NO318502B1

NO318502B1 - System for overvaking av en egenskap ved en grunnformasjon i en bronn

Info

Publication number: NO318502B1
Application number: NO19984492A
Authority: NO
Inventors: Harold J Vinegar; Gordon Thomas Shanin
Original assignee: Shell Int Research
Priority date: 1996-03-28
Filing date: 1998-09-25
Publication date: 2005-03-29
Also published as: US6279392B1; CN1079888C; EP0890014A1; RU2169838C2; WO1997037103A1; MY115236A; NO984492D0; CN1214756A; SA97180020B1; EG20899A; ID16508A; NO984492L; EP0890014B1

Description

Oppfinnelsen angår et system for overvåking av en egenskap ved en grunnsformasjon som gjennomskjæres av et borehull.

Løpende og pålitelig informasjon angående tilstander i soner av en grunnformasjon kan bistå ved fullføring av brønner, reservoarforvaltning, og sekundære gjenvinningsoperasjoner. Ved slike anvendelser bores et borehull for å krysse flere soner av en formasjon. En eller flere av de gjennomskårne soner kan inneholde hydrokarbonførende lag med reserver i utvinnbar form og kvantitet. Andre soner kan imidlertid også være av interesse ved brønndrift.

US-A-4 775 009 viser et system for utførelse av seismiske målinger, hvor flere seismiske følere er anbrakt langs den ytre overflate av et foringsrør som er sementert i et borehull.

US-A-4 548 266 viser en metode for installasjon av måleinstrumenter i separate vannførende lag ved boring av et borehull gjennom de vannførende lag, og utstøping av instrumentene i borehullet.

US-A-4 662 442 viser en metode for måling av fluidtrykk i en jordformasjon ved benyttelse av et foringsrør som er sementert i et borehull, hvilket foringsrør har radiale åpninger og en membran som er anbrakt langs dets innervegg.

Kommersielle tjenester tilveiebringer "gjentatt formasjonstesting" ved hvilken et vaierkjøretøy kjøres ned og et stort antall avlesninger tas etter hvert som verktøyet tas opp. Dette tilveiebringer data om mangfoldige soner, men informasjonen er ikke virkelig samtidig og innsamles bare intermitterende.

Det eksisterer således et klart behov for et system for tilveiebringelse av kontinuerlige og samtidige avlesninger fra én eller flere soner i en jordformasjon.

I overensstemmelse med oppfinnelsen er det tilveiebrakt et system for overvåking av en egenskap ved en grunnformasjon i hvilken det er dannet et borehull hvor et foringsrør er festet i borehullet ved hjelp av et lag av sement mellom foringsrøret og borehullveggen, idet egenskapen kan overføres gjennom i det minste en del av sementlagets tykkelse, hvor systemet omfatter - minst én føler for måling av den nevnte egenskap, idet hver føler er festet til foringsrøret og omfatter en føleanordning som strekker seg inn i sementlaget, og - en anordning for overføring av signaler som representerer den nevnte egenskap, fra føleren til et valgt overflateanlegg, og hvor systemet er kjennetegnet ved at den minst ene føler omfatter en trykkføler for måling av formasjonstrykket, idet hver trykkføler omfatter en trykktransduser omfattende en membran, en rørledning som fører til membranen, og en fylling av silikonfett i rørledningen i kommunikasjon med membranen, hvor trykkfølerens føleanordning omfatter en åpen trykktentakel som omfatter en gjennomtrengelig tråddukslange som ved sin ene ende er lukket og ved sin andre ende er forbundet med rørledningen, en gruspakking som er beliggende i tråddukslangen, og en fritte som er beliggende i rørledningen mellom fyllingen av silikonfett og gruspakkingen.

Ved å lokalisere føleanordningen i sementlaget gjennom hvilket den egenskap som skal overvåkes, kan overføres, oppnår man at hver føler er i umiddelbar nærhet av jordformasjonen mens føleren på samme tid kan installeres på tiltalende måte og er til-strekkelig beskyttet ved hjelp av sementlaget.

Den nevnte egenskap er passende minst én av formasjonstrykket, formasjons temperaturen og formasjonsfluidsammensetningen.

Systemet omfatter fortrinnsvis flere av de nevnte følere som er innbyrdes atskilt langs foringsrøret.

