Dessa forskare kan nu förutsäga tröskeln vid vilken en oljereservoar kommer att producera sand – och kan kollapsa:Från vänster:Dawid Szewczyk, Andreas Berntsen och Lars Erik Walle. Kredit:Thor Nielsen.
Sand i oljeströmmen med risk för brunnskollaps är ett välkänt problem när sandstensreservoarer närmar sig utarmning. Avancerade sensorer och en supermaskin hjälper forskare att hitta tröskeln vid vilken lönsam produktion upphör. Detta kan öka reservoarernas livslängd.
I mogna fält på norsk sokkel – de som har producerat en tid – sänks vätsketrycket i reservoaren, vilket resulterar i lägre motstånd mot de krafter som reservoarberget utsätts för. Dessa krafter gör att sand och stenfragment lossnar från brunnens väggar och blandas med olje- eller gasströmmarna. Detta kallas "sandproduktion" och är ett problem som gäller särskilt äldre fält.
"Att utnyttja resurserna inom utvecklade områden, det lönar sig att producera så effektivt som möjligt från befintliga brunnar, och det kräver kunskap om hur man producerar när risken för sandproduktion ökar. Detta är vad vi nu kan förutsäga mer exakt, säger Andreas Berntsen på SINTEF.
Tämja enorma krafter
Olja och gas finns främst i lager av porös sandsten, där de fyller porer på samma sätt som en vätska fyller en svamp. Några av de vanligaste reservoarerna består av sandkorn som har cementerats ihop under geologisk tid för att bilda sandstenar begravda flera kilometer under ytan.
Om för mycket sand produceras från en brunn, det kommer att orsaka oproportionerligt stort slitage på ventiler och rör. Det kan också resultera i igensättning av brunnen, blockerad utrustning och minskad produktivitet. Sanden måste också separeras från produktionsströmmen, rengöras och kasseras.
Brunnar måste borras ner i reservoaren för att möjliggöra produktion av oljan eller gasen. När ventilerna öppnas, olja och gas kommer att strömma ut från de porösa bergarterna in i brunnen och upp till produktionsplattformen eller in i rörledningar på havsbotten.
"Reservoarer ligger ofta på ett djup av mellan två till fem kilometer och vikten av överliggande stenformationer kommer att utsätta reservoarberget för betydande påfrestningar. Området
omedelbart intill brunnen är mest sårbar för skador om berget är på gränsen för vad det tål, säger Euripides Papamichos, senior forskare som ansvarar för projektet vid SINTEF.
Gammalt forskningsfält
Sandproduktion har därför varit ett viktigt forskningsämne i 25 år, både för att förstå mekanismerna som spelar och även för att möjliggöra förutsägelsen, hantering, begränsning eller förebyggande av fenomenet.
En viktig del av forskningssatsningen är laboratorietestning av sandsten, erhålls antingen från stenbrott eller direkt från ett oljefält. Ett cylindriskt hål borras i sandstensprovet, som en småskalig brunn. Berget placeras sedan i en tryckkammare där det utsätts för spänningar som imiterar dem i en reservoar. Stora hydraulkolvar applicerar varierande tryck i olika riktningar medan olja tränger igenom berget och in i brunnen. När påfrestningarna ökar, det är möjligt att observera sand i oljeströmmen när berget runt brunnen krossas.
"I labbet kan vi styra tryck och flöde och reproducera de spänningar och flödesförhållanden som finns inom olika områden. Vi kan även mäta sandproduktion och observera hur brunnsväggarna eroderas. Utifrån detta kan vi skapa modeller för när sandproduktionen kommer att ske. börja och hur det kommer att utvecklas över tid för olika bergarter. Detta är mycket svårare att mäta i fält, så laboratorietester är värdefulla, säger Berntsen.
Krafter påverkar reservoaren från alla håll
Den vertikala spänningen är störst, medan de horisontella spänningarna ofta är något mindre. Att anta att spänningarna i horisontalplanet är lika i alla riktningar gör beräkningarna och laboratorieförsöken enklare. De flesta laboratorier kan ändå inte variera dem självständigt. Problemet är att detta inte representerar den verkliga bilden i de flesta fältsituationer.
"Dessutom, lång, lutande eller horisontella brunnar har blivit vanligare och detta gör spänningsmönstret mycket mer komplext. Vi vet att stenstyrkan beror på spänningsmönstret, och detta påverkar sandproduktionen. Dock, Endast True Triax låter oss faktiskt testa effekten av stressmönstret, " förklarar Lars Erik Walle på SINTEF Industri. Han syftar på avdelningens senaste storsatsning, det äkta triaxiala testsystemet, som kan variera spänningar i alla tre riktningar.
Specialutvecklad monstermaskin
True Triax-maskinen är den enda i sitt slag som kan imitera förhållanden som råder upp till tio kilometer under ytan samtidigt som den tillåter vätskeflöde vid hög temperatur. Utrustningen är speciellt konstruerad för detta laboratorium, väger tio ton och, har en kraft på 800 ton på bergprover som mäter upp till en halv meter i diameter.
Under många år, SINTEF-forskare har utvecklat testmetoder för att studera sandproduktion i laboratoriet, men först nu tillåter utrustningen simulering av verkligt realistiska stressförhållanden. Arbetet med detta projekt har pågått sedan 2017, och SINTEF-forskare har nu tagit en doktorsexamen. forskarassistent vid NTNU som ska göra en specifik studie av hur sandproduktion går till i gasfält.
Från fysiska mätningar till datormodeller
De fysiska mätningarna från laboratorietester, kombinerat med modeller och simuleringar, används för att utveckla en mjukvaruapplikation för att uppskatta sandproduktion.
"Vi bygger upp en stor kunskapsbas med hjälp av olika sandstenar i testerna. alla stenar är olika, så våra industripartner skickar reservoarbergprover direkt från fältet för att testas av oss så att vi kan kalibrera våra modeller. Information från brunnar införlivas sedan i programvaran, som beräknar sandproduktion från olika delar av brunnen under givna förhållanden. På så sätt kan operatörerna jämföra olika produktionsmetoder, säger Papamichos.
De huvudsakliga målen för detta forskningsprojekt är att:
