Evaluation of Shale Formations as Barrier Element for Permanent Plug and Abandonment of Wells PDF
Preview Evaluation of Shale Formations as Barrier Element for Permanent Plug and Abandonment of Wells
Evaluation of Shale Formations as Barrier Element for Permanent Plug and Abandonment of Wells Kristian Moum Skjerve Petroleum Geoscience and Engineering Submission date: June 2013 Supervisor: Sigbjørn Sangesland, IPT Norwegian University of Science and Technology Department of Petroleum Engineering and Applied Geophysics NTNU Norges teknisk-‐naturvitenskapelige Fakultet for ingeniørvitenskap og teknologi universitet Faculty of Engineering and Technology Studieprogram i Petroleumsfag Study Programme in Petroleum Geosciences and Engineering Institutt for petroleumsteknologi og anvendt geofysikk Department of Petroleum Engineering and Applied Geophysics HOVEDOPPGAVE/DIPLOMA THESIS/MASTER OF SCIENCE THESIS Kandidatens navn/The candidate’s Kristian Moum Skjerve name: Oppgavens tittel, norsk/Title of Thesis, Evaluering av skiferformasjoner som barriere Norwegian: element for permanent plugging og forlating av brønner Oppgavens tittel, engelsk/Title of Evaluation of Shale Formations as Barrier Element Thesis, English for Permanent Plug and Abandonment of Wells Utfyllende tekst/Extended text: Background: Many of the large producing fields on the Norwegian Continental Shelf are approaching the end of their lifetime. As a consequence a large number of permanent plug and abandonment (PP&A) operations will take place. The requirements for a permanent barrier state that the barrier must cover the entire cross-‐section of the wellbore, including all annuli. This thesis evaluates the potential of using shale formations alone or in combination with other sealing materials to provide the required annular barrier. Tasks: 1) Discuss existing regulations regarding PP&A, how a PP&A operation can be performed and challenges that may arise during a PP&A job. 2) Discuss conventional, new and future technologies, materials and procedures to solve challenges related to lack of annular seal. 3) Perform laboratory tests to evaluate the potential of settled barite as the annular seal. 4) Compare the use of formation as a barrier vs. alternative solutions for providing the required annular seal. Supervisor Sigbjørn Sangesland Co-‐supervisor Studieretning/Area of specialization: Petroleum Engineering, Drilling Technology Fagområde/Combination of subject: Drilling Tidsrom/Time interval: January 14 – June 10, 2013 ……………………………… Sigbjørn Sangesland ii Acknowledgement This report is made in accordance with my master thesis during the 10th semester of a five-‐year master’s degree program in Petroleum Engineering at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU) in Trondheim. First of all I would like to thank my supervisor professor Sigbjørn Sangesland for guidance and support throughout the work conducted on this thesis. I’m also grateful towards Rune Martin Holt and Pål Skalle at NTNU for sharing their knowledge as well as providing me with valuable papers related to the topic. A special thanks goes to SINTEF Petroleum Research in Trondheim, for providing me with access to their formation mechanics laboratory. Also, I would like to thank PhD student Mohammed Bhuiyan and Samir Rashid for helping me with my experiments conducted at SINTEF. Without their valuable contributions the experiments would not have been possible. Finally, I would like to thank MI Swaco for providing me with micro-‐barite on short notice. Trondheim June 2013 Kristian Skjerve iii iv Summary In a similar fashion to the commonly used saying “that the only thing certain in life is death”, the only thing certain for petroleum wells is that sooner or later the wells will have to be permanently plugged and abandoned. Permanent plug and abandonment (PP&A) is ideally performed by setting a number of cement plugs inside the casing strings. This technique is however only allowed if the casing strings are supported on the outside by a sealing material with sufficient quality over a required interval. When planning PP&A operations several operators have discovered that the annular seal, traditionally provided by annular cement, does not fulfil the abandonment requirements. The operators are thus left with a shortage of annular barriers and costly remedial cementing, milling or cut and pull of casing has to be performed in order to plug and abandon the well. Traditionally, PP&A has been seen as sunk cost with little possible economic upside. However, today as many of the large producing fields on the Norwegian Continental Shelf (NCS) are simultaneously approaching the end of their lifetime, a large wave of PP&A jobs is imminent. As a consequence of the increased relevance, to improve the efficiency and reduce the cost of the operation several new methods, materials and procedures related to all parts of the PP&A operation have been developed. One of these newly developed methods is to use inward moving shale formations as the annular sealing material in cases where the casing cement has failed. Up to now the presence of such barriers has been quite sporadic and their usefulness merely limited to some locations. This