NO155820B - Fremgangsmaate for konsolidering av en geologisk formasjon. - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåten går ut på å injisere i formasjonene en organisk væskeblanding som inneholder minst én polymeriserbar, kjemisk bestanddel og en katalysator. Den organiske blanding reagerer med en begrenset mengde av en injisert oksyderende gass for å danne et fast produkt som konsoliderer formasjonene uten i vesentlig grad å redusere deres permeabilitet. Katalysatoren omfatter i kombinasjon bly og minst ett element av gruppen som består av nikkel, kopper og sink.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for konsolidering av geologiske formasjoner, hvilken fremgangsmåte er særlig anvendbar ved olje- og gassinneholdende reservoarer, for å hindre at sand strømmer inn i en brønn gjennom ukonsoliderte, eller utilstrekkelig konsoliderte, sandformasjoner. Mer generelt kan denne fremgangsmåte benyttes for lokal konsolidering av gjennomtrengelige formasjoner.

Forskjellige fremgangsmåter er blitt foreslått for å

hindre at sand skal strømme inn i nye borehull, eller for å be-handle brønner som kan tenkes å bli utsatt for sandstrømning under utvinning av olje- eller gassavsetninger.

En første type fremgangsmåte består i å fastholde sanden ved hjelp av mekaniske innretninger, ved bruk av kunstige sikter med kalibrerte åpninger eller grus-pakninger som har en veldefi-nert størrelsesfordeling, avhengig av størrelsen på sandpartiklene eller -kornene i den geologiske formasjon som gjennomtrenges av borehullet. En slik fremgangsmåte anvendes meget ofte for nye brønner, men den er vanskelig å utføre.

En annen type fremgangsmåte består i å injisere inn i den geologiske formasjon en væskeformig harpiks som ved polymerise-ring danner en forbindelse mellom sandkornene. Effektivitetén av en kjemisk metode av denne andre type er usikker, ettersom reaksjonen av polymeriseringen av den injiserte harpiks vesentlig avhenger av de forhold som hersker i borehullet i formasjons-nivået samt på sistnevntes egenskaper. En slik fremgangsmåte gjør det således ikke mulig å kontrollere graden av den kjemiske reaksjon. Det er derfor fare for enten utilstrekkelig konsolidering av formasjonen dersom harpiksens polymeriseringsgrad ikke er tilstrekkelig, eller for en for stor reduksjon av den geologiske formasjonspermeabilitet, eller også for en fullstendig gjenplugging av denne, dersom en for stor mengde polymer tilbakeholdes i enkelte av porene i formasjonen.

En annen fremgangsmåte, som er beskrevet i britisk patent 975 229, består i å innføre i formasjonen suksessivt et materiale som vesentlig består av en umettet fettsyre, deretter en oksydert gass, med sikte på å oppnå en resinifikasjon av materialet .

Man oppnår imidlertid bare en tilfredsstillende konsolidering ved hjelp av denne fremgangsmåte, dersom formasjonen som skal konsolideres har en temperatur på mellom 150° og 300°C, eller dersom den oppvarmes til en slik temperatur som ér meget høyere enn de normale temperaturer i olje- eller gassreservoarer.

Ifølge ovennevnte patent tilsettes en katalysator bestående av kobolt-naftenat eller mangan-naftenat. Selv i dette sist-nevnte tilfellet er den således oppnådde konsolidering bare tilfredsstillende dersom formasjonens temperatur er tilstrekkelig høy.

US patent 3 388 74 3 angir også en konsolideringsmetode der injisering av en tørkeolje i formasjoner som omgir borehullet følges av injisering av en oksyderende gass. Den delvis oksy-derte olje utgjør et godt bindemateriale for sandpartiklene.

Ved bruk av en oksydasjonskatalysator, såsom bly- eller kobolt-naftenat, er det mulig å forkorte den tid som er nødven-dig for oksydering av oljen.

Den konsolidering som oppnås ved bruk av denne metode er imidlertid i alminnelighet utilstrekkelig for det formål man tar sikte på.

Fra fransk patent 1 409 599 er også kjent en fremgangsmåte for konsolidering av grunnen der grunnen behandles med olje-polymer inneholdende sikkativ-katalysatorer som herder ved tørking av luft på overflaten til grunnen som skal konsolideres. Denne behandling som frembringer harde, ugjennomtrenge-lige masser er imidlertid ikke egnet for konsolidering av geologiske undergrunnsformasjoner hvor permeabiliteten må opprett-holdes.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er således å til-veiebringe en enkel og pålitelig fremgangsmåte for konsolidering av en geologisk formasjon uten i vesentlig grad å redusere dens permeabilitet, hvilken fremgangsmåte kan anvendes ved grunnfor-masjoner hvis egenskaper kan variere innenfor et temmelig bredt spekter. Fremgangsmåten er særlig egnet for behandling av olje- eller gassbrønner der sand er tilbøyelig til å strømme.

