med vann, sveller bentonitten og sprenger i stykker de omgivende kapsler, hvoretter bentonitten fortsetter å svelle ut til den omgivende brønnvegg og, til slutt, danner en plugg med svært liten permeabilitet og som, ifølge publikasjonen, bevirker en effektiv forsegling av brønnen. Derved hindres formasjonsfluider i å strømme ut av brønnen, eventuelt mellom forskjellige formasjonslag i brønnen. Dersom man i stedet for en slik massiv bentonittplugg anvender vekselvise lag bestående av bentonitt og nevnte vannholdige, porøse og partikulære materiale til å plugge brønnen, har de partikulære lag primært som funksjon å inneholde vann som kan strømme til tilstøtende bentonittlag, slik at bentonitten tilføres vann og ikke dehydrerer og krymper, idet en eventuell dehydrering og krymping kan føre til at bentonitten mister sin forseglende virkning i brønnen. En slik brønnplugg utgjøres derved av vekselvise lag bestående av strømningshindrende lag (bentonitt) og strømningsfremmende lag (partikulært, porøst og vannholdig materiale). Basert på den i US 5,657,822 beskrevne oppfinnelse, kan man konkludere med at en slik benonittplugg egner seg best til å plugge landbaserte brønner som er mindre enn tusen fot dype, det vil si mindre enn 300-400 m dype, i forhold til undergrunnens overflate. Bentonitt, som utgjør de strømningshindrende lag i brønnen, er dessuten et leirmineral som har en partikkelstørrelse med en gjennomsnittlig diameter

< 1/256 mm (< 0,004 mm), hvilket skiller seg vesentlig fra

partikkelsammensetningen til løsmassepluggen ifølge den foreliggende oppfinnelse, jfr. den nedenstående beskrivelse av oppfinnelsen.

I en ytterligere patentpublikasjon, US 5,417,285, omtaler man i tillegg en kort og fortrinnsvis lite permeabel løsmasse-plugg som anvendes i forbindelse med et skille eller en hind-ring i en brønn. Typisk utgjøres dette skille/hindring av en mekanisk plugg, eksempelvis en oppblåsbar pakning eller en såkalt broplugg. Løsmassepluggens lengde i brønnen er i publikasjonen oppgitt til å kunne være eksempelvis 12 tommer, ca. 30 cm, lang. Nevnte løsmasseplugg anbringes i brønnen i en posisjon umiddelbart overliggende nevnte skille/hindring, og hvor denne pluggkonstellasjon anbringes i en hensiktsmessig posisjon i brønnen med det formål å forsegle et første område av brønnen, eksempelvis et første sjikt i grunnformasjon, fra et andre område av brønnen, eksempelvis et andre sjikt i grunnformasjon. Deretter utgjør løsmassepluggen, sammen med nevnte skille/hindring, en fast, lastbærende, kraft-overførende og tilnærmet fluid-impermeabel plugg som bevirker nevnte forsegling i brønnen. I denne bruksstilling er løsmas-sepluggen derved i stand til å kunne ta opp hele eller deler av en i brønnen nedoverrettet kraft, eksempelvis en fluidtrykkraft, og å overføre hele eller deler av denne kraft til brønnveggen i stedet for å overføre denne kraft til det underliggende skille/hindring, eksempelvis en broplugg. En slik nedoverrettet kraft utøves eksempelvis i forbindelse med sti-mulering, deriblant fluidoppsprekking, av minst ett formasjonssjikt lag i det område av brønnen som ligger over skil-let/hindringen, men hvor man samtidig ikke ønsker å overføre nevnte kraft til formasjonssjikt underliggende skillet/hind-ringen. Ved slike stimuleringsoperasjoner, og hvor det ikke anvendes en kort løsmasseplugg, vil man som skille/hindring eksempelvis kunne anvende en høytrykksklassifisert oppblåsbar pakning eller broplugg som er i stand til å tåle de aktuelle stimuleringsbelastninger, eksempelvis et fluidtrykk tilstrekkelig stort til å sprekke opp en overliggende bergart. I det alternative tilfelle, hvor det anbringes en kort løsmasse-plugg umiddelbart overliggende skillet/hindringen, vil man som skille/hindring eksempelvis kunne anvende en lavtrykks-klassifisert oppblåsbar pakning eller broplugg som, i forhold til en høytrykksklassifisert pakning eller broplugg, er vesentlig billigere å bruke. En slik kort løsmasseplugg er dessuten enkel å tildanne samt å oppløse/fjerne i brønnen, slik at man raskt og effektivt kan utføre brønnstimulerings-eller brønnoverhalingsoperasjoner av et formasjonssjikt eller område av brønnen. En slik kort løsmasseplugg er således innrettet til i en brønn å kunne anvendes midlertidig til stimu-lerings- eller brønnoverhalingsoperasjoner i en brønn, og pluggens holdbarhet over tid, i motsetning til den foreliggende oppfinnelse, er derfor av underordnet betydning.

Ulemper med kjent teknikk

Konvensjonell teknikk for plugging av brønner er vanligvis arbeids- og tidkrevende, og derfor svært kostbar, spesielt når pluggingen utføres under vann. Mye av arbeidet er relatert til forberedelser før plugging, slik som bl.a. kutting og fjerning av nedihulls foringsrør og produksjonsrør. Kvali-teten på dette forarbeidet har stor innvirkning på hvor effektivt man klarer å plassere mekaniske plugger og/eller sementplugger i brønnen, og for hvor godt pluggene holder tett i ettertid. Etter plassering i brønnen, utsettes metall(ene) i mekaniske plugger og i gjenværende foringsrør for korrosjon. Dette vil, innen overskuelig tid, føre til at mange an-vendte metallers godstykkelse reduseres ved at de smuldrer bort, eventuelt ved at de ved de rådende fysiske belastninger sprekker, slik at lekkasjer oppstår. Eventuelle forskyvninger i jordskorpen kan også skade mekaniske plugger og sementplugger ved at disse deformeres og eventuelt sprekker opp. Slike plugger mangler også evnen til å forme seg etter omgivelsene og derved å opprettholde sin strømningshindrende funksjon i brønnen.

