NO340860B1 - Fremgangsmåte for konsolidering av partikkelmateriale i en brønn - Google Patents

Description

FREMGANGSMÅTE FOR KONSOLIDERING AV PARTIKKELMATERIALE I EN BRØNN

Oppfinnelsens område

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for konsolidering av sand i hydrokarbonbrønner. Mer bestemt, vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte og an-vendelsen av en sammensetning som sørger for sandkonsolidering ved temperaturer fra 0-150 °C og forbedret kontroll over brukstid og herdetid.

Bakgrunn for oppfinnelsen og kjent teknikk

Når olje produseres fra en brønn, er sand ofte til stede i det produserte fluidet. Dette er et særlig fremherskende fenomen når reservoarene utgjøres av dårlig konsolidert bergart, så som sandstein.

På grunn av den abrasive karakteren til sand, kan dens tilstedeværelse i det produserte fluidet forårsake flere problemer, så som tidlig svikt av pumper og erosjon av pro-duksjonsrør, ventiler, strupere, rørbend og annet mekanisk utstyr som brukes i pro-duksjonen av petroleum. Foringsrør plassert i brønnen har også muligheten for å kollapse hvis reservoar-bergarten setter seg på grunn av hulrommene som er igjen på grunn av sand som har migrert inn i det produserte fluidet. Videre kan fjerningen av kontaminert sand og tilknyttet håndtering av sanden påføre betydelige kostnader. Den årlige kostnaden innen petroleumsindustrien forbundet med problemene som er forbundet med sandproduksjon er i området milliarder av dollar.

Flere faktorer kan påvirke sandproduksjonen i såkalte "svake formasjoner". Uttøm-ming av reservoartrykk, spenninger i bergarten og forandringer i strømningsrate og forandringer i andel produsert vann (water cut) er alle faktorer som kan ha en inn-virkning på mengden av sand som produseres fra en brønn.

For å redusere eller minimere mengden av sand som produseres fra en brønn, er flere teknikker velkjente innen fagområdet. Slike teknikker er mekaniske, kjemiske eller en kombinasjon av disse.

Mekaniske midler for styring av innstrømming av sand til det produserte fluidet består vanligvis av metoder for å danne mekaniske hindringer som sand ikke kan passere gjennom, som i prinsippet virker som et filter. Plassering av finmaskede skjermer, silrør og såkalte "gruspakninger" er i alminnelig bruk. En gruspakning er en masse av grus av en spesifikk størrelse for å hindre passasje av sand. De mekaniske anordning-ene blir vanligvis installert i brønnboringen i nærheten av det produserende interval-let.

Et problem som er forbundet med bruken av mekaniske midler for sandkontroll er den mulige pluggingen som kan finne sted i skjermer, gruspakninger og forlengingsrør. Produktiviteten av oljen kan avta markert når dette skjer.

En ikke-mekanisk metode som kan brukes som en sandkontroll-foranstaltning er å

opprettholde brønnstrømningen ved det såkalte "MSFR", som betyr maksimum sandfri mengde (maximum sandfree rate). Dette gjøres ved å forsinke strømmen, og på denne måte minimere de hydrodynamiske krefter som virker på sanden. Dette reduserer omfanget av sand som kan føres inn i brønnboringen. Opprettholdelse av strømmen ved eller under MSFR kan imidlertid være svært uøkonomisk.

Kjemiske midler for sandkontroll er i alminnelighet basert på injisering av et polymerisk materiale som har den effekt at det binder sandkornene sammen. Kjemiske metoder er i mange tilfeller foretrukket i forhold til mekaniske midler. Årsaken til dette er at brønnboringen får være fri for hindringer, og på grunn av immobiliseringen av sanden som skjer i en større avstand fra brønnboringen, hvor de hydrodynamiske krefte-ne er tilbøyelige til å være mindre. I tillegg kan kjemiske behandlinger utføres i brøn-ner uten produksjonsrør og uten trekking av kompletteringsstrengen.

