NO842774L - Fremgangsmaate for aa frakturere en underjordisk formasjon - Google Patents

Description

Oppfinnelsen retter seg mot en fremgangsmåte for hydraulisk frakturering av en underjordisk formasjon.

Hydrauliske fraktureringsteknikker har vært anvendt i stor utstrekning for å øke gjenvinningen av hydrokarboner fra underjordiske formasjoner. Disse teknikker involverer å inji-sere et fraktureringsfluidum ned en brønn i kontakt med den underjordiske formasjon som skal fraktureres. Tilstrekkelig høyt trykk påføres fraktureringsfluidumet for å starte og forplante en frakturering i den underjordiske formasjonen.

Det er vanligvis antatt at ved dybder vil frakturene som dannes være vertikale frakturer. Dette er fordi ved dybder er de minste hovedspenninger i de fleste formasjoner i hori-sontalplanet som fremskaffer en foretrukket vertikal fraktur-orientering.Propphindrende middel blir vanligvis blandet i fraktureringsfluidumet og avsettes i frakturen for å opprett-holde frakturen åpen.

Hydraulisk frakturering er vidt anvendt for å øke produksjons-graden fra olje- og gassbrønner. Fraktureringsbehandlinger utføres vanligvis straks etter at formasjonsmellomrommet som skal fremstilles, er fullendt, det betyr straks etter at flu- ■ idkommunikasjon mellom brønnen og reservoarmellomrommet er etablert for produksjonsformål eller injiseringsformål. Brøn-ner fraktureres noen ganger med det formål å stimulere produksjonen etter signifikant uttømming av reservoaret.

Hydraulisk frakturering er hovedfremgangsmåten som anvendes for å stimulere produksjon fra olje- og gassbrønner i lav-gjennomtrengelige reservoarer. Nesten alle slike frakturer er vertikale. Det er alltid ønskelig, og noen ganger nødven-dig, å begrense den vertikale utstrekning (høyden) av slike frakturer til den hydrokarbonbærende sone av interesse, men å forlenge frakturen for en vesentlig horisontal distanse. Ofte er den ønskede horisontale utstrekning (lengden) mange ganger den ønskede høyden... Det ønskede resultat kan straks oppnås når mellomrommet som skal fraktureres avgrenses oppe og nede av lag som hindrer vekst av frakturer, slik som myk leirskifer. I mange andre tilfeller er grenselagene ikke effektive i å forhindre vertikal vekst av frakturer. Dette er en hovedbegrensning for anvendelse av hydraulisk fraktu-reringsteknologi. I slike tilfeller vokser den resulterende fraktur inn i de ikke-produktive grenselagene, og noe av det verdifulle fraktureringsmateriale er bortkastet. I tilfeller hvor gjennomtrengelige lag som inneholder uønskede fluider, slik som vann, også er gjennomtrengt av frakturen, vil en stor mengde av uønsket fluidum introduseres gjennom frakturen og inn i produksjonsbrønnen. I tilfeller hvor mengden av slikt uønsket fluidum er prohibitiv, må brønnen forlates.

Den foreliggende oppfinnelse søker å tilveiebringe en fremgangsmåte for å kontrollere den vertikale vekst av en hydraulisk fraktur i en underjordisk formasjon lokalisert inntil en annen underjordisk formasjon, i hvilken forplantning av frakturen skal unngås.

Følgelig innehar oppfinnelsen en fremgangsmåte for å frakturere en underjordisk formasjon som er lokalisert inntil en annen formasjon, i hvilken frakturdannelse skal forhindres, innbefattende trinnene: a) å fastlegge fraktureringsgradienten i den underjordiske formasjonen som skal fraktureres, b) å fastlegge fraktureringsgradienten i den tilstøtende formasjon, hvor frakturering skal forhindres, c) å fastlegge fra disse fraktureringsgradienter tettheten"hv fraktureringsfluidet, som er nødvendig for å forhindre forplantning av frakturering inn i nevnte tilstøtende formasjon, d) å velge et fraktureringsfluid med den nødvendige tetthet for å hindre forplantningen av nevnte frakturering inn i nevnte tilstøtende formasjon mer enn den spesifiserte vertikale distanse, og e) å frakturere nevnte underjordiske formasjon med fraktureringsfluid.