En artikkel i Oljedirektoratets tidsskrift Sokkelspeilet, nr. 2, 1999, side 12-13, omtaler ovennevnte fare for brønn-lekkasjer ved jordskorpeforskyvninger, og hvor Oljedirektoratet er opptatt av at brønnsikringen skal ha en tilstrekkelig holdbarhet som, i prinsipp, er et evighetsperspektiv.

Selv om Oljedirektoratet i prinsippet ønsker et evighetsperspektiv på holdbarheten av brønnsikringen, er det i praksis allikevel rimelig å anta at brønnplugger aldri er helt tette for all tid. Et annet praktisk spørsmål angår hva som anses for å være tilstrekkelig brønnsikring.

Bentonittpluggen ifølge US 5,657,822 forutsetter at det til-føres tilstrekkelige mengder vann for at pluggen i bruksstillingen skal kunne bevirke en effektiv forsegling av brønnen. Eventuell tilførsel av for mye vann fører til at bentonitten sveller inntil en metningstilstand hvor bentonitten løser seg opp i en velling (leirvann) som er uegnet til å plugge brøn-nen med. Det er også en viktig forutsetning at bentonitten i ettertid ikke tørker ut og krymper, eventuelt sprekker, slik at den derved mister sin forseglende virkning i sitt borehull. Ved anbringelse forutsettes det derfor at man nøye av-passer den i brønnen anbrakte bentonittmengde til det bore-hullsvolum som bentonittpluggen skal forsegle, og at bentonitten samtidig bringes i kontakt med tilstrekkelige mengder vann for å kunne bevirke den ønskede svellingsgrad. På grunn av sin lille partikkelstørrelse er leirpartikler, i dette tilfelle bentonitt, lite egnet til å kunne anbringes i en brønn på en effektiv måte, og særdeles til å kunne anbringes i dype brønner, eksempelvis brønner dypere enn 1000 m under jordas overflate. For at det skal være mulig å plassere en slik plugg i en brønn, bør derfor bentonitten ved sin anbringelse i brønnen eksempelvis være innrettet i aggregat-form, eksempelvis i form av bentonittknoller, eller bentonitten/bentonittknollene kan anbringes i en beholder, eksempelvis en pappkapsel. Ovennevnte egenskaper ved bentonitt medfører derfor en rekke anvendelsesbegrensninger som i praksis kan være vanskelige, og kanskje umulige, å overkomme, og som eventuelt fører til en uakseptabel tids- og kostnadsramme for å anbringe bentonittpluggen i brønnen.

Den i US 5,417,285 beskrevne og korte løsmassplugg omhandler, som nevnt, et virkemiddel som, sammen med eksempelvis en oppblåsbar pakning eller en broplugg, anvendes for midlertidig å trykkisolere ett område i en brønn fra et annet område av den samme brønn. Denne midlertidige trykkisolasjon foretas i den hensikt å utøve en nedoverrettet kraft på den nevnte pluggkonstellasjon i forbindelse med at det utføres en brønn-stimulerings- eller brønnoverhalingsoperasjon av et formasjonssjikt eller område av brønnen. I en slik sammenheng ut-gjør pluggkonstellasjonen for så vidt ingen ulempe. Derimot, og i motsetning til løsmassepluggen ifølge den foreliggende oppfinnelse, er pluggkonstellasjonen ikke egnet til å trykkisolere hele brønnen, eventuelt essensielle partier av brøn-nen, fra en oppoverrettet fluidtrykkraft forårsaket av trykk-satte formasjonsfluider som gjennom brønnen vil kunne søke å strømme opp gjennom brønnen og eventuelt helt ut til brønnens overflateomgivelser. En slik midlertidig trykk- og strøm-ningshindrende pluggkonstellasjon er heller ikke holdbar over lang tid, hvilket løsmassepluggen ifølge den foreliggende oppfinnelse er, og nevnte pluggkonstellasjon er derved ikke egnet til å anvendes som en plugg ved oppgivelse av en brønn.

Formålene med oppfinnelsen

Ett formål med den foreliggende oppfinnelse er å skaffe til veie et pluggmateriale som er slik innrettet at det er egnet til å plugge en brønn i forbindelse med permanent eller midlertidig oppgivelse av brønnen, idet pluggen hindrer/redu-serer utilsiktet gjennomstrømning av formasjonsfluider i brønnen. Ytterligere formål med oppfinnelsen er å tilveie-bringe en brønnplugg som, i forhold til kjente brønnplugger, er vesentlig billigere å anskaffe og å anvende, og som er vesentlig enklere å anbringe i brønnen, og som i ettertid bevirker en vesentlig mer fleksibel og holdbar tetning av brøn-nen.

Hvordan formålene oppnås

Formålene er, slik det fremgår av karakteristikken i de foreliggende selvstendige og uselvstendige patentkrav, realisert ved at en fortrinnsvis dårlig sortert løsmasse som utgjøres av naturlig forekommende og/eller syntetisk fremstilt granulært materiale, eksempelvis grus, sand, silt eller leire, eventuelt en egnet blanding av disse, og eventuelt tilsvarende materiale suspendert i en egnet væske, heretter benevnt som et bærefluid, plasseres hensiktsmessig i brønnen, eventuelt også i eller rundt brønnens gjenværende foringsrør, pro-duksjonsrør, eventuelt annet gjenværende utstyr, i hele eller deler av brønnen.

Prinsippet som utnyttes i den foreliggende oppfinnelse er kjent fra bl.a. naturlige sedimentologiske prosesser, og prinsippet anvendes og utnyttes bl.a. i forskjellig anleggsvirksomhet, eksempelvis til å bygge opp kjernen i demninger og diker. Det nye som denne oppfinnelse tilveiebringer, er at prinsippet videreføres i form av en løsmasse som er slik innrettet at den kan anbringes i en brønn i den hensikt å plugge brønnen permanent eller midlertidig, hvilket er vesentlig forskjellig fra den kjente teknikk som anvendes for å plugge en brønn. Anvendelse av fremgangsmåten forutsetter også at det oppnås aksept for at en sammenpakket løsmasse med liten permeabilitet kan danne en tilstrekkelig tett brønnplugg.

Som nevnt, kan løsmassen eksempelvis bestå av en dårlig sortert blanding av grus, sand, silt og leire, idet en slik løs-masseblanding vanligvis oppviser en svært dårlig gjennom-strømbarhet (svært liten permeabilitet). Sortering er bl.a. en målestokk på graden av variasjon, eller variasjonsbredde, av forskjellige partikkelstørrelser i massen. Sorteringsbe-grepet sier også noe om mengdefordelingen av disse partikkel-størrelser i massen, noe som kan beskrives statistisk ved hjelp av en fordelingskurve for løsmassepartiklene, eksempelvis en normalfordelingskurve eller en kumulativ fordelings-funksjon for partiklene. Innenfor bygg- og anleggsvirksomhet, deriblant innenfor geoteknikk, er det derimot vanlig at man ut fra praktiske hensyn anvender sikteanalyser og siktekurver til å beskrive en løsmasses partikkelfordeling, idet løsmas-sen vanligvis består av forskjellige kategorier av partikkel-størrelser, og hvor man i denne sammenheng oppgir hver par-tikkelstørrelsekategori som en prosentvis vektandeler av løsmassens totalvekt. Dette skiller seg fra ovennevnte statistiske angivelser av en løsmasses sortering, i hvilke angivelser hver enkelt partikkel i løsmassen utgjør en statistisk enhet. Med utgangspunkt i vektbaserte målinger av en løsmas-ses partikkelfordeling, eksempelvis målinger representert ved en sikteanalyse/siktekurve, er det imidlertid kjent å anvende fremgangsmåter, anordninger og empiriske relasjoner til å an-slå det antall statistiske enheter som omfattes innenfor hver partikkelstørrelsekategori i en løsmasse, slik at løsmassens partikkelfordeling (sortering) kan beskrives ved hjelp av statistiske begreper.

Omtale av slike sorteringsbegreper, samt anordninger og fremgangsmåter til å fastslå en løsmasses partikkelsortering, er bl.a. omtalt av H. Blatt, G. Middleton og R. Murray i boken

"Origin of Sedimentary Rocks", kapittel 3 "Sedimentary Textu-res", s. 43-89, Second Edition, Prentice-Hall Inc., 1980; og av E. Ehlers og H. Blatt i boken "Petrology - Igneous, Sedimentary and Metamorphic", kapittel 13 "Sandstones and Conglo-merates", s. 324-329, W. H. Freeman & Co., 1982.

I de nevnte bokreferanser omtales bl.a. den såkalte Udden-Wentworth partikkelstørrelseskala, i hvilken skala partikler klassifiseres i størrelsekategorier med basis i den enkelte

partikkels gjennomsnittlige partikkeldiameter angitt i milli-meter (mm), og hvor hver kategori omfatter partikler med diametere innenfor ett bestemt størrelsesomfang (kategoriens variasjonsbredde). Blant de Udden-Wentworth partikkelstørrelse-kategorier som fortrinnsvis anvendes i forbindelse med den

foreliggende oppfinnelse, er fortrinnsvis:

veldig grov sand: 1-2 mm,

grov sand: 1/2-1 mm (0,5-1 mm),

medium sand: 1/4-1/2 mm (0,25-0,5 mm),

fin sand: 1/8-1/4 mm (0,125-025 mm),

veldig fin sand: 1/16-1/8 mm (0,062-0,125 mm),

grov silt: 1/32-1/16 mm (0,031-0,062 mm),

medium silt: 1/64-1/32 mm (0,016-0,031 mm),

fin silt: 1/128-1/64 mm (0,008-0,016 mm),

veldig fin silt: 1/256-1/64 mm (0,004-0,008 mm), og leirpartikler: < 1/256 mm (< 0,004 mm).

Den variasjonsbredde i partikkelstørrelser som hver partik-kelstørrelsekategori i Udden-Wentworth skalaen representerer, kan omregnes og angis i såkalte ( f)-verdier, idet: ( f) <=> - log2 d ; hvor 'd' - gjennomsnittlig partikkeldiameter (mm). Variasjonsbredden i hver enkelt Udden-Wentworth partikkel-størrelsekategori kan derved uttrykkes ved (^-verdier i en motsvarende skala, en såkalt Krumbein phi ( <f>) skala, som er mer anvendelig til statistisk bearbeiding av en løsmasses partikkelfordeling. De ovennevnte Udden-Wentworth partikkel-størrelsekategorier som fortrinnsvis anvendes i forbindelse med den foreliggende oppfinnelse, kan derfor uttrykkes i motsvarende og absolutte ø-verdier:

veldig grov sand (ø-verdi mellom -1 og 0),

grov sand (ø-verdi mellom 0 og 1),

medium sand (<£-verdi mellom 1 og 2),

fin sand (<£-verdi mellom 2 og 3),

veldig fin sand (ø-verdi mellom 3 og 4),

grov silt (</)-verdi mellom 4 og 5),

medium silt (ø-verdi mellom 5 og 6),

fin silt (<£-verdi mellom 6 og 7),

veldig fin silt (ø-verdi mellom 7 og 8), og leirpartikler (ø-verdi > 8).