Kjemiske oppredninger blir vanligvis plassert ved bruk av en tretrinns-prosess. I det første trinnet injiseres et flytende polymerisk materiale inn i brønnen og inn i formasjonen, hvor - i det andre trinnet, permeabiliteten i formasjonen reetableres ved injisering av et sekundært fluid som åpner opp kanaler i det polymeriske materialet. Til slutt herdes det polymeriske materialet, enten av seg selv, eller ved injisering av en initiator eller aktivator inn i formasjonen. I henhold til denne prosessen, er formålet med det polymeriske materialet å belegge sanden for å gjøre at sandpartiklene kleber seg til hverandre. Etter kjemisk sandkonsolidering, vil permeabiliteten i bergarten sjelden returnere til sin "ubehandlede" verdi. Permeabiliteten blir vanligvis redusert med 10 til 40 prosent av de initiale verdiene.

Vanlige polymerkjemier som brukes for sandkonsolidering innbefatter epoksyer, furaner, polyestere, polyoler og fenoler. Harpiksene herdes ved bruk av katalysatorer som igangsetter polymerisasjon. Katalysatorene blir enten blandet med harpiksene ved overflaten, eller injiseres som et andre trinn når den polymeriserbare harpiksen har blitt plassert i formasjonen. For de furanbaserte harpiksene blir i niti atore n/kata-lysatoren i alminnelighet injisert i formasjonen først.

US4427069 offentliggjør et sandkonsolideringsmateriale omfattende furfuryl alkohol oligomer-harpiks herdet med lewis-syrer, så som aluminiumklorid. Katalysatoren blir ført injisert i formasjonen fulgt av den oligomeriske harpiksen som deretter polymeri-serer og konsoliderer sanden.

Et problem med bruken av furfuryl alkoholharpikser er at initiatoren ikke kan blandes med harpiksen ved overflaten, ettersom polymerisasjons-reaksjonene er svært raske og uforutsigbare.

US5492177 beskriver en fremgangsmåte for sandkonsolidering, hvor sandkonsolide-ringssammensetningen omfatter en allylmonomer, et tynningsmiddel og en initiator. Sammensetningen herdes i formasjonen når den utsettes for en hevet temperatur på 73 °C.

Det generelle problem med fremgangsmåter for sandkonsolidering ifølge kjent teknikk er behovet for hevede temperaturer for å bevirke herding, generelt over 70 °C, og mangelen på eksakt styring over brukstiden og herdetiden til de polymeriske sandkon-solideringsmaterialene.

Uttrykket "brukstid" skal forstås som tiden etter tilsettingen av katalysator/initiator, hvor materialet opprettholder lav nok viskositet til at det kan anvendes tilfredsstillen-de, dvs. at materialet har en tilstrekkelig lav viskositet til at det kan pumpes inn i en formasjon. Uttrykket "herdetid" er tiden fra tilsettingen av katalysator/initiator inntil det polymeriske materialet fullstendig har herdet til en fornettet masse.

Søkeren har tidligere patentert et middel og en fremgangsmåte for fremstilling av tet-ninger i olje- og gassbrønner. Dette er beskrevet i US6082456. Sammensetningen beskrevet i nevnte patent tilveiebringer et middel for tetting av soner med en rask herding, lav krymping og kontrollert herdetid.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Oppfinnelsens hensikt er å avhjelpe eller å redusere i det minste én av ulempene med kjent teknikk, eller i det minste tilveiebringe et nyttig alternativ til kjent teknikk.

Oppfinnelsen oppnås gjennom trekk som er angitt i beskrivelsen nedenfor og i krave-ne som følger.

Det har overraskende blitt funnet at materialet som tidligere er patentert av søkeren for brønn-tettingsformål også er egnet til bruk som et sandkonsoliderings-materiale, hvilket tilveiebringer flere fordeler i forhold til kjent teknikk.

Hovedformålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en forbedret fremgangsmåte for utførelse av sandkonsolidering, hvor det resulterende herdede polymeriske sandkonsoliderings-materialet tilveiebringer høyere styrke, lavere krymping og en mer kontrollert herdetid enn i fremgangsmåter ifølge kjent teknikk.

