NO335923B1 - Fremgangsmåte for gruspakking av utforede hull over fraktureringstrykket. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse omhandler komplettering av hydrokarbonbrønner sandkontroll og mer spesifikt til gruspakkekomplettering av horisontale eller svært avvikende uforede brønner.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Ved gjenvinning av hydrokarboner fra underjordiske formasjoner, er horisontale eller svært avvikende brønner betraktet som en utprøvd fremgangmåte for å maksimere hydrokarbonproduktiviteten. Mange horisontale eller svært avvikende brønner er ikke forede og kostnadene ved komplettering er derfor lave sammenlignet med forede brønnhull. Men i løse formasjoner er det nødvendig å innføre tiltak for kontroll med sanden for å hindre at borehullet klapper sammen, feil på utstyr og optimalisere brønnens leveringsevne.

En svært vanlig praksis i olje og gassindustrien for å kontrollere sand-migrering inn til brønner som trenger igjennom løse formasjoner inkluderer utplassering av gruspakkinger for å holde formasjonssanden på plass. Gruspakkingen er typisk avsatt omkring et perforert foringsrør eller skjerm (screen). Gruspakkingen filterer sand mens den samtidig tillater formasjonsfluider å strømme gjennom grusen, skjermen og et produksjonsrør.

Svært avvikende brønner eller horisontale brønner er i de fleste tilfellene komplettert hovedsaklig som uforede på grunn av den høyere brønnproduktivi-teten og lavere kompletteringskostnadene. Tidligere ble slike brønner typisk komplettert med enkeltstående skjermer slik at brønnen ville klappe sammen rundt skjermen. Men likevel kunne skjermen bli fastplugget av formasjonssand. Derfor er det kanskje ønskelig å beskytte skjermen med en gruspakking som ytterligere stabiliserer formasjonsflaten.

Det følger av dette at gruspakking av uforede horisontale brønnboringer er i økende grad benyttet for komplettering av horisontale brønner (i den gjenværende delen av dette dokumentet, er uttrykket "horisontale brønner" og tenkt å skulle inkludere svært avvikende brønner).

Typisk blir horisontal gruspakking oppnådd med vannpakking. Vannpakking er to-trinns prosess som benytter en lav konsentrasjon av grus i saltlake. I en første bølge, kalt a-bølgen blir den nedre delen til brønnen pakket inntil brønnens ytterpunkter har blitt nådd eller en for tidlig skjerm-ut oppstår (screen-out). Den for tidlige skjerm-ut er på grunn av dannelsen av en bro på grunn av økende lekkasjehastighet og følgelig forminsket tilbakestrømningshastighet. Så blir toppdelen til brønnen pakket med den andre bølgen eller p-bølgen. Vannpakking baserer seg hovedsaklig på at man er i stand til å opprettholde høye sirkulasjonshastigheter. Uten tvil avhenger derfor transport av grus av hastigheten og turbulent strømning i motsetning til høy viskositet. Suksessen med plassering av grus er basert på tilstedeværelsen av en filterkake med lav permeabilitet som minimaliserer tapene fra gruspakkefluider. Som beskrevet i et SPE dokument 38640 presentert i et symposium sponset av Society av Petroleum Engineers (norsk; Foreningen for Petroleumsingeniører) som ble holdt i Rio de Janerio, Brasil i perioden 30. august til 3. september 1997, må brudd bli unngått for enhver pris i slike operasjoner. Dersom ikke, kan et katastrofalt tap av gruspakkefluider skje noe som resulterer i dannelsen av sandbroer og ufullstendig pakking under broen. Ved å ha i minne at det kan utføres intervaller så lange som 3840 meter i horisontale brønner, kan en dannelse av sandbroer nær hælen av intervallet (den delen til intervallet som er nærmest overflaten til brønnboringen) så absolutt resultere i et dramatisk fall i brønnens produktivitet.

For å lette de vanskelighetene som oppstår ved lange eller skrånende intervaller, har det blitt foreslått "vekslende veier" verktøy ("alternate paths" tools). Slike verktøy inkluderer perforerte grenrør tilpasset til å ta i mot grusslam idet det kommer inn i ringrommet rundt skjermen. Slike grenrør skaffer til veie vekslende veier som tillater grusslammet fremdeles å bli levert selv om en sandbro skulle dannes før operasjonenen var fullført. En fullstendig beskrivelse av en typisk vekslende vei gruspakking og hvordan de virker kan bli funnet i f. eks. US patent nr. 4,945,991. Flere forbedringer til denne operasjonsteknikken og til verktøyene har blitt foreslåtte i f. eks. US patent nr. 4 945 991; 5 082 052; 5 113 935; 5 341 880; 5 419 394; 5 435 391; 5 476 143; 5 515 915 og 6 220 345. Denne teknikken har med suksess vært benyttet for horisontale brønner.