Dette resultat oppnås ifølge oppfinnelsen ved styring av den kjemiske endring av et polymeriserbart materiale. Denne fremgangsmåte går ut på at der i formasjonen injiseres en væskeformig blanding av organiske produkter hvormed oppnås, in situ, en moderat kjemisk endring når denne væskeformige blanding kom-mer i kontakt med en bestemt mengde av en oksyderende gass, slik at den væskeformige blanding ved.en eksotermisk reaksjon omdannes til et stoff som binder de ukonsoliderte elementer i formasjonen, idet injeksjonen av oksyderende gass gjør det mulig å unngå noen vesentlig reduksjon av denne formasjons permeabilitet med hensyn til fluider såsom olje eller naturgass. Sammensetningen av væskeblandingen, såvel som oksygeninnholdet og mengden av oksyderende gass, er regulert slik at reaksjonen vil starte ved formasjonens normale temperatur og slik at man styrer graden av oksydasjonsreaksjonen ved polyme-risering av væskeblandingen.

Mer bestemt tilveiebringer oppfinnelsen en fremgangsmåte for konsolidering av en geologisk formasjon omfattende følgende to suksessive trinn: a) i formasjonen injiseres en organisk væskeblanding som inneholder minst én polymeriserbar kjemisk sammensetning og en katalysator, hvilken blanding er istand til, in situ i kontakt med en oksyderende gass, å underkas-tes kjemiske reaksjoner som starter ved den geologiske formasjons normale temperatur og frembringer et fast produkt som konsoliderer formasjonen uten i vesentlig grad å påvirke dens permeabilitet, og b) der injiseres en mengde av en oksyderende gass som er tilstrekkelig til at den organiske væske går så godt

som fullstendig over til fast form, hvilken mengde samtidig er slik begrenset at den temperatur som nåes i formasjonen under nevnte reaksjoner ikke overstiger 350°C

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er karakterisert ved at der i den organiske væskeblanding anvendes en katalysator som i kombinasjon omfatter bly og minst ett element av gruppen som ut-gjøres av nikkel, kopper og sink, og at innholdet i væskeblandingen av hvert av metallene som anvendes i katalysatoren er mindre enn 3 vektprosent.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er effektiv også dersom temperaturen i formasjonen (som særlig avhenger av dens dybde) er lav, ettersom reaksjonen ved oksydering av det organiske materiale bevirker frigjøring av en betydelig varmemengde i den behandlede sone slik at man når det termiske.nivå.som tillater at den organiske blanding effektivt polymeriseres og gir en tilstrekkelig kohesjon mellom partiklene i den geologiske formasjon. Videre reguleres oksygeninnholdet i den injiserte oksyderende gass samt mengden av oksygen som tilføres i formasjonen på en slik måte at man ikke overskrider den maksimale temperatur som ville føre til nedbryting av det polymeriserte materialet.

Ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan der i den organiske blanding med fordel anvendes en sikkativ-olje, eventuelt fortynnet med et organisk oppløsningsmiddel, idet en katalysator som ovenfor angitt tilsettes denne olje. Den anvendte sikkativ-ol je kan med fordel være linolje, terpentinolje, safflovolje, eller mer generelt vegetabilske oljer med høyt innhold av poly-etylen-sammensetninger. De anvendte oppløsningsmidler består f.eks. av hydrokarboner såsom benzen, toluen, xylen, eller av en petroleum-fraksjon, idet mengden av oppløsning fortrinnsvis ligger mellom 0 og 50 % for begrensning av reaksjonsnedsettel-sen på grunn av fortynningen.

Elementene i katalysatoren anvendes i form av salter, såsom karboxylater, naftenater, sulfonater, oktoater... som er oppløselige i bestanddelene i den organiske blanding. Mengden av oppløsningen i hvert av metallene som anvendes i katalysatoren vil være mindre enn 3 vektprosent, fortrinnsvis mellom 0,007 og 2 vektprosent. Den nøyaktige sammensetning av katalysatoren (anvendte metaller samt mengden av metall) vil avhenge av beskaffenheten av det omgivende miljø samt av de forhold som hersker i avsetningen (trykk, temperatur ....).

Mengden av organisk blanding som injiseres vil fortrinnsvis være mindre enn 500 liter pr. meter tykkelse av den geologiske formasjon, men større mengder vil ikke påvirke effektiviteten ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Når fremgangsmåten anvendes i forbindelse med oljereservo-arer, vil den injiserte oksyderende gass fortrinnsvis være oksygen eller luft, eventuelt fortynnet med nitrogen, karbondiok-syd eller en annen gass som er inert under prøvebetingelsene. Når fremgangsmåten benyttes i forbindelse med gassreservoarer vil den oksyderende gassblanding fortrinnsvis være oksygen eller luft fortynnet med nitrogen, en annen inert gass eller tørr naturgass. Mengden av naturgass må imidlertid være slik at gassblandingen ligger utenfor grensene for dens eksplosive om-råde under prøvebetingelsene.