Formålet oppnås med en fremgangsmåte omfattende et første trinn hvor et sandkonsoliderings-materiale omfattende en prepolymer i form av en i det minste delvis umettet polyester eller epoksyvinylester, minst én vinylinneholdende monomer, en inhibitor, en initiator og valgfritt et fyllstoff og/eller akselerator og andre additiver, injiseres inn i formasjonen.

Det andre trinnet i fremgangsmåten omfatter injisering av en vandig, ikke-vandig væske eller et gassholdig middel i formasjonen med det formål å reetablere permeabiliteten i formasjonen.

Det tredje trinnet i fremgangsmåten omfatter å la sammensetningen ifølge det første trinnet herde ved friradikal-polymerisasjon i den sandholdige formasjonen ved en temperatur på 0-150 °C for å danne et herdet sandkonsolideringsmateriale.

Valget av mengden av initiator, akselerator og inhibitor i forhold til mengden av prepolymer, gir kontroll over den ønskede herdetiden og brukstiden til sammensetningen slik dette er bestemt av formasjonens temperatur. Et fyllmateriale kan også innbefat-tes i sammensetningen for justering av reologi, tetthet og mekaniske egenskaper.

I et første aspekt vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte for konsolidering av par-tikkelmaterialer i en brønn, hvor fremgangsmåten omfatter et første trinn hvor en sammensetning injiseres i en sandholdig formasjon, hvor sammensetningen omfatter en herdbar ikke-vandig homogen væske, en initiator for varmefremkalt produksjon av frie radikaler, en brukstidsforlengende inhibitor for stabilisering av frie radikaler, og valgfritt et fyllstoff eller en akselerator, hvor nevnte ikke-vandige, homogene væske videre omfatter en i det minste delvis umettet prepolymer valgt fra gruppen bestående av polyester og epoksyvinylester, og minst én allyl- eller vinyl-inneholdende monomer.

Under det første trinnet blir sammensetningen blandet ved overflaten for å oppnå den ønskede herdetiden slik dette er bestemt av reservoarbetingelsene. Dette gjøres ved korrekt valg av mengden av initiator, inhibitor og valgfritt akselerator, som beskrevet i US6082456. Et fyllmateriale blir alternativt også blandet inn i sammensetningen.

Viskositeten til den ikke-polymeriserte sammensetningen bør fortrinnsvis bringes til å være i området 5 til 100 cP ved nedihullstemperatur-betingelser.

Sammensetningen blir deretter pumpet inn i sonen av interesse gjennom arbeids-strengen (produksjonsrør, kveilrør, osv.). Sonen av interesse kan f.eks. være sonen nær bunnen av hullet. Sammensetningen blir deretter presset inn i den sandholdige formasjonen rundt brønnboringen.

Det første trinnet følges av et andre trinn hvor en vandig, ikke-vandig væske eller en gass injiseres for å reetablere permeabilitet til formasjonen. Det andre trinnet for-trenger sammensetningen videre inn i formasjonen.

Formålet med det andre trinnet er å åpne opp kanaler i den polymeriserbare massen som formasjonsfluid kan strømme i og gå i brønnboringen. Uten det andre trinnet, har materialet muligheten for å herde in situ, og ville da i realiteten virke som et tet-ningsmateriale, hvilket strider mot formålet med oppfinnelsen som er å hindre sand i å strømme inn i brønnboringen.

Under det andre trinnet belegger det polymeriserbare materialet de ukonsoliderte sandkornene, hvilket tilveiebringer vedheft mellom sandpartiklene, og deretter sørger for at sandpartiklene immobiliseres.

Det andre trinnet følges av et tredje trinn hvor sammensetningen tillates å herde ved fri radikal-polymerisasjon underlagt reservoarbetingelsene. Sammensetningen er særlig egnet til bruk ved reservoartemperaturer mellom 0-150 °C.

Etter det tredje trinnet tillates brønnen å produsere. Strømningsratene og sandpro-duksjonsratene registreres for å fastslå virkningen av behandlingen.