Fra US 5,934,376 fremkommer det fremgangsmåter og anordning for komplettering av en ukonsolidert undergrunnssone penetrert av en brønnboring. Fra US 6,298,916 fremkommer det en kompletteringsstreng for anvendelse i en brønn, og som omfatter en hovedkanal, for eksempel et produksjonsrør. Fra US 6,230,803 fremgår det en kompletteringssammenstilling som letter gruspakking og fraktureringsstimulering av soner med kort mellomrom. Fra US 5,375,661 fremgår det en fremgangsmåte for brønnkomplettering.

I motsetning fra vannpakking foretas gruspakking med grenrørteknikken fra hæl til tå basert på visuell observasjon i storskala verftstest (se f. eks. figur 3 i Journal of Petroleum Technology, januar 2000, sidene 50-58). Faktisk basert på storskala verftstesten skjer pakkingen med denne teknikken med etterfølgende dannelser av broer som beskrevet i JTD artikkelen som det er referert til tidligere. Videre, så snart et segment av skjerm/formasjonsringrommet og grenrør åpningene som virker i det segmentet er pakket, skjer avledning av slam inn i det neste segmentet til grenrørene på grunn av høy motstand til å strømme gjennom de pakkede grenportene. Det følger av dette at suksessen med gruspakking med denne teknikken blir kontrollert av motstanden til slammet mot å strømme gjennom grenrøråpningene, og uavhengig av hvilken som helst av egenskapene eller tilstedeværelsen av en filterkake. Dette har blitt vist gjentatte ganger i feltoperasjoner hvor gruspakking av lange intervaller har blitt oppnådd uten noe tilbakegang, som det også er opplagt ved storskala verftstester.

Etter plasseringen av grusen er det ønskelig å fjerne filterkaken som har blitt dannet under boring eller en renseprosess for å oppnå en jevn strømnings-profil langs den horisontale brønnen og unngå for eksempel for tidlig aldring av skjermen. Kakerensing har konvensjonelt blitt gjort separat som involverer trekking av arbeidsstrengen ut av hullet, innkjøring av produksjonsstrengen, inndriving av kveilet rør for på denne måten å forflytte den gjenværende gruspakke bærefluidet og merking av en oppløsning. Denne renseprosessen er tidkrevende, kostbar og har ofte har lav virkningsgrad. Det er derfor ønskelig å skaffe til veie en ny måte å komplettere uforede borehull.

Oppsummering av oppfinnelsen

Denne oppfinnelsen foreslår et system og en prosess hvorved gruspakking av uforede kompletteringer kan bli utførte over bruddtrykket for på denne måten unngå skade på filterkaken, hvor det siste typisk er i størrelse på flere millimeter til flere fot. Den foreslåtte tilnærmingen er ny og betydelig annerledes enn konvensjonelle brudd og bruddpakketeknikker, hvor puteinjeksjon og høye injeksjonshastigheter under både pute og slaminjeksjonen er nødvendig for å holde bruddet åpent og dermed opprettholde bruddforplantning.

Foreliggende oppfinnelse oppnår en fremgangsmåte for komplettering av et intervall til et uforet borehull som trenger gjennom underjordiske formasjoner,

nevnte borehull er i fluidkommunikasjon med formasjonen ved hjelp av et grensesnitt som omfatter i det minste en filterkake okkupert sone, hvilken fremgangsmåte omfatter lokalisering av en arbeidsstreng i sandskjermen i borehullet, for dermed å danne et ringrom mellom sandbroen og borehullet; pumping av grusslam inn i nevnte ringrom med en tilstrekkelig hastighet og med et trykk til å danne i det minste et første brudd i en første seksjon av nevnte intervall; og avledning av grusslammet til i det minste en andre seksjon av nevnte det ringrommet gjennom vekslende strømningsveier mens det tilveiebringes hydraulisk isolasjon mellom den første og den andre seksjonen til nevnte intervall for dermed å forhindre tilbakestrømning fra nevnte andre seksjon til nevnte første seksjon og resulterer i utvidelse av det første bruddet og dannelse av et andre brudd i nevnte andre nevnte seksjon til nevnte intervall.

Fremgangsmåten til foreliggende oppfinnelse er hovedsaklig anvendbar for horisontale eller svært avvikende brønner, men kunne faktisk også være anvendbar for alle typer av uforede brønner selv om den er spesielt hensiktsmessig for komplettering av lange intervaller som strekker seg over 91,44 meter og opp til 457,0 meter eller mer dersom nødvendig.

