NO321318B1

NO321318B1 - Fremgangsmate for bestemmelse av in-situ spenninger i en grunnformasjon

Info

Publication number: NO321318B1
Application number: NO20010094A
Authority: NO
Inventors: Barend Jan Pestman; Johannes Gerardus Van Munster; Cornelis Jan Kenter
Original assignee: Shell Int Research
Priority date: 1998-07-07
Filing date: 2001-01-05
Publication date: 2006-04-24
Also published as: AU747421B2; DE69933449T2; CA2337803C; WO2000001927A1; ATE341699T1; EP1095205A1; EP1095205B1; RU2215149C2; AU4907899A; NO20010094D0; CA2337803A1; DE69933449D1; MY123277A; NO20010094L; DK1095205T3

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for bestemmelse av en in-situ-spenning i en grunnformasjon, idet formasjonen utsettes for en in-situ-spenningstilstand med en første, en andre og en tredje hovedspenning. De tre hovedspenninger omtales vanligvis som den første, den andre og den tredje in-situ-spenning. Innen teknologien med hydrokarbonproduksjon fra en grunnformasjon er det ofte nødvendig å kjenne til størrelsene og retningene av in-situ-spenningene i formasjonen, eller i det minste å ha en indikasjon på disse. Slik kunnskap er f.eks. nødvendig for det formål å oppnå borehullstabilitet, å utføre hydraulisk oppbryting av formasjonen, å foreta geologisk modellering eller å hindre sandproduksjon. Retningen av in-situ-spenningene kan bestemmes på flere måter, så som differensiell deformasjonsanalyse, forskjellige akustiske teknikker, eller såkalte minibruddtester. I denne henseende må man være klar over at en av in-situ-spenningene er stort sett i vertikal retning, og at dens størrelse bestemmes av vekten av overdekningen. Det er derfor vanligvis bare de to horisontale in-situ-spenninger som er gjenstand for undersøkelse med hensyn til retning og størrelse. Det har vært forsøkt å bestemme størrelsene av de horisontale in-situ-spenninger ved å måle deformasjoner og benytte konstitutive egenskaper av bergarten for å bestemme spenningene. De konstitutive egenskaper av bergarten er imidlertid vanligvis ikke nøyaktig kjent.

US patent 5 253 518 viser en fremgangsmåte for treakset testing av en bergarts-prøve ved forskjellige poretrykk, hvor et konstant, isostatisk inneslutningstrykk anvendes på bergartsprøven i en treakset celle, og tester utføres i flere trinn med aksial belastning og avtakende prøvevanninnhold.

Det er et formål med oppfinnelsen å bestemme mer nøyaktig størrelsen av en eller flere av in-situ-spenningene i grunnformasjonen.

I overensstemmelse med oppfinnelsen er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for bestemmelse av en in-situ-spenning i en grunnformasjon som er utsatt for en vertikal og to horisontale in-situ-spenninger, hvor et borehull er blitt boret inn i formasjonen, idet borehullet inneholder et borehullsfluid som utøver et trykk på borehullveggen, slik at den vertikale in-situ-spenning i et område av formasjonen erstattes av en redusert spenning avhengig av det nevnte trykk som utøves på borehullveggen, hvilken fremgangsmåte omfatter de trinn

å utvelge en prøve som er blitt fjernet fra det nevnte område, idet prøven har første, andre og tredje referanseretninger som faller sammen med de respektive retninger av den vertikale og de to horisontale in-situ-spenninger forut for fjerning av prøven fra formasjonen, og

å utføre et antall tester på prøven, hvorved prøven utsettes for varierende spenninger i de andre og tredje referanseretninger, for å bestemme en skadeinn-

hyllingsflate for prøven, og for å bestemme minst én av de to horisontale in-situ-spenninger ut fra skadeinnhyllingsflaten, og hvor størrelsen av en valgt spenning i den første referanseretning i hver test er i hovedsaken lik størrelsen av den reduserte spenning, hvor skadeinnhyllingsflaten er dannet av punkter i det tredimensjonale spenningsrom i hvilke begynnelsen av ytterligere skade inntreffer ved ytterligere belastning av prøven.

Man må være klar over at borehullveggen i forbindelse med den foreliggende oppfinnelse inneholder både den sylindriske del av borehullveggen og bunnen av borehullet. En viktig side ved oppfinnelsen er at det tas hensyn til den strengeste spenningstilstand for hvilken prøvematerialet er blitt utsatt for å bestemme skadeinnhyllingsflaten. Med "strengest spenningstilstand" menes den spenningstilstand i hvilken prøvematerialet har gjennomgått den største grad av skade. Dersom f.eks. prøven tas fra borehullbunnen, anses den strengeste spenningstilstand å opptre like før prøven fjernes fra formasjonen, hvorved størrelsen av den vertikale in-situ-spenning på stedet for prøven erstattes av en vertikal spenning som er lik borehullsfluidtrykket ved borehullbunnen pluss vekten av bergartmaterialet mellom borehullbunnen og stedet for prøven. Dersom bergartmaterialet inneholder borefluid, må borefluidtrykket fratrekkes fra den vertikale spenning for å finne den effektive vertikale spenning (som er den spenning som bæres av bergartkornene).

I en slik strengeste spenningstilstand er forholdet mellom differansen mellom de horisontale in-situ-spenninger og den vertikale spenning og den midlere spenning på et maksimum.

Skadeinnhyllingsflaten (også omtalt som skadeflaten) er dannet av de punkter i det tredimensjonale spenningsrom i hvilke begynnelsen av ytterligere skade inntreffer ved ytterligere belastning av prøvematerialet. Skadeflaten kan bestemmes nøyaktig ut fra akustisk utstråling eller emisjon fra prøvematerialet ved begynnelsen av ytterligere skade. Slik akustisk emisjon omtales vanligvis som Kaiser-effekten, slik som f.eks. beskrevet i "An acoustic emission study of damage development and stress-memory effects in sandstone", B J Pestman et al., Int. Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Vol. 33, nr. 6, pp. 585-593, sept. 1966.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende ved hjelp av et eksempel under henvisning til tegningene, der

fig. 1 skjematisk viser et tverrsnitt av et borehull som er dannet i en grunnformasjon, slik det benyttes ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen,

fig. IA viser skjematisk in-situ-spenningene som er til stede i grunnformasjonen, fig. IB viser skjematisk en kjerneprøve som er tatt fra grunnformasjonen, og

fig. 2 viser skjematisk et in-situ-spenningsdiagram som benyttes i en utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

I den etterfølgende nærmere beskrivelse er det antatt at grunnformasjonen ikke inneholder noe porefluid, og de omtalte spenninger er følgelig effektive spenninger som bæres av bergartkornene. Fig. 1 viser et borehull 1 som er dannet i en grunnformasjon 3. Den uforstyrrede formasjon 3 er utsatt for in-situ-spenninger i vertikal og horisontal retning, dvs. en vertikal trykkspenning C\ og to horisontale trykkspenninger a2, 03 som vist på fig. IA i relasjon til et terningformet element 5 av formasjonen 3. Borehullet 1 er fylt av et borefluid 7 med valgt spesifikk vekt, slik at et vertikalt trykk P utøves av borefluidet 7 på borehullbunnen 11. Under borehullbunnen 11 er det et område 14 av formasjonen 3 i hvilket den vertikale in-situ-spenning ai i et spesielt punkt er erstattet av en spenning a{ som er lik det vertikale trykk P fra boreslammet 7 pluss vekten av bergartmaterialet mellom borehullbunnen 11 og det spesielle punkt. De horisontale in-situ-spenninger <g>2, ct3 i området 14 blir ikke (eller blir bare meget lite) påvirket av tilstedeværelsen av borehullet.

Et kjerneboringsverktøy (ikke vist) nedsenkes gjennom borehullet 1 for å ta en sylindrisk kjerneprøve 16 (fig. IB) fra området 14 av formasjonen 3. På fig. 1 er kjerneprøven 16 angitt med stiplede linjer for å vise beliggenheten av bergartmaterialet i kjerneprøven 16 før prøven 16 tas fra formasjonen 3. Kjerneprøven 16 har en første referanseretning 18, en andre referanseretning 20 og en tredje referanseretning 22, hvilke referanseretninger svarer til de respektive in-situ-spenningsretninger forut for fjerning av prøven 16 fra formasjonen 3. Før fjerning av prøven 16 fra formasjonen 3 svarer således referanseretningen 18 til vertikalen, referanseretningen 20 svarer til retningen av in-situ-spenningen ct2, og referanseretningen 22 svarer til retningen av in-situ-spenningen a3. Under og etter fjerning av kjerneprøven 16 fra formasjonen 3 endres trykkspenningene som virker i referanseretningene, når kjerneprøven 16 lagres i en beholder (ikke vist) som inneholder et fluid på et moderat hydrostatisk trykk.

I et neste trinn utføres en rekke trykktester på kjerneprøven 16, hvorved prøven utsettes for trykkspenninger Si, S2, S3 i respektive referanseretninger 18,20,22. Formålet med testene er å bestemme omfanget av skade som materialet i kjerneprøven 16 har gjennomgått forut for fjerning fra grunnformasjonen 3, og å bestemme de horisontale in-situ-spenninger ut fra dette. Skadeomfanget kan representeres ved en skadeinnhyllingsflate i det tredimensjonale spenningsrom (Si, S2, S3). Når man tar i betraktning at omfanget av skaden på prøvematerialet bestemmes av den strengeste spenningstilstand for hvilken prøvematerialet er blitt utsatt (dvs. den spenningstilstand som forårsaker det største skadeomfang), er det en viktig side ved oppfinnelsen at det tas hensyn til at den strengeste spenningstilstand av prøvematerialet opptrådte ved nærvær av borehullet 1 og forut for fjerning av prøven 16 fra formasjonen. I den strengeste spenningstilstand er derfor hovedspenningene a{ i referanseretningen 18, a2 i referanseretningen 20 og a3 i referanseretningen 22.