Tegningen viser en brønn som trenger seg gjennom et flertall underjordiske formasjoner, hvorav en blir frakturert ved en fremgangsmåte i samsvar med et eksempel av den foreliggende oppfinnelse.

Idet det vises til tegningen strekker en brønn 10 seg fra overflaten av jorden inn i underjordiske formasjoner 11 - 15. Brønnen 10 er utstyrt med et foringsrør 16, som omgis av se-ment 17 som forhindrer kommunikasjon i brønnen på utsiden av foringsrøret mellom de underjordiske formasjoner. Kommunikasjon med en underjordisk formasjon som er hydrokarbonbærende, etableres ved perforeringer, slik som perforeringene 18, som strekker seg inn i den underjordiske formasjonen 13 f. eks. For å forøke produksjonen fra en hydrokarbonbærende formasjon 13, utføres en fraktureringsbehandling gjennom perforeringene 18 for derved å produsere den vertikalt anbragte fraktur 19.

Det er et spesifikt trekk ved den foreliggende fremgangsmåte

å forhindre veksten av frakturen 19 og forhindre den fra å trenge gjennom ikke-gjennomtrengelige formasjoner, slik som 12 og 14, inn i gjennomtrengelige formasjoner som inneholder uønskede fluider, slik som 11 og 15. Frakturen 19 vises idet den tenderer å vokse oppover inn i formasjonen 12. Siden frakturvekst domineres ved størrelsen av de minste hovedspenninger in situ, er spenningen normalt på frakturplanet i formasjonen 12 ikke særlig større enn den i formasjonen 13.

Den minste hovedspenningen kan uttrykkes som en frakturerings-gradient gf, som er den minste hovedspenningen S, dividert ved dybden Z, det er:

For at frakturen skal forplante seg, må fluidtrykket i frakturen overskride S^. Fluidtrykket i frakturen øker lineært med dybden avhengig av fluidtettheten, det totale trykket ved ethvert punkt er PQ + pgh, hvor PQ er trykket ved et referanse- punkt Zq i fluidet, p er fluidtettheten, g er tyngdens akse-lerasjon og h er den vertikale avstanden fra referansepunktet Zq, positivt nedover. Fluidtrykkgradienten på grunn av vertikal strømning i frakturen er utelatt. I praksis er det behen-dig å uttrykke fluidtrykkgradienten relativt gradienten g^i rent vann, som er 9,73 kPa/m. Gradienten for ethvert fluid er da 9,73 (p/pQ), hvor p er tettheten på fluidet og pQ er tettheten på vann, uttrykt i de samme enheter. Således er fluidtrykket P^i frakturen, slik som ved 19 i tegningen, gitt ved

Den ovenfor nevnte informasjon anvendes nå for å forhindre tendensen til frakturen 19 å vokse oppover. Dette ses best fra det følgende eksempel. Anta at fraktureringsgradienten g^av formasjonen 13 og g^av formasjonen 12 er bestemt å være 15,83 kPa/m, så blir fluidtrykket i fraksjonen:

Ved å la referansepunktet Zq være bunnen av formasjonen 13, forplanter frakturen seg som følger:

Ved å la fraktureringsfluidet være vann, vil trykket være ved ethvert punkt i frakturen Pz:

siden h er positiv nedover, er trykket Pzmindre enn p . Således er trykket P^ztil frakturen ved ethvert punkt Z over

V

hvor [h] er den absolutte verdien av h.

Således vil frakturen ha en sterk tendens til å forplante seg oppover. For å unngå denne tendens, må det anvendes et fraktureringsfluid med en tetthet slik at:

For å tilveiebringe en sikkerhetsmargin, bør det velges et fluid med vekt 1,68 - 1,80 kg/l.