Hver partikkelstørrelsekategori på Krumbein cf> skalaen har derved en relativ spennvidde på 1 <f>.

En løsmasses fordeling av partikkelstørrelser (sortering) angis vanligvis som den variasjonsbredde (uttrykt i ø-verdier) som omfatter omtrent 2/3, eller ca. 68%, av alle partikler i løsmassen. Statistisk utgjør variasjonsbredden to ganger løs-massens standardavvik, hvilket omfatter de partikler i løs-massen beliggende innenfor +/- ett standardavvik av løsmas-sens statistiske middelverdi. Standardavviket er derfor en vanlig akseptert målestokk på sorteringen av et sediment eller en løsmasse.

I den etterfølgende tabell, og med henvisning til Ehlers og Blatt, angis en løsmasses sorteringsgrad på grunnlag av nevnte standardavvik uttrykt i relative (^-verdier:

Ifølge denne tabell vil derfor ca. 68% av partiklene (variasjonsbredden) i eksempelvis en dårlig sortert løsmasse være satt sammen av partikler innenfor et standardavvik på mellom +/- 0,7 </> og +/- 2,0 4> fra løsmassens statistiske middelverdi. I en dårlig sortert løsmasse med en absolutt statistisk middelverdi på eksempelvis 1,0 ( f> og et standardavvik på eksempelvis +/- 0,8 ( f> (1,0 4> +/- 0,8 <f>), vil ca. 68% av partiklene bestå av partikkelstørrelser mellom 0,2 ( f> og 1,8 <f> -

på den absolutte Krumbein <f> skala (tilsvarer partikler med

diametere mellom 0,87 mm og 0,28 mm på Udden-Wentworth skalaen), hvilket betyr at ca. 68% av partiklene i denne løsmasse er satt sammen av partikler fra de to partikkelstørrelsekate-gorier grov sand og medium sand. De øvrige ca. 32% av partiklene i løsmassen utgjøres derved av partikkelstørrelser beliggende utenfor løsmassens variasjonsbredde, det vil si av partikkelstørrelser < 0,2 <p (> 0,87 mm) og/eller fortrinns-

vis av partikkelstørrelser > 1,8 <f> (< 0,28 mm), idet de sistnevnte partikkelstørrelser er godt egnet til å fylle porer mellom de større partikkelstørrelser i løsmassen, noe som bevirker en ytterligere reduksjon av løsmassens permeabilitet, og hvor liten permeabilitet er en nødvendig forutsetning for at løsmassen skal kunne anvendes som en trykk- og strøm-ningshindrende plugg i en brønn.

I et annet eksempel er en dårlig sortert løsmasse innrettet med en statistisk fordeling på 1,5 4> +/- 1*9 0/ slik at ca. 68% av partiklene derved består av partikkelstørrelser mellom -0,4 cf> og 3,4 cf) på den absolutte Krumbein cf) skala (tilsvarer partikler med diametere mellom 1,32 mm og 0,09 mm på Udden-Wentworth skalaen), hvilket betyr at ca. 68% av partiklene i denne løsmasse er satt sammen av partikler fra de fem partikkelstørrelsekategorier veldig grov sand, grov sand, medium sand, fin sand og veldig fin sand. I forhold til den foregående dårlig sorterte løsmasseblanding, oppviser den sistnevnte løsmasse en vesentlig større spredning i partik-kelstørrelser, hvilket vanligvis fører til at porene mellom partiklene fylles ytterligere og at løsmassens permeabilitet derved reduseres ytterligere.

En moderat sortert løsmasse, derimot, kan ha en statistisk fordeling på eksempelvis 1,5 <j> +/- 0,6 (/>, slik at ca. 68% av partiklene består av partikkelstørrelser mellom 0,9 <p og 2,1 <fi på den absolutte Krumbein <p skala (tilsvarer partikler med diametere mellom 0,53 mm og 0,23 mm på Udden-Wentworth skalaen), hvilket betyr at ca. 68% av partiklene i denne løs-masse er satt sammen av partikler fra de tre partikkelstør-relsekategorier grov sand, medium sand og fin sand. I forhold til en dårligere sortert løsmasse, bevirker en slik sammensetning av partikler vanligvis at løsmassens permeabilitet øker, og en moderat sortert løsmasse skulle derfor være mindre gunstig som pluggemateriale enn de to foregående eksempler av en løsmasse. Derimot avhenger løsmassens permeabilitet ikke bare av løsmassens sorteringsgrad, men den avhenger også av løsmassens statistiske middelverdi. En moderat sortert men finkornet løsmasse kan derved også oppvise en liten permeabilitet.

Som et siste eksempel, kan en veldig godt sortert løsmasse ha en statistisk fordeling på eksempelvis 3,5 <fi +/- 0,2 </>, slik at ca. 68% av partiklene består av partikkelstørrelser mellom 3,3 <fi og 3,7 <p P& den absolutte Krumbein <p skala (tilsvarer partikler med diametere mellom 0,10 mm og 0,08 mm på Udden-Wentworth skalaen), hvilket betyr at ca. 68% av partiklene i denne løsmasse er satt sammen av partikler fra kun én partik-kelstørrelsekategori, nemlig kategorien veldig fin sand. I de fleste tilfeller vil en veldig godt sortert løsmasse være bå-de svært porøs og ofte svært permeabel. Dersom løsmassen derimot settes sammen av tilstrekkelig finkornede partikler, slik som løsmassesammensetningen i dette eksemplet, vil også en slik løsmasse, i likhet med den foregående og moderat sorterte løsmasse, kunne oppvise en liten permeabilitet. Derimot kan løsmasser som i det vesentlige utgjøres av slike finkor- - nede partikler være problematiske å anbringe samt eventuelt å sedimentere ut innenfor en akseptabel tids- og kostnadsramme i en brønn. I de fleste tilfeller hvor en godt sortert eller veldig godt sortert løsmasse til forskjell utgjøres av større partikler, vil løsmassen ikke være optimalt innrettet til å fungere som en trykk- og strømningshindrende plugg i brønnen.