thesis has evaluated the potential of these barriers alone or in combination with other sealing materials to create the desired annular seal on a larger scale. The main conclusion is that most shales at least have the potential to seal off parts of the annular gap between the formation and casing within the time frame of PP&A. Whether or not the full gap is closed is dependent on the shales flexibility and creep rates. In general Smectite rich shales found between 2000-‐3000meters appears to be the most suitable for becoming annular barriers. Useful indicators of a shales creep potential are clay content and stiffness. The two most efficient ways in increasing the chance for shales providing an annular barrier is exposing the formation to cations with small hydrated diameter or reducing the annular gap. The latter could be obtained through increasing the casing size or through an annular fill material. Laboratory test shows that compressed barite in combination with only water does not constitute a good sealing material. Thus, unless some additives are added, settled barite could not make up the above-‐mentioned fill material. Compressed micro-‐barite on the other hand appears to form a practically impermeable seal and the material could therefore in combination with inward moving formations make up the required annular barrier element. However, the material has challenges when it comes to placement. Further work should therefore be focused on how this could be performed or alternatively on identifying other more ideal fill materials. Barite in combination with oil-‐water emulsions, diesel or barite mixed with small, soft and non-‐degradable particles may provide good solutions. v vi Sammendrag På samme måte som det ofte brukte ordtaket ” det eneste som er sikkert med livet er døden”, er det eneste som er sikkert for en petroleums-‐brønn at før eller siden vil brønnen bli permanent plugget og forlatt. Permanent plugging for forlating blir ideelt sett utført ved å sette en serie med sement plugger inne i et par av fôringsrørene i borehullet. Denne metoden er imidlertid bare tillatt i tilfeller hvor fôringsrørene har støtte på utsiden av et tetningsmateriale med tilstrekkelig kvalitet over en påbudt minimums lengde. Under planleggingen av permanente plugging og forlatings-‐ operasjoner, har flere operatører oppdaget at tetningsmaterialet i ringrommet, tradisjonelt sement, ikke tilfredsstiller kravene for forlating. Operatørene har da en mangel på ringroms-‐barrierer og kostbare helbredende tiltak som re-‐sementering, seksjons-‐milling eller kutt og løft av fôringsrør må utføres før man kan plugge og forlate brønnen. Tradisjonelt har plugging og forlating av brønner blitt sett på som en kostnad med liten økonomisk oppside, men i dag på grunn av at levetiden på mange av de store produserende feltene på norsk kontinental-‐sokkel nærmer seg slutten, har området fått økt fokus. Som en konsekvens av den økte relevansen, for å øke effektiviteten og redusere kostnadene, har flere nye metoder, materialer og prosedyrer relatert til alle delene av en forlatings-‐operasjon blitt utviklet. En av de nylig utviklede metodene er å bruke innsigende skiferformasjoner som ringroms barriere i tilfeller hvor fôringsrør-‐sementen har sviktet. Hittil har tilstedeværelsen av slike barrierer vært ganske sporadisk, og deres nytte har vært begrenset til noen brønner. Denne masteroppgaven har evaluert potensialet for slike barrierer alene eller i kombinasjon med andre tetningsmaterialer for å danne ringroms barrierer i en større skala. Hovedkonklusjonen er at de fleste skifertyper har potensial til å dekke i alle fall deler av ringrommet mellom formasjon og fôringsrør innen tidsperspektivet for forlating. Om hele eller bare deler av ringrommet avstenges, er avhengig av skiferens fleksibilitet og kryp-‐rater. Generelt virker smektitt-‐rike skifrer funnet mellom 2000 og 3000 meter å være de best egnede for å forme den ønskede barrieren. Nyttige indikatorer på en skifers kryp-‐potensiale, er leirinnhold og stivhet. De to mest effektive måtene å øke sjansen for dannelsen av skiferbarrierer, er å eksponere skiferen for kationer med liten hydrert diameter eller redusere den effektive størrelsen på ringrommet. Sistnevnte kan oppnås ved å øke foringsrørstørrelsen eller gjennom et ringroms fyllmateriale. Laboratorietester viser at komprimert barytt i kombinasjon med bare vann ikke er et godt tetningsmateriale. Derfor, med mindre noen tilsetningsstoffer er involvert, kan ikke utfelt barytt utgjøre det nevnte fyllmaterialet. Komprimert mikro-‐barytt derimot, ser ut til å være praktisk talt impermeabelt og materialet kan derfor i kombinasjon med innover-‐bevegende skiferformasjoner utgjøre den påkrevede ringroms-‐barrieren. Et problem med materialet er imidlertid å få ønsket plassering i ringrommet da det ikke feller ut som vanlig barytt. Videre arbeid bør derfor fokusere på hvordan nevnte plassering kan oppnås eller alternativt på å identifisere andre mer ideale fyllmaterialer. Barytt i kombinasjon med olje/vann-‐emulsjoner, diesel eller barytt mikset med små, myke og ikke nedbrytbare partikler, kan være potensielle løsninger. vii viii
Description:The list of books you might like