Ifølge en foretrukken utførelsesform er det dannet i det minste tre brudd. Faktisk vil operasjonen vanligvis være konstruert til å danne så mange brudd som mulig over intervallet. Likevel er det et hovedpoeng med oppfinnelsen at disse bruddene ikke er konstruerte til å være brede og/eller lange.

Følgelig, i motsetning til konvensjonelle brudd eller såkalt brekk-og-pakk teknikker, involverer den foreslåtte teknikken ikke putetrinn eller inndriving av en avstivende konsentrasjon, men trenger bare initieringstrykket for brudd til å bli oversteget under pumping. I dette henseende er det viktig å legge merke til at en behandling ifølge foreliggende oppfinnelse typisk vil være konstruert til å danne et brudd på ikke mer enn noen få tommer. Trinnet med pumping blir gjennomført for å skaffe et brudd som teoretisk strekker seg radielt utover fra borehullet ikke mer enn ca 3 meter, fortrinnsvis som ligger mellom 0,91 meter og 2,54 meter, og mest fortrinnsvis mellom 1,5 og omkring 15,2 meter. I forhold til dette aspektet er det verdt å merke seg at brekk-og-pakk operasjoner vanligvis er konstruert til å danne brudd fra omkring 15,2 til omkring 30,5 meter.

På samme måte er bredden til bruddet kontrollert slik at det fortrinnsvis ligger mellom 0 og 12,7 mm. Følgelig er den totale forflytningen av volum av grusslam vanligvis to ganger det volumet til skjermen/borehullsringrommet, og i de fleste tilfeller ligger mellom 1,5 og 2,5 ganger til det nevnte volumet.

Oppfinnelsen oppnår et antall fordeler, nemlig eliminasjonen av be-handlingen med fjerning av kaken og den risikoen som er forbundet med å skade sandskjermen spesielt når det benyttes aggressive filterkaker oppløsningsmidler som er baserte på klorholdige syrer. Gruspakking over formasjonstrykket oppnår en måte å omgå eksterne filterkaker som ville ha vært fjernet av rensefluider, omgår eksterne skader på filterkaker og som reduserer den totale kostnaden ved boring og komplettering samtidig som brønnproduktiviteten maksimaliseres, og forbedrer levetiden til brønnen som et resultat av et redusert potensial for plugging på grunn av økede overflateområder, og forbedrede produksjons/injeksjonsprofiler gjennom selektive brudd av seksjoner med lav permeabilitet eller stimulering av strømningsstrupede uforede seksjoner (dvs. tå til horisontale brønner).

Kort beskrivelse av tegningene

Andre og ytterligere formål, egenskaper og fordeler til foreliggende oppfinnelse vil bli bedre forstått ved å referere til tegningene ved hvilke: figur 1 er en konseptuel skisse for uforede grenpakkinger av horisontale brønner over bruddtrykket ifølge oppfinnelsen; og

figur 2 er en skisse, i delvis snitt, til en seksjon til en vekslende vei verktøy i en driftsoppstilling innenfor en uforet brønnboring idet grusfluid strømmer i samsvar med oppfinnelsen for å danne et første brudd.

Detaljert beskrivelse av de fortrukne utførelsesformene

Den foreslåtte teknikken vedrører uforede kompletteringer boret med et borefluid som danner en filterkake, og den involverer plassering av grusslam i et tyktflytende slam med serviceverktøyet i den sammentrykte posisjonen ved å benytte vekslende veier/grenskjermer. Borefluidet kan enten være vannbasert eller syntetiske/oljebaserte; likevel, det er fortrinnsvis et reservoar borefluid slik at filterkaken er tynn og inneholder en relativ liten mengde mo og fra et langsiktig ståsted vedrørende migrering av boremo inn i pakkingen til formasjonen, jo mindre mengder av mo nedihulls, jo bedre.

Suksessen med grusplasseringen med den foreslåtte teknikken baserer seg på tilstedeværelsen av en filterkake med lav permeabilitet, og som holder fluidtapet til et minimum slik at dehydrering mot formasjonen ikke skjer inntil bruddtrykket er oppnådd og et lite brudd trenger igjennom filterkaken og formasjonen. Fremgangsmåten til foreliggende oppfinnelse unnlater med hensikt å injisere et tyntflytende fluid eller "pute" over bruddtrykket før injeksjonen av grusslammet. På samme måte blir ingen inndrivende bruddoperasjon utført. Tanken bak er å minimalisere lekkasjen i bruddet som ville føre til at grusen/- avstivningen til broen å bortfalle og avlede slammet til en annen seksjon til det uforede hullet uten skikkelig å ha pakket det dannede bruddet.