I samtlige av de foregående eksempler utgjøres de granulære partikler som omfattes av løsmassens variasjonsbredde, av

løsmassepartikler med gjennomsnittlig partikkeldiameter

> 1/256 mm (Krumbein <fi- verdi < 8), og hvor de foretrukne løsmasser har en variasjonsbredde, angitt i ^-verdier, som er > 1, idet dette tilsvarer et standardavvik som, angitt i ø-verdier, er > 0,5. Det siste eksemplet viser derimot at en veldig godt sortert og veldig fin sand også kan oppvise en tilstrekkelig liten permeabilitet til at den kan fungere som en trykk- og strømningshindrende plugg i en brønn. Dette kan uttrykkes mer generelt ved at man, ved plugging av en brønn, også kan anvende med løsmasse med en variasjonsbredde, angitt i (/>-verdier, som er < 1, idet dette tilsvarer et standardavvik som, angitt i (^-verdier, er < 0,5, og hvor partiklene som omfattes av variasjonsbredden/standardavviket er < 1/8 mm og > 1/256 mm (tilsvarerende Krumbein </>-verdier > 3 og < 8).

Både Udden-Wentworth og Krumbein <fi skalaene samt øvrige begreper er allment kjent og anvendt innenfor bl.a. geologiske disipliner. Det finnes også andre lignende skalaer og/eller begreper som i varierende grad anvendes innenfor forskjellige geografiske områder og/eller fagdisipliner.

Sammensetningen av nevnte løsmasse må tilpasses de brønnfor-" hold og de målsetninger man søker oppnådd for hver enkelt brønn. Det er også tenkelig at løsmassens sammensetning kan variere langs brønnens forløp dersom dette fremstår som for-delaktig. Nevnte løsmasse erstatter, eventuelt benyttes i kombinasjon med, konvensjonelle mekaniske plugger og sementplugger, eventuelt også i kombinasjon med andre typer plugger med bl.a. tilsetning av harpikslignende stoffer.

Etter innplassering i brønnen, bør løsmassepartiklene over en tilstrekkelig stor brønnlengde være sortert, pakket og eventuelt inneha en tilstrekkelig irregulær form, og derved være innrettet med en tilstrekkelig liten permeabilitet, til at en vesentlig gjennomstrømning av formasjonsfluider forhindres. Alternativt kan den samme effekt oppnås ved at en homogen og finkornet løsmasse, eksempelvis silt og/eller leire, plasseres i brønnen. Sistnevnte alternativ synes imidlertid å være lite praktisk anvendbar fordi innplassering av en slik finkornet løsmasse ville være vesentlig mer tids- og kostnads-krevende å anbringe samt å sedimentere ut fra en eventuell fluidisert løsmasse. En slik fluidisert løsmasses bærefluid må dessuten ha en viskositet, egenvekt og/eller andre fysis-ke/kjemiske egenskaper som er tilpasset det/de spesifikke formål som søkes oppnådd i den aktuelle brønn.

Liten permeabilitet i løsmassen resulterer i at en fluidfront beveger seg sent gjennom massen. Fluidfrontens strømningshas-tighet gjennom løsmassen styres ved å tilpasse partikkelsammensetningen og lengden av løsmassepluggen, eventuelt hver løsmasseplugg i brønnen, i forhold til det gjennomstrømmende fluids egenskaper, eksempelvis dets viskositet, slik at gjen-nomstrømningstiden blir tilfredstillende lang. I tillegg vil jordens tyngdekraft over tid bidra til å pakke løsmassepar-tiklene ytterligere sammen, tilsvarende de fysiske forandringer et naturlig avsatt sediment gjennomgår etter avsetning. I denne sammenheng er det teoretisk mulig å oppnå en gjennom-strømningstid på mer enn 1000 år for en formasjonsvæske som strømmer fra et dyp større enn 1000 meter under jordskorpens faste overflate.

Darcys lov beskriver de parametre og relasjoner som innvirker på et fluids strømningshastighet gjennom et porøst og permeabelt materiale; hvor

v <=> k (Pinn - Put) / (I* L) } og hvor parametrene er

'v' - fluidets strømningshastighet (cm/s),

'k' - permeabilitet i gjennomstrømbart materiale (Darcy)

'Pinn' - fluidets oppstrøms trykkpotensiale (atmosfærer)

'Put' - fluidets nedstrøms trykkpotensiale (atmosfærer)

' (Pinn - Put)' - trykkfall over det gjennomstrømbare materiale

' y.' - det strømmende fluids viskositet (centiPoise)

'L' - lengden av gjennomstrømbart materiale (cm)