Det foretrekkes at anordningen for overføring av signaler omfatter en kommunikasjonsledning som strekker seg langs foringsrøret til det nevnte overflateanlegg, idet hver føler er tilkoplet i kommunikasjon med kommunikasjonsledningen.

Systemet ifølge oppfinnelsen er særlig egnet for måling av formasjonstrykk over tid, i hvilket tilfelle den nevnte minst ene føler omfatter en trykkføler for måling av formasjonstrykket.

For å overvåke et stort antall soner, er flere av trykkfølerne innbyrdes atskilt langs foringsrøret, hvor føleanordningene til antallet av følere er atskilt en avstand langs borehullet, slik at følerne er forholdsvis ufølsomme for aksialtrykkoverføring gjennom sementen sammenliknet med radialtrykkoverføring fra borehullet til føleanordningene.

For å redusere aksialtrykkspredning i sementen, innstilles sementens hydrauliske spredningsevne og avstanden mellom føleanordningene slik at tidsskalaen for trykk-kommunikasjon fra formasjonen til føleanordningene er liten sammenliknet med kommunikasjon mellom tilstøtende føleanordninger.

Aksialtrykkspredning i sementen reduseres ytterligere dersom sementens hydrauliske spredningsevne er mindre enn formasjonens spredningsevne.

Den foregående beskrivelse, såvel som ytterligere fordeler ved oppfinnelsen, vil bli mer fullstendig forstått ved henvisning til den etterfølgende nærmere beskrivelse av de foretrukne utførelser som må leses i forbindelse med de ledsagende tegninger, der

fig. 1 viser et sideriss av et fordelt trykkovervåkingssystem ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 viser et perspektivriss av en eneste trykkføler som er montert til et foringsrør,

fig. 3 viser et aksialt tverrsnittsriss av trykkføleren på fig. 2 tatt langs linjen 3-3 på fig. 2,

Fig. 4 viser et tverrsnittsriss av trykkføleren på fig. 3 tatt langs linjen 4-4 på fig. 3,

fig. 5 er et sideriss som illustrerer installasjon av et fordelt trykkovervåkingssystem,

fig. 6 er en grafisk fremstilling som illustrerer data som er innsamlet ved overvåking av flere soner under vellykkede sementeringsoperasjoner for et borehull,

fig. 7 er en grafisk fremstilling som illustrerer data som er innsamlet ved overvåking av flere soner under sementeringsoperasjoner for et borehull som var forutsagt å kreve hjelpeaksjoner,

fig. 8 er en grafisk fremstilling som illustrerer data for trykkfall som funksjon av tiden,

fig. 9 er en grafisk fremstilling som illustrerer trykkutbredelse modellert for et spesielt borehull som funksjon av endring i trykk, tid og sementpermeabilitet,

fig. 10 er en grafisk fremstilling som illustrerer resultater av modelleringstrykkrespons som funksjon av tid, avstand og permeabilitet for trykkoverføring fra en utvalgt sone til en tilstøtende føler, og

fig. 11 er en grafisk fremstilling som illustrerer resultater av modelleringstrykkrespons som funksjon av tid, avstand og permeabilitet for trykkoverføring gjennom sementen mellom trykkfølere.

Et fordelt overvåkingssystem 10 er vist på fig. 1 montert til det ytre av et foringsrør 12. Foringsrøret er nedført i et borehull 14 som skjærer flere soner 16A-16E i det viste intervall. En kommunikasjonslinje eller kommunikasjonsledning 18 strekker seg langs foringsrøret og forgrener seg til følere 20 ved ledningsstumper (engelsk: pigtails) 22. Følerne er montert til foringsrøret ved beskyttere 24 som beskytter både følerne og kommunikasjonsledningen under installasjon. Følerne, her trykkfølere 20, er forsynt med åpne trykktentakler 26. En sement 28 fyller ringrommet mellom borehullveggen og foringsrøret.

Beskytteren 24 er et modifisert sentreringsverktøy som er montert på foringsrøret 12. Fig. 2 viser trykkføleren 20 montert og festet mellom tilstøtende skovler 30 av beskytteren 24. Kommunikasjonsledningen er festet til foringsrøret 12 med stropper eller bånd 32, og er også beskyttet mot kontakt med borehullveggen når foringsrøret 12 nedsenkes på plass. Se også fig. 3.