Grusslammet for anvendelse i samsvar med foreliggende oppfinnelse er omfattet av gelatinert base og grus. Uttrykket "grus" skal være forstått å inkludere hvilket som helst faststoff materiale slik som sand, bauksitt, keramisk avstands-holder, og til slutt resinbelegg. Størrelsen på grusen skal være valgt basert etter konvensjonelle kriterier; generelt er det foretrukket at grusen har en størrelse som varierer mellom 20 og 40 mesh (US Standard Sieve Series). Bærefluidet kan enten være vannholdig (vann eller saltlake) eller et oljebasert fluid. En mengde av kjente gelatineringsmiddel kan bli tilsatt en vannholdig base, som inkluderer naturlige eller syntetiske gummier slik som guar, polysakkarider, spesielt galaktomannan-gummier, polymerer slik som polyakrylamider, biopolymerer slik som xanthan og cellulose-avledede materialer. Modifisert cellulose eller avledninger derav og spesielt "rene" polymerer slik som fornettet hydroksyalkyl-cellulose og karboksymetylcellulose er av spesiell interesse.

Vannholdige fluider kan også være gelatinert ved å benytte viskoelastiske overflateaktive stoffer, for eksempel basert på kationiske overflateaktive stoffer slik som erucyl metyl (2-hydroetyl) ammoniumklorid, (heretter omtalt som "EMHAC") og zwitterioniske overflateaktive stoffer slik som betain overflateaktive stoffer. Bærefluider gelatert med viskoelastiske overflateaktive stoffer er polymerfrie og har derfor mindre sannsynlighet for å skade oljereservoaret. Videre hjelper viskoelastiske overflateaktive stoffer til ytterligere å øke motstanden mot lekkasje inn i seksjonen med brudd som det er beskrevet i US patent nr. 5 551 516, Hydraulic Fracturing Process and Compositions (norsk: Hydrauliske brudd-prosesser og sammensetninger), nummer 5,964,259, Methods of Fracturering Subterranean Formations (norsk: Fremgangmåter for brudd av underjordiske formasjoner) og US patent nummer 5,979,557, Methods forLimiting the Inflow of Formations Water and for Stimulating Subterrean Formations (norsk: Fremgangsmåter for innstrømning av formasjonsvann og for stimulering av underjordiske formasjoner), er alle inkludert her ved referanse. Viskoelastiske fluider bidrar også til å redusere friksjonstrykket og et punkt med spesiell interesse siden bærefluidet må bli transportert langs lange intervaller med rør med redusert tverrsnitt.

I motsetning til konvensjonell bryting skal tettheten til bærefluidene benyttet i samsvar med foreliggende oppfinnelse typisk være høyere for å opprettholde god stabilitet før og under bruddprosessen med en relativ lav injeksjonshastighet.

Når som helst under hele kompletteringsoperasjonen blir slammet generelt pumpet ved brønnhodetrykk på mindre enn 6895 kPascal (kPa). Igjen er det et betydelig forskjellig fra brekk-og-pakk teknikker som involverer et trinn med bryting ved et brønnhodetrykk opptil 34470 kPa eller til og med høyere. Under grusplasseringen er serviceverktøyet i en innpresset posisjon eller ringrommet er stengt. Injeksjonshastigheten spenner typisk mellom 2 og 5 fat i minuttet (bpm) med en solid konsentrasjon som typisk ikke overstiger 2 ppa.

Bruddprosessen involverer i oppfinnelsen er illustrert i figur 1. Etter boring trenger et intervall til brønnen som skal kompletteres (se figur 1 A) gjennom en formasjon 1 som omfatter noen grunne soner 2, 3 og 4 som sannsynligvis legger til rette for dannelse av broer. Grensesnittet mellom borehullet og formasjonen omfatter en sone 5 som er invadert av en filterkake. En skjerm 6 er plassert i borehullet slik at den definerer et ringrom 8.

Som det kan ses på figur 1B, blir et grusslam 9 pumpet innenfor ringrommet 8 ved et trykk som så vidt overstiger formasjonstrykket. Bruddene 10, 11 vil initielt bli dannet til skiferleire. Anvendelsen av en redusert injeksjonshastighet kan være tilstrekkelig den tidligere brudne seksjonen gjennom den ringformede pakkingen og frembringe etterfølgende bruddinitieringspunkt så snart hastigheten (og dermed trykket) blir økt.