For å illustrere dette i sammenheng med den angjeldende løs-masseplugg, er det er det gjort beregninger med utgangspunkt i en 3000 meter lang vertikal produksjonsbrønn fra et ferdig-produsert reservoar. Formas jonsf luidets poretrykk, Pinn* kan bygge seg opp til 300 atmosfærer, hvor en løsmasseplugg med en permeabilitet på 0.001 Darcy er plassert i hele brønnens lengde, og hvor pluggens porer er fyllt med ferskvann. Beregninger viser i dette tilfelle at en fluidfront vil kunne be-vege seg fra reservoaret til overflaten i løpet av 20000 år. Fylles pluggens porer med tyngre sjøvann, vil den tilsvarende gjennomstrømningstid være ca 60000 år. Beregningene forutsetter ovennevnte statiske parametre, og at disse ikke forandres over tid. Vi vet at naturlig avsatte sedimenter utsettes for fysiske og kjemiske forandringer, såkalte diagenetiske forandringer, som over geologisk tid vanligvis fører til at sedimenter gradvis forsteines. Det er derfor rimelig å anta at en løsmasseplugg også utsettes for slike forandringer og at pluggens permeabilitet og et fluids strømningshastighet gradvis minker, noe som medfører at pluggen i tiltagende grad hindrer/reduserer gjennomstrømning av formasjonsfluider. Jordskorpebevegelser kan eksempelvis føre til at en delvis eller helt forsteinet løsmasse sprekker, og at formasjonsfluider deretter strømmer gjennom sprekkene oppover i brøn-nen. Samtidig vet vi at diagenetiske forandringer vanligvis skjer i løpet av tusenvis av år eller mer. Det er derfor overveiende sannsynlig at pluggen er deformerbar i et slikt tidsperspektiv, og at den tilpasser seg eventuelle forandringer i brønnens geometriske utforming og derved opprettholder sin funksjon som tetningsmateriale.

Det er mulig å påvirke de fleste parametre i Darcys lov. Permeabiliteten i den gjennornstrømbare løsmasseplugg er en funksjon av sortering og pakking av løsmassepartiklene. I tillegg er permeabiliteten relativ til det strømmende fluid, i fag-språket benevnt som relativ permeabilitet. Lengden på plug-gede) kan også styres. Pluggens porevæske kan også bestå av væskefortykkende stoffer som øker væskens viskositet.

I følge Darcys lov, vil et fluid ikke kunne strømme gjennom et permeabelt materiale dersom trykkfallet (Pinn - Put) = 0, eventuelt dersom produktet ( p • L) =00. Trykkfallet kan enkelt elimineres ved at en egnet væske plasseres over en tilstrekkelig brønnlengde for å oppnå et hydrostatisk trykk tilsvarende trykket i formasjonsfluidet. Rent teoretisk burde derfor dette være tilstrekkelig for å hindre at et formasjonsfluid strømmer inn i brønnen. I praksis vil trykket i et formasjonsfluid kunne endre seg noe over tid, i tillegg til at det hydrostatiske trykket fra ovenfornevnte væske også vil kunne forandre seg over tid, bl.a. som følge av lekkasjer til/fra omkringliggende grunnformasjoner. For en væskefylt brønn vil det under disse forhold kunne oppstå et trykkfall som bevirker en påfølgende strømning av formasjonsfluider opp gjennom brønnen og eventuelt helt opp til overflaten. En løs-masseplugg vil hindre/redusere en slik fremtidig lekkasje.

Plassering av en løsmasseplugg i en brønn utføres enklest ved at løsmassen blandes med en egnet væske, et bærefluid, til en pumpbar eller dumpbar fluidisert masse. Løsmassen kan eksempelvis pumpes gjennom produksjonsrøret samtidig med at dette fjernes fra brønnen, eventuelt at løsmassen på egnet måte pumpes inn etter at produksjonsrøret er fjernet. I noen tilfeller, eksempelvis ved plassering av en sterkt leirholdig løsmasse i brønnen, kan det være nødvendig å gradvis bygge opp en plugg ved gjentatte ganger å fire ned en løsmasse-beholder, en såkalt bailer, på vaier og dumpe massen i brøn-nen. I en brønn hvor det foreligger et høyere enn atmosfærisk brønnhodetrykk, plugger man ofte brønnen ved å anvende høy-trykkskjøringsteknikk, såkalt snubbing, for at brønnoperasjo-nen skal kunne skje under full kontroll. Slik snubbing-teknikk kan eksempelvis utføres ved hjelp av en snubbing-rigg, kveilrør eller borerør. Når produksjonsrøret er fjernet fra brønnen, og hvor det ikke er mulig å injisere et bærefluid inn i et underjordisk reservoar, kan bruk av kveilrør gjerne være den hurtigste og mest anvendelige fremgangsmåte for å plassere en lang løsmasseplugg i brønnen, og hvor dette gjelder både brønner med brønnhoder på en plattform, på hav-bunnen eller på land. Dersom en borerigg er tilgjengelig, kan det være mest praktisk og økonomisk å anvende vanlige borerør til å anbringe løsmassen som en plugg i brønnen. I hvert brønntilfelle vil den aktuelle plasseringsteknikk måtte vur-deres opp mot brønnens tekniske tilstand, og mot hvilket utstyr som er tilgjengelig for å innplassere en slik løsmasse-plugg.

Brønnen fylles i ønsket grad med fortrinnsvis en fluidisert løsmasse som, i sin endelige form i sin bruksstilling i brøn-nen, fremstår i en fastere, men fremdeles formbar, tilstand. Ved innpumping kan løsmassen eventuelt tilsettes stoffer som bevirker at de minste løsmassepartikler, eksempelvis leirpartikler, konsentreres og klumpes sammen (flokkulerer), slik at de derved lettere sedimenterer ut av den fluidiserte løsmas-se .

Fordeler som oppnås ved oppfinnelsen

Foruten å bevirke lang gjennomstrømningstid for en fluidfront som strømmer gjennom minst én løsmasseplugg i en brønn, har løsmassepluggen den egenskap at den i stor grad er deformerbar i lang tid etter at pluggen(e) er anbrakt i brønnen. Denne egenskap fører til at en løsmasseplugg over tid kan tilpasse seg eventuelle forandringer i brønnens geometriske utforming, og at den derved opprettholder sin funksjon som tetningsmateriale i brønnen. Slike forandringer kan oppstå som følge av eventuelle forskyvninger i jordskorpen, hvor nevnte forskyvninger kan være forårsaket av større naturlig forekommende jordskorpebevegelser eller som følge av produk-sjonsrelaterte forandringer i et reservoar, eksempelvis inn-synking av en reservoarbergart som følge av at reservoarflui-der utvinnes og at det tilhørende reservoartrykk derved reduseres. Volummessige forandringer vil også kunne oppstå som følge av korrosjon av brønnens metall(er).