Det første trinnet kan valgfritt komme etter et forbehandlingstrinn. Forbehandlings-trinnet omfatter kjøring av injeksjonstester, f.eks. ved å pumpe vann i en mengde på 2,7-13,2 dm<3>/s (1-5 Bbl/min) og registrering av injeksjonsparametrene.

Etter injeksjonstesten, kan vandig eller ikke-vandig fluid injiseres inn i formasjonen med det formål å rengjøre perforeringskanalene, og med det formål å skyve forma-sjonsfluidet bort fra sonen nær brønnboringen, og med det formål å øke bindingen mellom sand og herdbar væskesammensetning. Fluidet er fortrinnsvis et formasjons-kompatibelt fluid, så som en saltholdig vandig løsning. Fluidet kan også inneholde stoffer, så som overflateaktive stoffer, med det formål å forandre fuktingskarakteristi-kaene til sandkornene før det første trinnet i fremgangsmåten.

En forskyllingsløsning som er egnet til bruk med den foreliggende fremgangsmåte, omfatter en kombinasjon av en vannholdig væske, et koplingsmiddel og valgfritt et overflateaktivt stoff. Det overflateaktive stoffet som brukes kan velges fra enhver klasse av overflateaktive stoffer, omfattende ikke-ioniske overflateaktive stoffer, anioniske overflateaktive stoffer, kationiske overflateaktive stoffer, amfoteriske overflateaktive stoffer, hydrotropiske overflateaktive stoffer, eller kombinasjoner av disse. Kop-lingsmiddelet er fortrinnsvis et silankoplingsmiddel valgt fra gruppen omfattende vinyltrimetoksysilan, 3-metakryloksy propyltrimetoksysilan, aminoalkylsilan, og kombinasjoner av disse. Silankoplingsmiddelet er vanligvis til stede i området fra 0,1 til 4 vekt-% av sandkonsolideringsmaterialet.

Prepolymeren som brukes i det første trinnet ifølge fremgangsmåten kan velges til å være en polyester, epoksyvinylester eller en blanding av disse. For å oppnå den nød-vendige fornetting, må doble bindinger være tilstede i prepolymeren. For eksempel kan det brukesumettede prepolymerer av estertypen .

Eksempler på kommersielt tilgjengelige prepolymerer som er egnet til bruk med

den foreliggende fremgangsmåte er Norpol 68-00 DAP og Norpol 47-00 (Jotun AS, Norway).

I henhold til den foreliggende oppfinnelse kan det første trinnet i fremgangsmåten videre innbefatte velging av den monomeriske komponenten av sammensetningen fra en gruppe omfattende styren, vinyl toluen og akrylatforbindelser.

På grunn av sikkerhetsforskrifter offshore, blir vinylforbindelser som oppviser lave flammepunkter vanligvis unngått. Et eksempel på en slik forbindelse er styren med et flammepunkt på 31 °C. Av denne årsak er forbindelser så som vinyltoluen (fp 53 °C), andre akrylatforbindelser, diallylftalat, eller blandinger av disse, foretrukket.

Akrylatforbindelser kan velges fra gruppen omfattende 2-hydroksy etylmetakrylat og 2-hydroksypropylmetakrylat.

En allylforbindelse, så som diallylftalat, kan også blandes inn i sammensetningen med en hvilken som helst av monomerene som er beskrevet ovenfor.

Videre kan sammensetningen som beskrevet i det første trinnet i fremgangsmåten, prepolymeren, velges til å være til stede i en mengde som ikke er mer enn 90 vektdeler, idet monomeren velges til å være til stede i en mengde som ikke er mer enn 90 vektdeler.

Initiatoren kan velges blant vanlige radikal-initiatorer så som organiske peroksider. Eksempler på slike peroksider er benzol peroksid, t-butyl-peroksy-3,3,5-tri metyl heksa noat, t-butyl-kumylperoksid og di-t-butylperoksid. Mengden av initiatoren velges i henhold til temperaturbetingelsene i formasjonen, som et middel til å oppnå den ønskede brukstid og herdetid. Initiatoren er vanligvis til stede i området 0,1-5 vektdeler av sammensetningen.