Voluminnholdet av oksygen i gassblandingen vil fortrinnsvis ligge mellom 0,5 og 100 % og fortrinnsvis mellom 1 og 21 %. Oksygeninnholdet for en gitt sammensetning av den organiske blanding vil fortrinnsvis reduseres når injeksjonstrykket øker. Tilstedeværelsen av vann i gassblandingen unngås om nødvendig ved en passende tørkebehandling. Proposjoneringen av den oksyderende blanding utføres på jordoverflaten, idet blandingens bestanddeler tilføres fra flasker med komprimert gass eller kryogengass, eller fra kompressorer.

Oksygenvolumet i den injiserte gass, målt under standard temperatur- og trykkforhold, vil fortrinnsvis være mindre enn 200 liter pr. liter injisert organisk blanding. Utmerkede resultater er oppnådd ved bruk av mellom 10 og 80 liter oksygen pr. liter organisk blanding.

I figur 1, som skjematisk viser en utføringsform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, angir tallet 1 en geologisk sandformasjon som gjennomtrenges av en brønn 2 som innbefatter et foringsrør 3 med åpninger 4 i nivå med formasjonen 1 fra hvilken en fluid, såsom olje eller naturgass skal utvinnes.

Ved denne utføringsform foregår fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ved at der i formasjonen 1 som behandles suksessivt injiseres forutbestemte mengder av et organisk materiale 5, f.eks. en sikkativ-olje tilsatt en katalysator som ovenfor angitt, eventuelt i blanding med en annen organisk væske såsom et opp-løsningsmiddel eller en petroleum-fraksjon og en oksyderende gass 6 f.eks. luft eller oksygen fortynnet som angitt ovenfor.

Den organiske væskeblanding og gassen kan injiseres etter hverandre gjennom samme produksjonsrør 7, som ved sin nedre ende munner ut stort sett ved åpningenes 4 nedre nivå. En paknings-innretning 9 avtetter ringrommet mellom foringsrøret 3 og pro-duks jonsrøret 7 over formasjonen 1. I produksjonsrøret 7 skil-les oksydasjonsgassen fra den organiske blanding gjennom en plugg 8 av et materiale som har liten eller ingen evne til å oksyderes, idet denne plugg f.eks. utgjøres av et lite volum av oppløsningsmiddel eller av en petroleumsfraksjon i en olje-brønn, eller av naturlig gass i en oljebrønn. Det er således mulig å hindre at der opptrer reaksjoner i den organiske blan-

ding av selve produksjonsrøret.

Selvsagt er oppfinnelsen ikke begrenset til den ovenfor beskrevne utføringsform og andre utføringsformer er tenkelige.

Generelt sett er væsken som injiseres ved 5 en organisk blanding som i kontakt med en oksyderende gass er istand til å ta del i en kjemisk endring som starter ved temperaturen til formasjonen 1 som fører til en konsolidering av formasjonen i området rundt brønnen. Væsken 5 endres lettere ved hjelp av den oksyderende blanding enn hydrokarbonene i formasjonen og enn de organiske utgangsmaterialer som ikke inneholder katalysator, slik at man oppnår den ønskede konsolidering av formasjonen.

Ved oljeavsetninger vil det være fordelaktig, før væsken

5 injiseres, å injisere fluider såsom en xylen, eller en petroleum-fraksjon og en alkohol, f.eks. isopropanol, i den hensikt å drive bort olje og vann i området ved brønnen, ettersom util-børlig store mengder av slik olje og vann kan ha en uheldig virkning på effektiviteten av konsolideringen av omgivelsene.

Mengden av injisert oksyderende gass bestemmes slik at den organiske væske 5 stivner fullstendig, samtidig som temperaturen i formasjonen hindres fra å overstige 350°C som følge av den utviklede varme. Man unngår således ifølge oppfinnelsen å brenne den organiske væske 5 slik at nedbryting av polymerisa-sjonsproduktet forhindres og slik at brønnutstyret beskyttes, særlig foringen 3.

Effektiviteten ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen an-skueliggjøres av følgende forsøk, idet de spesielle utførelser av de forskjellige forsøk ikke på noen måte skal ansees begren-sende for oppfinnelsen.

Forsøk nr. 1

En omhyggelig blanding av kvartssand (kornstørrelse mellom 150 og 300 ^im) og linolje pakkes ved omgivelsestemperatur i et tynnvegget, vertikalt rør, 20 cm i diameter og 15 cm høyt. Varmekrager plasseres rundt røret langs en høyde som opptas av blandingen, slik at varmetap i tverretningen kontrolleres. Dersom temperaturen øker vil den elektriske strøm som leveres til kragene reguleres slik at temperaturen som måles i blandingen ikke avviker mer enn 10°C fra den temperatur som måles i samme nivå mot rørveggen.