En ytterligere fordel ved oppfinnelsen oppnås når en slik løsmasse anvendes til midlertidig plugging av en brønn. Ved senere behov for fjerning av pluggen, er det betraktelig lettere og mer kostnadseffektivt å fjerne en løsmasseplugg enn det er å fjerne konvensjonelle mekaniske plugger og/eller sementplugger.

Dessuten kan en løsmasseplugg eksempelvis delvis bestå av borekaks fra den aktuelle brønns borehull, eventuelt også av borekaks fra andre borehull. Derved kan dette ellers ofte problematiske avfallsprodukt fra boreoperasjonen få en nyttig og kostnadsbesparende anvendelse.

Løsmassens porer kan etter innplassering i brønnen være fylt med en saltholdig væske, eksempelvis ved at bærefluidet består av en saltholdig væske. Væsken vil da utøve et hydrostatisk trykk i borehullet som i seg selv kan utgjøre en full-stendig trykkbarriere mot et formasjonfluids poretrykk.

Kort omtale av tegningsfigurene

Det vil i den etterfølgende del av beskrivelsen, og med henvisning til figursettet, bli vist til 3 forskjellige figurer, hvor to figurer viser konvensjonell teknikk og én figur viser et utførelseseksempel av oppfinnelsen. Ett bestemt hen-visningstall refererer seg til samme detalj i alle tegninger hvor denne detaljen er angitt, og hvor: Fig. 1 viser et skjematisk oppriss av hvordan en typisk produserende brønn er oppbygd; Fig. 2 viser et skjematisk oppriss av hvordan en typisk pro-duks jonsbrønn plugges på konvensjonell måte; og Fig. 3 viser et skjematisk oppriss av en produksjonsbrønn hvor produksjonsrøret er fjernet, og hvor løsmasse i hovedsak utgjør brønnpluggen.

Alle figurer er for øvrig svært fortegnet angående fysiske størrelser, lengder og komponentdetaljer.

Beskrivelse av utførelsesformer

Oppfinnelsen angår som ovenfor nevnt en fremgangsmåte for å hindre/redusere gjennomstrømning av formasjonsfluider i en brønn, fortrinnsvis en petroleumsbrønn, i forbindelse med permanent eller midlertidig plugging av brønnen. Brønnutstyr og/eller forhold som er kjent for en fagmann på området, og som ikke direkte vedrører selve oppfinnelsen, men som for øv-rig er nødvendige forutsetninger for å kunne utøve selve oppfinnelsen, er ikke nærmere angitt eller beskrevet i den på-følgende beskrivelse.

Figur 1 er tatt med som referanse for å illustrere hvordan en typisk produserende brønn er bygd opp. Brønnen består av en serie av påfølgende borehullsintervaller, og hvor hvert intervall har en mindre borehullsdiameter enn det forutgående, grunnere intervall. Hvert borehullsintervall er forsynt med et tilhørende foringsrør 10, 12, 14 og 16 som forløper inni det/de forutgående og grunnere foringsrør 10, 12 eller 14. Slike foringsrør 10, 12, 14 og 16 avsluttes vanligvis i et brønnhode plassert på overflaten. Det dypeste og det siste røret 18 forløper i den nedre ende gjennom et reservoar 20, mens den øvre ende er festet inni nedre del av det forutgående foringsrør 16. I og med at dette røret 18 ikke forløper til overflaten, benevnes det ofte som et forlengingsrør. Ringrommene mellom borehullsveggen 22 og foringsrørene 12, 14 og 16, eventuelt forlengingsrøret 18, fylles vanligvis helt

eller delvis med sement 24. På steder hvor det er mulig, ban-kes vanligvis det grunneste foringsrør 10 ned i grunnbergar-tens overflate uten påfølgende sementering.

Kommunikasjon med og produksjon fra reservoaret 20 foregår gjennom minst én perforering 26 gjennom forlengingsrøret 18 og utenforliggende sement 24. I dette eksemplet produseres reservoarfluidet gjennom forlengingsrøret 18 og videre til det overliggende foringsrør 16 for så å strømme nedstrøms videre gjennom et produksjonsrør 28. Strømningsretningen er på figur 1 angitt med piler. Nær brønnens overflate og i produk-sjonsrøret 28 er det dessuten plassert en nedihulls sikker-hetsventil 30.

Produksjonsrøret 28 er tilordnet foringsrøret 16 ved hjelp av et innfestingsrør 32. Innfestingsrøret 32 er forsynt med én eller flere utvendige pakninger 34 som skal forhindre at re-servoarf luidet strømmer mellom reservoaret 20 og ringrommet 36 mellom produksjonsrøret 28 og foringsrøret 16. For øvrig har innfestingsrøret 32 i sin øvre ende en innvendig diameter som muliggjør enkel innføring av og sammenkobling med produk-sjonsrørets 28 nedre ende, og hvor denne nedre ende er forsynt med utvendige, sirkulære pakninger 38 som bevirker en trykktett sammenkobling med innfestingsrøret 32. En slik sammenkobling muliggjør også en tilsvarende enkel frakobling av produksjonsrøret 28 fra innfestingsrøret 32. Den nedre del av innfestingsrøret 32 fungerer som et innløp for produserte formasjonsfluider, og dette innløp er gjerne utformet med en mindre diameter enn diameteren i innfestingsrøret 32 sin øvre del. Nevnte nedre del er ofte spesielt utformet for lettere å kunne føre eksempelvis brønnvedlikeholdsutstyr gjennom denne åpning og inn i, eventuelt ut av, produksjonsrøret 28.