Kommunikasjon kan tilveiebringes via telemetri eller via en kommunikasjonsledning 18 slik det kan variere i overensstemmelse med føleren og overføringsbehovene. De som er fagfolk på området, vil forstå at den foreliggende oppfinnelse kan anvendes over en stor variasjon av følerbehov. Mulige anvendelser omfatter trykk-, temperatur- og fluidsammensetningsfølere. Dersom en kommunikasjonsledning 18 er utplassert, kan den være en flerleder eller en flerledningskabel som sammenbunter et stort antall atskilte ledningstråder. Alternativt kan en fiberoptisk bunt benyttes. I noen utførelser kan kommunikasjonsledningen 18 også være utformet med en bunt av kapilarrør, f.eks. for å overføre trykk direkte fra et følerinngangselement i form av en åpen ende med et fluidgrensesnitt som står i forbindelse med overflatefølere via et inert fluid i kapilarrøret. Ved andre anvendelser kan man ønske å overvåke fluidsammensetaing med en infrarød-eller IR-føler for å bestemme olje-, gass- og vannsammensetningen av aktuelle formasjonsfluider. For illustrasjonsformål er imidlertid en utførelse av oppfinnelsen vist for overvåking av trykk og eventuelt temperatur. Dette er to parametere som tradisjonelt er av stor interesse ved reservoarforvaltning.

I denne utførelse er kommunikasjonsledningen 18 dannet av en flerlederkabel 18A, idet hver ledningsstump 22 forbinder en av følerne med en adskilt ledningstråd i kabelen. Fig. 4 viser en skjematisk tverrsnittsillustrasjon av føleren 20. Føleren 20 bærer her en trykktransduser 20A og en temperaturføler 20B i et følerhus 34. Trykktransduseren og temperaturføleren sender signaler til overflaten via ledningsstumpen 23 og flerlederkabelen 18A. Trykktransduseren 10A sampler eller prøvetar formasjonstrykket via den åpne trykktentakel 26 i form av en tråddukslange 36 av rustfritt stål som er pakket med grus 38, hvilken trykktentakel 26 står i forbindelse med trykktransduseren 20A via en rørledning 39. En fritte 40 atskiller tentakelen 26 fra trykktransduseren 20A, og fritten tillater formasjonstrykket å passere og støte imot en silikonfettpakning 42 i rørledningen 39, og via denne mot en membran 44 i trykktransduseren 20A. Fritten er imidlertid også medvirkende til å atskille overdekningstrykket fra formasjonstrykket. Fig. 5 illustrerer installasjon av et fordelt trykkovervåkingssystem. Flerlederkabelen 18A ankommer for installasjon i oppviklet tilstand. I den viste utførelse er den oppviklet med fluidsperrer 46, ledningsstumper 22 og reparasjonshylser 48 anbrakt for tilkopling til følere langs foringsrøret ved installasjon. Fluidsperrene er lengder av rør som er forseglet tettsluttende rundt kabelen. Disse rørlengder danner en overlegen binding med sementen og hindrer fluidvandring mellom følere 20 langs kommunikasjonsledningen 18. Reparasjonshylsene letter reparasjon dersom kabelen skulle bli skadet ved håndtering. I dette tilfelle fylles brekkasjen med harpiks og hylsen skyves i stilling over denne og fastklemmes og/eller limes på plass for å sikre forseglingen. Den oppviklede kabel fremmates over en skive 50, og kabelen 18A bindes på plass rundt foringsrøret 12 med stropper eller bånd 32. En føler 20 monteres i beskytteren 24 og tilkoples til kabelen 18A via ledningsstumpen 22 som løsnes fra den oppviklede kabel og plugges inn i føleren. En annen rørlengde styres mot foringsrøret 12, og den tidligere foringsrørseksjonen, med fordelt trykkovervåkingssystem 10 festet til denne, fremmates gjennom kilebeltet etter hvert som overvåkingssystemet tilkoples til den neste foringsrørlengde, og så videre.

Etter at foringsrøret er anbrakt sementeres det på plass. Se fig. 1. Utvelgelsen av sement 28 er viktig i den totale konstruksjon. Diffusiviteten eller spredningsevnen til den egenskap som skal overvåkes, bør være større i formasjonen enn i den valgte sement. Hydraulisk spredningsevne, "a", er et mål som er relatert til fluid- og trykkvandring, og er definert som følger:

hvor

- permeabiliteten er sementens permeabilitet,

- porøsiteten er sementens porøsitet,

- viskositeten er viskositeten til vannet som innsprøytes sammen med sementen, og - kompressibiliteten er systemets kompressibilitet, innbefattet sementen og de fluider som innsprøytes sammen med denne.

I motsetning til dette er termisk vandring en funksjon av varmeledningsevne så vel som brønnfluidvandring.

Aksial atskillelse av følere i tilstøtende soner må velges slik at radial overføring fra borehullveggen i høy grad vil overskride aksial overføring langs borehullet mellom tilstøtende følere. Sagt på en annen måte, og idet man vender tilbake til eksempelet med trykkmåling, er fluid- og trykkoverføringen en funksjon av tid, spredningsevne og avstand, hvis relasjon grovt kan approksimeres ved hjelp av følgende likning:

hvor

d = avstand

a = spredningsevne

t = tid

C] = konstant

Idet denne grunnleggende relasjon anvendes på borehullets geometri, kan en maksimumsavstand fra formasjonen (borehullveggen) til føleren uttrykkes som følger:

hvor

r = radial avstand mellom føleren og borehullveggen ot = sementens spredningsevne

t = tid

C| = konstant,

og minimumsavstanden mellom tilstøtende følere som styrer forstyrrelsen av trykk fra en utvalgt sone som vandrer til en annen, kan uttrykkes som følger:

hvor

/ = aksial avstand mellom tilstøtende følere

a = sementens spredningsevne

t = tid

c2 = konstant

På grunn av den ikke-lineære beskaffenhet av denne relasjon, kan man se at trykket overføres langt lettere over korte avstander, så som mellom formasjonen og den nærmeste føler, enn over de moderate avstander som atskiller tilstøtende følere. Dette tillater vesentlig isolasjon av data fra tilstøtende formasjonssoner som skjæres av borehullet med tilsvarende trykkfølere. Borehullet fylles med en sement som velges for å tilveiebringe mindre hydraulisk spredningsevne enn spredningsevnen til formasjonen, og trykktentaklene anordnes slik at de, når de er sementert, vil komme i umiddelbar nærhet av borehullveggen i det minste på ett eller annet sted langs lengden av trykktentakelen. De tilstøtende trykkfølere er ikke desto mindre aksialt atskilt langs borehullet, slik at avstanden mellom trykkfølere gjør følerne forholdsvis ufølsomme overfor aksialtrykkoverføring via sementen, sammenliknet med radialtrykkoverføring fra borehullet til trykktentakelen.

Sement innen borings- og kompleteringsteknikkene er vanligvis sammensatt av følgende komponenter: klasse G sement, sementfriksjonsreduksjonsmiddel, blandede metallhydroksider, natriumsilikat, flygeaske, kiselmel, kiselsand, røkt kisel, sfærulitt og bentonittgel. Med dette utvalget av variabler og tilstanden av nåværende dokumentasjon av egenskaper kan utvelgelse av passende sement for en gitt anvendelse innebære et testprogram med hensyn til tid, temperatur, permeabilitet og trykkfasthet.

Sementutvelgelse og følerplassering kan illustreres klarere ved å arbeide seg gjennom et eksempel på konstruksjon av et system for overvåking av fordelt trykk for anvendelse i et gitt borehull.