Fra eksemplet ovenfor kan det ses at frakturer tenderer å vokse oppover for formasjoner med like fraktureringsgradienter, som er i det normale området (13,57 - 20,36 kPa/m). Fraktureringsgradienter, vanligvis, men ikke alltid, øker med dybden.

Et tilfelle av nedadvendende frakturvekst og innretninger for å forhindre dette, vil slik vekst nå bli beskrevet for et eksempel i hvilket fraktureringsgradienten i formasjonen 13 er 15,83 kPa/m, og gradienten i formasjonen 14 er 15,61 kPa/m. Fraktureringstrykket ved Zq, bunnen av formasjonen 13, er 15,83ZQ. Fraktureringstrykket i laget 14 ved ethvert punkt Z + h er:

o

Like under formasjonen 13 er fraktureringstrykket i formasjonen 14 mindre enn i formasjJ onen 13 ved 15,' 83 Z o - 15,61 Zoeller 0,22 Z o. Således vil frakturen ha en sterk tendens til forplantning inn i laget 14. For å forplante frakturen i formasjonen 13 uten å fortsette forplantning nedad i forma-

sjonen 14, må P være:

J z

Dette trenger:

Hvis ZQ= 1524 m, behøves 15,61 h > 335,28 eller h > 22,.1 m. Men det må også legges til for fraktureringsfluidsøylen. Dette nødvendiggjør et tillegg til h, = A h, for å balansere fluidsøylen mot frakturgradientforskjellen. Dette trenger: Hvis frakturen trenger inn 3 0,5 m i formasjonen 14, vil

Det midlet som er tilgjengelig for å justereP/PQer valg av fraktureringsfluider med ulik tetthet, valg av forskjellige konsentrasjoner av propphindrende middel og valg av propphindrende middel med forskjellig tetthet. Enhver praktisk kombinasjon av fluid, propphindrende middel og tetthet av det propphindrende middel kan anvendes.

Innretningen for å bestemme fraktureringsgradienten innbefatter direkte måling av fraktureringstrykket og korrelasjoner, slik som de beskrevet av Breckels, I. M. and Van Eekelen,

H. A. M., "Relationship Between Horizontal Stress and Dpth

in Sedimentary Basins", Journal of Petroleum Technology, september 1982, sidene 2191 - 2199. Enhver annen egnet inn-retning kan anvendes.

Midlet for justering av fluidtetthet vil nå bli vist. I det foregående eksempel for en oppad voksende fraktur trengs en fluid med tetthet større enn 1,63 kg/l. Dette kan'oppnås ved å oppløse en egnet mengde av tilstrekkelig oppløselig og tykt salt i vann sammen med geledannende midler etc, f. eks. natriumbromid. Imidlertid vil det vanligvis være mer økono-misk å oppnå den ønskede tetthet ved å tilføye en passende mengde av propphindrende middel til det vannholdige fluidet. Noe av økningen i tetthet kan oppnås hvis ønsket, ved å oppløse rimelige salter, slik som natrium eller kaliumklorid, i vannholdig fluid. I ikke-vannholdige fluider kan den samme type prosedyre følges.

Tettheten av et fluid som inneholder faste parriklerPfs?slik som propphindrende midler, gis ved:

hvor p f er fluidtettheten, C f er den andelen av hele volumet som opptas av fluidet, pg er tettheten av de faste partikler og Cg er den andelen av hele volumet som opptas av faste partikler. Tettheten av fraktureringsfluidene og konsentrasjonen av faste partikler som inneholdes deri er vanligvis uttrykt i kg/l: hvor V er andelen av propphindrende middel i slammet. Volumet av det propphindrende middel i en liter er: hvor p ser sandkorntettheten i kg/l = 2,65. For å oppnå en vannslamtetthet på 1,63 kg/l trenger::

Hvis en større økning i tetthet er nødvendig enn den som oppnås ved sand, kan det anvendes en sintret bauxitt eller annet middel. Dersom det trengs en enda høyere tetthet, kan tettheten av basisfluidet økes ved tilsetning av et oppløselig salt.