Konvensjonell plugging av en slik produksjonsbrønn er vist i figur 2, og hvor produksjonsrøret 28 i dette tilfelle er fra-koblet og fjernet fra brønnen. Tegningsfiguren viser også en mekanisk plugg 40 samt en umiddelbart overliggende og kort sementplugg 42 anbrakt i en posisjon overliggende perforerin-gene 26 i forlengingsrøret 18. I en posisjon overliggende innfestingsrøret 32 er foringsrøret 16 tettet ved hjelp av en mekanisk plugg 44 og en overliggende sementplugg 46. Øvre del av foringsrøret 16 har i dette tilfelle på forhånd blitt kap-pet av og fjernet. En mekanisk plugg 48 er satt i foringsrø-ret 14 umiddelbart overliggende nevnte øvre del av foringsrø-ret 16. Deretter har man i foringsrøret 14 sitt gjenværende rørvolum, i en posisjon umiddelbart overliggende den mekaniske plugg 48 samt til like oppunder sjøbunnen, eventuelt landoverflaten, plassert én eller flere lengre sementplugger 50.

Figur 3 viser ett utførelseseksempel av oppfinnelsen, og hvor tegningsfiguren i hovedsak viser en produksjonsbrønn som, etter at produksjonsrøret 28 er fjernet, er plugget ved hjelp

av en løsmasse som ved sin partikkelsammensetning er innrettet med liten permeabilitet og anbrakt hensiktsmessig i brøn-nen. I dette eksempel utgjør løsmassen en kontinuerlig løs-masseplugg 52 som fyller forlengingsrøret 18, innfestings-røret 32 og det overliggende foringsrør 16 opp til en sementplugg 50 som forsegler løsmassepluggen 52 like oppunder sjø-bunnen, eventuelt like ved landoverflaten.

Claims (7)

1. Løsmasseplugg (52) for plugging av en brønn, eksempelvis en brønn relatert til utvinning av hydrokarboner, i forbindelse med permanent eller midlertidig oppgivelse av brønnen, og hvor løsmassepluggen (52) forløper langs hele eller deler av brønnen, idet løsmassepluggen (52) er innrettet til å hindre/redusere gjennomstrømning av formasjonsfluider til overflaten via brønnen, og hvor eventuelt hele eller deler av brønnens tilhørende rør, eksempelvis foringsrør (10), (12), (14) og (16) og produksjonsrør (28), eventuelt også annet overflødig utstyr i brønnen, er fjernet før, eller i forbindelse med, anbringelse av løs-massepluggen (52) i brønnen, idet egnet utstyr, materiale og teknikk anvendes til å plassere løsmassepluggen (52) i brønnen samt i eller rundt eventuelle gjenværende brønnrør eller -utstyr, karakterisert ved at løs-massepluggen (52) utgjøres av en løsmasse sammensatt av naturlig forekommende og/eller syntetisk fremstilt granulært materiale, eksempelvis grus, sand, silt eller leire, eventuelt en egnet blanding av disse, og hvor de granulære partikler med gjennomsnittlig partikkeldiameter som omfattes av løsmassens statistiske variasjonsbredde, utgjøres av løsmassepartikler med gjennomsnittlig partikkeldiameter > 1/256 mm (Krumbein ø-verdi < 8), idet den statistiske fordeling av partikkelstørrelser i løsmassen er angitt som den statistiske variasjonsbredde (i Krumbein ø-verdier) som omfatter omtrent 2/3 av alle partikler i løsmassen, og hvor variasjonsbredden i statistisk sammenheng utgjør to ganger løsmassepartiklenes standardavvik.

2. Løsmasseplugg (52) ifølge krav 1, karakterisert ved at løsmassens statistiske variasjonsbredde, angitt i Krumbein ^-verdier, er > 1, idet den minste partikkel innenfor nevnte variasjonsbredde har gjennomsnittlig partikkeldiameter > 1/256 mm (Krumbein verdi < 8).

3. Løsmasseplugg (52) ifølge krav 1, karakterisert ved at løsmassens statistiske variasjonsbredde, angitt i Krumbein c/>-verdier, er < 1, idet den minste partikkel innenfor nevnte variasjonsbredde har gjennomsnittlig partikkeldiameter > 1/256 mm (Krumbein <f>-verdi < 8), og hvor løsmassen valgt innenfor denne statistiske variasjonsbredde utgjøres av partikler med gjennomsnittlig partikkeldiameter i området < 1/8 mm og > 1/256 mm (Krumbein </)-verdier > 3 og < 8), tilsvarende løsmasse-partikler klassifisert i partikkelstørrelsesområdet tilsvarende eller mindre enn veldig fin sand (< 1/8 mm) samt større enn leirpartikler (> 1/256 mm).

4. Løsmasseplugg (52) ifølge ett hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at løs-massens partikkelstørrelser og fordeling av disse kan va-, riere langs brønnens forløp.

5. Løsmasseplugg (52) ifølge ett hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at løs-massens partikler er irregulære i form.

6. Løsmasseplugg (52) ifølge ett hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den granulære løsmasse blandes med et egnet fluid, et såkalt bærefluid, og at den fluidiserte løsmasse ved anbringelse i brønnen derved er pumpbar eller dumpbar.

7. Løsmasseplugg (52) ifølge ett hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at løs-massepluggen (52) anvendes i kombinasjon med konvensjonelle plugger, eksempelvis mekaniske plugger (40, 44, 48) og/eller sementplugger (42, 46, 50), eventuelt også i kombinasjon med andre typer plugger med bl.a. tilsetning av harpikslignende stoff(er).