Illustrerende konstruksjonseksempel

De grafiske fremstillinger på fig. 9-11 illustrerer konstruksjonsparametere slik de er konservativt modellert for anvendelse på et gitt borehull. På hver av figurene 9-11 angår kurver a, b, c, d, e sementpermeabiliteter på henholdsvis 0,001, 0,01, 0,1, 1, 10 md. Fig. 9 illustrerer den grunnleggende relasjon for trykkvandring gjennom sement som funksjon av prosentuell trykkendring (P), tid (t) og sementpermeabilitet (idet det antas at sementvalget holder porøsitet og kompressibilitet i det vesentlige konstant). Fremdeles under disse begrensninger modellerer fig. 10 et område av sementpermeabiliteter, tid (døgn) og avstand inn i sementen (dc) basert på det konstruksjonskriterium at 98% av formasjonstrykket ses ved trykkføleren. Området A indikerer hvor nær formasjonen transduseren må være for å reagere eller svare. Fig. 11 modellerer deretter et utvalg av sementpermeabiliteter, tid (år) og område B som indikerer avstand mellom transdusere basert på det konstruksjonskriterium at ikke mer enn 5% av trykket ved en føler i én sone skal vandre gjennom sementen for å nå frem til føleren i en andre utvalgt sone, for å innføre feil i målingene av formasjonstilstander i den andre sone.

Den optimale avstand (/) mellom følere (se fig. 1) bestemmes etter at en sementpermeabilitet er valgt. Den valgte permeabilitet må tillate en rask følerresponstid (sammenliknet med prosesstid for brønndriftsteknikker som skal praktiseres), samtidig som feilen i trykkrespons som følge av kommunikasjon gjennom sementen mellom følere minimeres. I dette eksempel tillater en permeabilitet på mer enn 0,01 md en responstid på mindre enn 10 døgn gjennom 1,27 cm sement (r), og en sementpermeabilitet på mindre enn 0,003 md tillater følere med en innbyrdes avstand (/) på 15 m å forbli isolert (til innenfor 5% feil) i mer enn ett år.

Sementen ble utformet for å ha en permeabilitet på 0,01 md for å balansere disse to kriterier.

Viktigheten av trykktentakelen som et middel for kontroll av (r) er åpenbar ved konstruksjon av et slikt system, f.eks. når det kreves montering av følere på et 12,7 cm foringsrør i et 0,3 m borehull. Trykktentakelen sikrer en effektiv trykkledning som ligger nær formasjonen og ikke påvirkes av eventuelle mindre vesentlige, meget lokaliserte variasjoner i sementblandingen. Fig. 8 viser trykkgradienten i et borehull som funksjon av trykk, dybde og tid, slik det er spesielt nyttig for reservoarforvaltning. Trykket i de valgte, lavere soner er vist å falle over tid. For stort fall i en vilkårlig gitt sone kan føre til formasjonskompresjon som kan knekke foringsrøret. Føleroppsitllingen tilveiebringer således et varsel om trykkutarming som hemmer oljeproduksjonen og kan føre til brønnsvikt. Tilgang i rett tid til disse data tillater justeringer av pumpetimeplaner og/eller sekundære utvinningsoperasjoner for å beskytte brønnen og maksimere produksjonseffektivitet. Fig. 6 og 7 viser en spesiell anvendelse av det fordelte trykkovervåkingssystem 10 for å overvåke sementjobber for sikre tetninger mot foringsrøret. Foringsrøret anbringes med det fordelte overvåkningssystem på plass. Slammet som stabiliserer formasjonen og kontrollerer brønnen, har en tetthet som er angitt i den grafiske fremstilling i et område 100. Slammet forskyves med en klump av vann og overflateaktivt stoff, hvilket fremkommer som et plutselig fall 102, hvilket etterfølges av pumping av sement ned gjennom foringsrøret og opp gjennom borehullets ringrom, hvilket fremkommer som en plutselig stigning i tetthet ved 104. Etter at søylen av sement er på plass, begynner den å størkne. Denne prosess begynner med en endringshastighet på en positiv kurve 106, idet denne viser seg som et tap av tetthet etter hvert som faste stoffer felles ut. Ved overgang følger imidlertid denne endringshastighet en negativ kurve 108 etter hvert som mycel setter seg og vekten av sementsøylen begynner å forflytte seg til borehullveggen og foringsrøret Se fig. 1.

Idet man vender tilbake til fig. 6 og 7, kan det maksimale formasjonstrykk 110 være historisk tilgjengelig, eller det kan observeres etter at sementen størkner fullstendig og formasjonstrykket vandrer gjennom sementen til trykkfølere. Den kritiske forskjell som er illustrert mellom fig. 6 og fig. 7, er at sementovergangen på fig. 6 ligger over det maksimale formasjonstrykk. Dette betyr at sementen utvikler strukturell integritet før den overbebyrdes med formasjonstrykk, hvilket vil resultere i en feilslått sementjobb som tillater ringformet gasstrøm. Betrakt som kontrast fig. 7 hvor sådan svikt blir forutsagt og hjelpeaksjon blir nødvendig i form av en "trykkjobb" ved hvilken sement blir innsprøytet i banen for den ringformede gasstrøm. Samtidig tilgang til disse data forutsier ikke bare når hjelpeaksjon vil være nødvendig, men tillater utforming av de neste sementjobber på feltet slik at de bedre oppfyller formasjonens behov.

Claims

1. System for overvåking av en egenskap ved en grunnformasjon i hvilken det er dannet et borehull hvor et foringsrør (12) er festet i borehullet ved hjelp av et lag av sement (28) mellom foringsrøret (12) og borehullveggen, idet egenskapen kan overføres gjennom i det minste en del av sementlagets (28) tykkelse, hvilket system omfatter - minst én føler (20) for måling av den nevnte egenskap, idet hver føler (20) er festet til foringsrøret (12) og omfatter en føleanordning (26) som strekker seg inn i sementlaget, og - en anordning for overføring av signaler som representerer den nevnte egenskap, fra føleren (20) til et valgt overflateanlegg, karakterisert ved at den minst ene føler (20) omfatter en trykkføler for måling av formasjonstrykket, idet hver trykkføler omfatter en trykktransduser (20A) omfattende en membran (44), en rørledning (39) som fører til membranen, og en fylling av silikonfett (42) i rørledningen i kommunikasjon med membranen (44), hvor trykkfølerens (20) føleanordning (26) omfatter en åpen trykktentakel (26) som omfatter en gjennomtrengelig tråddukslange (36) som ved sin ene ende er lukket og ved sin andre ende er forbundet med rørledningen (39), en gruspakking (38) som er beliggende i tråddukslangen (36), og en fritte (40) som er beliggende i rørledningen (39) mellom fyllingen av silikonfett (42) og gruspakkingen (38).

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved at det omfatter flere av de nevnte følere (20) som er innbyrdes atskilt langs foringsrøret 12.

3. System ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at anordningen for overføring av signaler omfatter en kommunikasjonsledning (18) som strekker seg langs foringsrøret (12) til det nevnte overflateanlegg, idet hver føler (20) er tilkoplet i kommunikasjon med kommunikasjonsledningen (18).

4. System ifølge krav 3, karakterisert ved at hver føler (20) er tilkoplet i kommunikasjon med kommunikasjonsledningen (18) ved hjelp av en ledningsstump (22).

5. System ifølge ett av kravene 1-4, karakterisert ved at hver føler (20) er omsluttet av et følerhus.

6. System ifølge krav 5, karakterisert ved at hver føler (20) er beskyttet av en beskytter (24), idet hver beskytter omfatter en krage som er i sikkert inngrep i foringsrøret (12), og to aksialt orienterte plater (30) som strekker seg fra kragen slik at de opptar følerhuset som tilhører føleren.

7. System ifølge krav 6, karakterisert ved at beskytteren (24) videre omfatter et antall radialt forløpende, i hovedsaken aksialt orienterte sentraliseringsribber (30) som rager ut fra kragen.

8. System ifølge ett av kravene 1-7 karakterisert ved at det omfatter et antall av de nevnte trykkfølere (20) som er innbyrdes atskilt langs foringsrøret (12), hvor føleanordningene (26) til antallet av følere er atskilt en avstand langs borehullet, slik at følerne er forholdsvis ufølsomme for aksialtrykkoverføring gjennom sementen (28) sammenliknet med radialtrykkoverføring fra borehullet til føleanordningene (26).

9. System ifølge krav 8, karakterisert ved at sementens hydrauliske spredningsevne og avstanden mellom føleanordningene (26) er innstilt slik at tidsskalaen for trykk-kommunikasjon fra formasjonen til føleanordningene (26) er liten sammenliknet med kommunikasjon mellom tilstøtende føleanordninger.

10. System ifølge ett av kravene 1-9, karakterisert ved at sementens (28) hydrauliske spredningsevne er mindre enn formasjonens spredningsevne.