Med henvisning til fig. 2 bestemmes profilen av skadeinnhyllingsflaten for Si = oY deretter i en rekke prøver for å anslå eller beregne størrelsene av horisontale in-situ-spenninger a2 og a3. Under testene holdes trykkspenningen Si lik ai', mens spenningene S2 og S3 varieres inntil begynnelsen av ytterligere skade inntreffer. I eksempeldiagrammet på fig. 2 belastes prøven 16 langs en spenningsbane 24 til et punkt A i hvilket begynnelsen av ytterligere skade inntreffer. Sådan begynnelse av ytterligere skade bestemmes ved måling av akustisk emisjon fra materialet, basert på Kaiser-effekten. Deretter endres spenningene S2 og S3 langs spenningsbaner 26,28 til et punkt B, langs spenningsbaner 28, 30, 32 til et punkt C, langs spenningsbaner 32, 34, 36 til et punkt D, og langs spenningsbaner 36, 38,40 til et punkt E, hvorved punktene B, C, D, E bestemmes ved begynnelsen av ytterligere skade i overensstemmelse med Kaiser-effekten. Den kurve som dannes av punktene A, B, C, D, E, utgjør profilen av skadeflaten for Si = a{. Ved utførelse av testene må man passe på at den strengeste spenningstilstand for prøvematerialet ikke overskrides i betydelig grad, for å sikre at skadeprofilen slik den bestemmes ut fra testene, nøyaktig representerer den strengeste spenningstilstand som inntraff før prøven 16 ble fjernet fra formasjonen 3.

Skadeprofilen i Si, S2-diagrammet (for Si = ai') danner et sett punkter (Sj, S2) av hvilke hvert punkt i prinsipp kunne representere in-situ-spenningstilstanden (ai, a2, a3). Et valg utføres på kjent måte for ut fra disse punkter å bestemme den virkelige in-situ-spenningstilstand, f.eks. ved å ta et toppunkt i profilen som representativt for den virkelige in-situ-spenningstilstand.

I tilfelle bergartmaterialet inneholde porefluid er totalspenningen i et spesielt punkt i formasjonen summen av den effektive spenning (som bæres av bergartkornene) og porefluidtrykket. Den ovenfor beskrevne metode kan da anvendes på liknende måte for de effektive in-situ-spenninger aie , a2e og a3e Den vertikale, effektive in-situ-spenning aie i et spesielt punkt erstattes av en spenning aie ' som er lik det vertikale, trykk P fra boreslammet 7 pluss vekten av bergartmaterialet mellom borehullbunnen 11 og det spesielle punkt minus porefluidtrykket. Størrelsene av de horisontale, effektive in-situ-spenninger a2e og a3e bestemmes deretter på liknende måte som beskrevet foran med henvisning til a2 og a3.

Claims

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av en in-situ-spenning i en grunnformasjon (3) som er utsatt for en vertikal og to horisontale in-situ-spenninger (ci, 02, a3), hvor et borehull (1) er blitt boret inn i formasjonen, idet borehullet inneholder et borehullfluid som utøver et trykk (P) på borehullveggen (11), slik at den vertikale in-situ-spenning (oi) i et område (14) av formasjonen erstattes av en redusert spenning avhengig av det nevnte trykk (P) som utøves på borehullveggen (11), karakterisert ved at den omfatter de trinn å utvelge en prøve (16) som er blitt fjernet fra det nevnte område (14), idet prøven (16) har første, andre og tredje referanseretninger (18, 20, 22) som faller sammen med de respektive retninger av den vertikale og de to horisontale in-situ-spenninger (oi, 02, o3) forut for fjerning av prøven (16) fra formasjonen, og å utføre et antall tester på prøven (16), hvorved prøven utsettes for varierende spenninger (S2, S3) i de andre og tredje referanseretninger, for å bestemme en skadeinnhyllingsflate for prøven, og for å bestemme minst én av de to horisontale in-situ-spenninger (02, a3) ut fra skadeinnhyllingsflaten, og hvor størrelsen av en valgt spenning (S^ i den første referanseretning (18) i hver test er i hovedsaken lik størrelsen av den reduserte spenning, hvor skadeinnhyllingsflaten er dannet av punkter i det tredimensjonale spenningsrom i hvilke begynnelsen av ytterligere skade inntreffer ved ytterligere belastning av prøven.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det nevnte område (14) er under borehullbunnen (11) og den nevnte reduserte spenning er definert ved vekten av fluidsøylen i borehullet (1) og vekten av delen av grunnformasjonen (3) mellom borehullbunnen (11) og det sted hvor prøven (16) fjernes fra formasjonen (3).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at prøven (16) er blitt fjernet fra bunnområdet (14) av borehullet (1).

4. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1-3, karakterisert ved at det i hver test bestemmes et punkt (A, B, C, D, E) av skadeinnhyllingsflaten ut fra akustisk emisjon fra prøven (16).