Så snart mindre avstivede brudd har blitt dannet, takket være teknologien med vekslende veier som tillater transport av grusslammet gjennom broer, kan flere brudd 12 langs brønnboringen bli oppnådd (figur 1C) dersom en tilstrekkelig grad av isolasjon til spylerør/baserøret ringrommet ved valgte intervaller.

I praksis kan denne graden av isolasjon kanskje bli oppnådd ved å tilføre forbindelser til gruspakkestrengen som illustrert i figur 2. Fremgangsmåten til oppfinnelsen er typisk utført med en vekslende veiverktøy som omfatter et spylerør. Som det er nevnte tidligere er alternative vei verktøy godt kjente og fullstendige beskrivelser av deres konstruksjon og virkemåte kan bli funnet i den offentlige tilgjengelige litteraturen, derfor konsentrerer skissen seg på noen nye aspekter ved oppfinnelsen.

En typisk arbeidsstreng omfattes av et baserør 12 hvilket er posisjonert innenfor et ytre rør eller deksel 13. Dekslet omfatter perforerte seksjoner. Baserøret og dekslet er vanligvis sentrert men det kan også være usentrert. Arbeidsstrengen omfatter videre et spylerør 14. I drift er spylerøret og baserøret strømningsmessig tilknyttet til overflaten slik at to forskjellige fluider kan bli levert til brønnintervallet.

Baserøret består av perforerte seksjoner 15 som er dekket med en sandskjerm 16. Den omfatter videre en eller flere grenrør 17 som er radielt fordelte omkring sandskjermen. Hvert grenrør omfatter åpningene 18, eller fortrinnsvis i det minste injektorene hvilke skaffer til veie vekslende strømningsveier.

Dette arrangementet definerer et første ringrom 19 mellom spylerøret og baserøret/skjermen og et andre ringrom 20 mellom baserøret/skjermen og baserøret/skjermen. Ifølge en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse er det første ringrommet delt inn i avdelte seksjoner gjennom plasseringen av sammenføyninger 21, foreksempel PBRer, i skjermsammen-stillingen og pakninger på spylerøret.

I tilfeller hvor danning av brudd over et visst punkt (dvs. nær hælseksjonen til en uforet horisontal brønn) kan være uønsket; kan et perforert spylerør bli benyttet til gruspakking av den øvre seksjonen og utlede brudd i de nedre seksjonene.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte for komplettering av et intervall til et uforet borehull som gjennomtrenger en underjordisk formasjon (1), idet nevnte borehull kommuniserer med formasjonen (1) ved bruk av et grensesnitt som omfatter i det minste en filterkakeokkupert sone (5), hvilken fremgangsmåte omfatter: (a) plassering av en arbeidsstreng i en sandskjerm (16) innvendig i borehullet, for dermed å forme et ringrom (8) mellom sandskjermen (16) og borehullet; (b) pumping av grusslam (9) inn i nevnte ringrom (8) med en tilstrekkelig hastighet og trykk til å danne i det minste et første brudd i en første del av nevnte intervall, idet fremgangsmåten erkarakterisert ved: (c) avleding av grusslammet (9) til i det minste en andre seksjon av nevnte ringrom (8) gjennom vekslende strømningsveier mens det tilveiebringes hydraulisk isolasjon mellom den første og den andre seksjonen av nevnte intervall for dermed å forhindre tilbakestrømning fra nevnte andre seksjon til nevnte første seksjon og resulterer i en forlengelse av det første bruddet og dannelse av et andre brudd i nevnte andre seksjon av nevnte intervall.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, omfattende gjentagelse av trinn c) i det minste en gang.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 hvorved brønnen er horisontal eller svært avvikende.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 2 hvorved lengden til kompletteringsintervallet er i det minste 30,48 meter.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1 hvorved grusslammet (9) omfatter en viskøs base.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 3 hvorved den viskøse basen omfatter et viskøst overflateaktivt stoff.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1 hvorved det første og det andre bruddet strekker seg radielt utover fra borehullet med en avstand mellom 76,2 mm til 3810 mm.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1 hvorved den totale fortregningen av det totale volumet av grusslam (9) er innenfor et verdiområde på 150% og 250% til ringrommet (8) mellom sandskjermen (16) og borehullet.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1 hvorved arbeidsstrengen videre inkluderer et spylerør (14) plassert innenfor skjermen, og dermed danner et spylerør/skjerm ringrom (19), hvorved pakninger er plasserte ved diskrete intervaller innenfor nevnte spylerør/skjerm ringrom (19).