For å oppnå et mindre tett fraktureringsfluid, kan en lav-tetthetsvæske, slik som dieselolje, anvendes. For å oppnå en enda lavere tetthet, kan den vannholdige eller oljevæsken blandes med en gass for å oppnå et stabilt skum, som er vel kjent for fagmannen som driver med hydraulisk frakturering. Tettheten på slikt skum, innbefattende propphindrende middel hvis ønsket, utregnes på en måte lik den gitt ovenfor for et vannholdig slam.

Fra de foregående eksempler ses det at kontroll av vertikal vekst av frakturer utøves ved kontroll av den vertikale trykk-fordelingen innenfor fraktureringsfluidet. Hvis det ønskes hindring av frakturvekst oppad, anvendes et tett frakturer-ingsf luid. Hvis hindring av frakturvekst nedad ønskes, anvendes et lett fraktureringsfluid. Nærmere bestemt bestemmes fraktureringsgradientene i den formasjonen som skal fraktureres og i den tilstøtende formasjon hvor frakturering skal hindres. Ut fra dette fastsettes fluidtettheten som er nød-vendig for å nekte forplantning av frakturen inn i formasjonen hvor frakturering skal unngås, eller den fluidtettheten som er nødvendig for å minimalisere gjennomtrengning av frakturen inn i formasjonen til ikke mer enn en spesifisert vertikal avstand. Et fraktureringsfluid klargjøres som har mer enn minimumstettheten som trengs hvis oppad forplantning skal forhindres eller mindre enn maksimum av ønsket tetthet hvis nedad forplantning skal forhindres, som regner med mengden av propphindrende middel som skal brukes i -fraktureringsfluidet.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for å frakturere en underjordisk formasjon, som er lokalisert inntil en annen formasjon i hvilken frakturering skal unngås, karakterisert ved at den innbefatter trinnene: a) å bestemme fraktureringsgradienten i den underjordiske formasjonen som skal fraktureres, b) å bestemme fraktureringsgradienten i den tilstøtende formasjonen hvor frakturering skal unngås, c) å bestemme fra nevnte fraktureringsgradienter den fraktu-reringsfluidtetthet som er nødvendig for å forhindre forplantning av frakturering inn i nevnte tilstøtende formasjon, d) å velge et fraktureringsfluid med den nødvendige tetthet for å forhindre forplantning av nevnte frakturering inn i nevnte tilstøtende formasjon mer enn nevnte spesifiserte vertikale distanse, og e) å frakturere den underjordiske formasjonen med nevnte fraktureringsfluid.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at tettheten av fraktureringsfluidet er større enn minimumsfraktureringsfluidtettheten som er nødvendig for frakturvekst oppad.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at tettheten av nevnte fraktureringsfluid er mindre enn maksimumsfraktureringsfluidtettheten som er nødven-dig for frakturvekst nedad.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at for å avhjelpe i forhindring av frakturvekst oppad, økes tettheten av nevnte fraktureringsfluid ved tilsetning av et granulært, fast, propphindrende middel, sand sintret bauxitt og/eller et salt oppløselig i fluidet.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at for å avhjelpe i å forhindre frakturvekst nedad minskes tettheten av nevnte fraktureringsfluid ved tilsetning av en olje med lav tetthet og/eller en gass som danner et stabilt skum.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at fraktureringsfluidets tetthet bestemmes i samsvar med det følgende for å forhindre frakturvekst oppad: p <>> (p0) (gf)/gw) hvor: p = tettheten av fraktureringsfluidet i kilo pr. liter, p = tettheten av vann, o g^ = fraktureringstrykkgradienten av formasjonen som skal fraktureres, gw = fluidtrykkgradienten i rent vann.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at fraktureringsfluidets tetthet bestemmes i samsvar med det følgende for å forhindre fraktureringsvekst nedad: p <<> (p0) (gf)/(gw) hvor: p = tettheten av fraktureringsfluidet i kilo pr. liter, p = tettheten av vann, Ko ' g^ = fraktureringstrykkgradienten av formasjonen som skal fraktureres, gw = fluidtrykkgradienten i rent vann.