Inhibitoren som brukes i sammensetningen velges fra radikal-inhibitorer, alminnelig kjent for en person med fagkunnskap innen teknikken. Et eksempel på en foretrukket inhibitor er parabenzokinon, ettersom denne inhibitoren er særlig virksom ved hevede temperaturer. Andre inhibitorer som kan brukes er hydrokinoner som danner kinoner når det reagerer med dispergert oksygen. Mengden av inhibitoren velges basert på den ønskede brukstid og herdetid for sammensetningen, og er vanligvis i området 0,02 til 2 vektdeler av sammensetningen.

Initiatoren og valgfritt inhibitoren og/eller akseleratoren, er fortrinnsvis valgt i en mengde slik at en herdetid i området fra 30 minutter til 24 timer oppnås ved et temperaturområde på 0-150 °C i formasjonen. Mer foretrukket er herdetiden mellom 2 til 6 timer ved et temperaturområde på 0-150 °C i formasjonen.

Akseleratoren kan velges blant vanlige akseleratorer for friradikal-reaksjoner, hvilket ville være kjent for en person med fagkunnskap innen teknikken. Eksempler på slike akseleratorer er overgangsmetallbaserte akseleratorer, så som de rene elementene og sammensetningene av kobolt, jern, kopper og mangan. Eksempler på organiske akseleratorer er amider og aminer, så som N,N-dimetyl-p-toluidin.

Sammensetningen kan videre omfatte et fyllstoff. Formålet med fyllstoffet er å styre de reologiske egenskapene til sammensetningen, forbedring av de mekaniske egenskapene og justering av tettheten til sammensetningen, hvis det er påkrevet. Fyllstoffet kan være ethvert materiale, men et krav er at fyllstoffet er kompatibelt med herdetemperaturen til sammensetningen og at fyllstoffet er kjemisk inert. Fyllstoffet er typisk til stede i en mengde som utgjør 10-45 volum-% av sammensetningen. Ek sempler på fyllmaterialer er materialer som velges fra gruppen omfattende oksider, så som trimangantetraoksid, karbonater så som kalsiumkarbonat, sulfater så som ba-riumsulfat, og mineraler så som wollastonitt. Fyllstoffet kan også være silisiumholdige materialer, så som glassperler, hule glasskuler, høydispers silika eller aerogeler.

Sammensetningen som beskrevet i det første trinnet i nevnte fremgangsmåte, brukes som et sandkonsolideringsmateriale generelt, uten å følge fremgangsmåten som tidligere beskrevet.

For ytterligere å illustrere den foreliggende oppfinnelse, fremsettes det følgende eksempel:

EKSEMPEL 1

Våt sand ble pakket som en homogen sandpakke (20-40 mesh størrelse) i en 10 cm lang kjerne med 25,4 mm diameter. Den tilnærmede porøsitet for sanden var 37 %.

Kjernen ble skylt med ferskvann ved en strømningsrate på 50 ml/min. Porevolumet i kjernen var ca. 15 ml. Intet injeksjonstrykk ble observert.

En forskyllingsløsning omfattende 1 vekt-% overflateaktivt stoff og 1 vekt-% silankoplingsmiddel ble deretter injisert ved en strømningsrate på 10 ml/min med et volum korresponderende til ca. 5 porevolumer.

Sandkonsoliderings-sammensetningen (1,03 SG, 60 cP viskositet) ble deretter injisert ved en strømningsrate på 5 ml/min med et volum av sammensetning korresponderende til ca. 2 porevolumer.

Kjernen ble deretter skylt med 12 porevolumer ferskvann ved en strømningsrate på 10 ml/min.

Kjernen ble deretter plassert i et vannbad ved 70 °C i 3 timer for å herde sandkonsoliderings-sammensetningen. Etter at herdingen var fullført, ble kjernen igjen skylt for registrering av den resulterende permeabiliteten.

Den resulterende massen av sand var fast, men permeabel for fluidstrøm.

Den konsoliderte massen av sand ble testet for en-akset trykkfasthet. De en-aksede trykkfasthetene varierte fra 4,137 til 13,34 MPa (600-1500psi) avhengig av volum etter skylling og den ønskede permeabilitet etter behandling.

Claims (17)

1. Fremgangsmåte for konsolidering av partikkelmateriale i en brønn,karakterisert vedat nevnte fremgangsmåte omfatter de følgende trinn: A- å injisere en sammensetning i en sandholdig formasjon, hvor sammensetningen omfatter en herdbar ikke-vandig, homogen væske, en initiator for varmefremkalt produksjon av frie radikaler, en brukstidsforlengende inhibitor for stabilisering av frie radikaler, og valgfritt en akselerator og valgfritt et fyllstoff, hvor nevnte ikke-vandige, homogene væske videre omfatter en i det minste delvis umettet prepolymer valgt fra gruppen bestående av polyester og epoksy vi nylester, og minst én vinyl- eller allyl-inneholdende monomer; B- å deretter injisere en vandig, ikke-vandig væske eller en gass for reetablering av permeabilitet i formasjonen; C- å la sammensetningen i trinn A herde ved fri radikal-polymerisasjon i den sandholdige formasjonen ved en temperatur på 0-150 °C for å danne et herdet sandkonsolideringsmateriale.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, hvor trinn A videre innbefatter valg av monomeren fra en gruppe omfattende styren, vinyltoluen og akrylatforbindelser.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, hvor monomeren i tillegg omfatter diallylftalatmonomer.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, hvor nevnte akrylatforbindelser er valgt fra gruppen omfattende 2-hydroksyetylmetakrylat og 2-hydroksypropylmetakrylat.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-4, hvor nevnte prepolymer er valgt til å være tilstede i en mengde på ikke mer enn 90 vektdeler, monomeren er valgt tilstede i en mengde på ikke mer enn 90 vektdeler, initiatoren er valgt til å være tilstede i en mengde på 0,1-5 vektdeler, og inhibitoren er valgt til å være tilstede i en mengde på 0,02-2 vektdeler.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, hvor trinn A i fremgangsmåten videre omfatter velging av fyllmaterialet fra en gruppe omfattende oksider, sulfater, mineraler, silisiumholdige materialer eller kombinasjoner av disse.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, hvor trinn A i fremgangsmåten videre omfatter velging av glassperler som fyllmaterialet.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, hvor trinn C videre omfatter herding av sammensetningen i området 30 minutter til 24 timer ved 0-150 °C.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, hvor fremgangsmåten videre omfatter et trinn før trinn A hvor et væskemiddel injiseres i formasjonen for fortrenging av fluider som er til stede i formasjonen.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 9, hvor fremgangsmåten omfatter injisering av en vandig løsning som væskemiddelet.

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 9, hvor fremgangsmåten videre omfatter tilsetting av overflateaktive stoffer til væskemiddelet.

12. Fremgangsmåte som angitt i krav 11, hvor fremgangsmåten videre omfatter velging av det overflateaktive stoffet fra en gruppe omfattende anioniske, kationiske, ikke-ioniske, amfoteriske og hydrotropiske overflateaktive stoffer eller kombinasjoner av disse.

13. Fremgangsmåte som angitt i krav 9, 10, 11 eller 12, hvor fremgangsmåten videre omfatter tilsetting av et silankoplingsmiddel til væskemiddelet.

14. Fremgangsmåte som angitt i krav 13, hvor fremgangsmåten videre omfatter velging av silankoplingsmiddelet fra gruppen omfattende vinyltrimetoksysilan, 3-metakryloksy propyltrimetoksysilan, aminoalkylsilan, og kombinasjoner av disse.

15. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, hvor trinn A i fremgangsmåten videre omfatter velging av akseleratoren fra gruppen omfattende overgangsmetall-forbindelser.

16. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, hvor trinn A i fremgangsmåten videre omfatter velging av akseleratoren fra gruppen omfattende amider og aminer.

17. Fremgangsmåte som angitt i krav 16, hvor trinn A i fremgangsmåten videre omfatter velging av N,N-dimetyl-p-toluidin som akseleratoren.