Den kompakte masse som oppnås ved å pakke en blanding på 7,2 kg sand og 0,63 kg linolje har en porøsitet på 38 % og en metningsgrad med linolje lik ca. 40 % av porevolumet. Dens opprinnelige temperatur er 20°C.

Luft med en strømningshastighet på 1,55 liter/minutt injiseres under atmosfærisk trykk gjennom øvre ende av røret i 7 timer. Det kunne ikke påvises noen øking i oksygeninnholdet i den utstrømmende gass og ingen temperaturøking i de impreg-nerte, porøse omgivelser. Ved forsøkets avslutning kunne man konstatere at den kompakte masse fortsatt var ukonsolidert.

Det er således klart at under de valgte operasjonsbetingelser fant ingen reaksjon sted i massen impregnert med linolje uten katalysator.

Forsøk nr. 2

En omhyggelig blanding av en mineralbærer og en organisk væskeblanding pakkes ved omgivelsestemperatur i et vertikalt, tynnvegget rør 12,5 cm i diameter som utgjør det indre hus i en sylindrisk høytrykkscelle. Innerrøret er utstyrt med varmekrager og med et varmeisolert belegg for kompensering av varmetap under temperaturøkingen i massen.

Den anvendte organiske blanding er linolje med tilsetning av 1,68 vektprosent bly i form av naftenat og mineralbæreren er kvartssand med tilsetning av 5 % kaolinitt. Forsøket utfø-res under et relativt trykk på 10 bar med en luft-strømnings-hastighet på 3 liter/minutt (målt under standard temperatur-og trykkbetingelser).

I løpet av forsøket som varte i 6 timer steg temperaturen fra 20°C til en maksimal verdi, på 48°C og den lave reaksjons-grad tillot ingen konsolidering av massen.

Forsøk nr. 3

Et forsøk ble utført under operasjonsbetingelser som var identiske med de som ble benyttet under forsøk nr. 2, men den organiske blanding utgjorde i dette tilfellet linolje med tilsetning av 0,3 vektprosent nikkel-oktoat.

Hverken en temperaturstigning eller en konsolidering av omgivelsene kunne påvises.

Forsøk nr. 4

Negative resultater ble også oppnådd under operasjonsbetingelser lik de som ble brukt i forsøk nr. 2, men med en luft-strømningshastighet på 1,5 liter/minutt (målt under standard forhold) og ved bruk av en organisk blanding av linolje med tilsetning av 0,06 vektprosent kopper-naftenat.

Forsøk nr. 5

Et forsøk lik forsøk nr. 2 er blitt utført, denne gang ved bruk av linolje med tilsetning av 1,68 vektprosent bly i form av naftenat og 0,3 vektprosent nikkel i form av oktoat.

Forsøket ble utført under et relativt trykk på 10 bar med en luftstrømhastighet på 3 liter/minutt (standard temperatur-og trykkforhold). Reaksjonen bevirket en temperaturstigning opptil 195°C. Etter prøven ble det konstatert at omgivelsene hadde beholdt sin permeabilitet og var meget godt konsolidert: trykkmotstanden var 90 bar. Den anvendte katalysator gir således utmerkede resultater for konsolidering av omgivelsene.

F orsøk nr. 6

Et forsøk lik forsøk nr. 2 er blitt utført der det sem organisk blanding ble benyttet linolje med tilsetning av 1,68 vektprosent bly og 0,12 vektprosent kopper, begge i form av naftenat.

Prøven ble utført under et relativt trykk på 10 bar med

en luftstrømhastighet på 3 liter/minutt (målt under standard betingelser) i løpet av 7 timer og 40 minutter. Reaksjonen forårsaket en temperaturstigning fra 20° til 260°C.

Ved forsøkets avslutning ble det konstatert at omgivelsene hadde beholdt sin permeabilitet og var fullstendig konsolidert. Trykkmotstanden var 92 bar.

Forsøk nr. 7

Et forsøk ble utført under operasjonsbetingelser lik be-tingelsene i forsøk nr. 2, men denne gang ble det som organisk blanding benyttet linolje med tilsetning av 1,68 vektprosent bly og 0,2 vektprosent sink. I løpet av forsøket, som varte i 7 timer, ble det observert en temperaturstigning fra 20° til 240°C i massen.

Etter forsøket viste det seg at omgivelsene hadde beholdt sin permeabilitet og var fullstendig konsolidert. Trykkmotstanden var 74 bar.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for konsolidering av en geologisk formasjon omfattende følgende to suksessive trinn: a) i formasjonen injiseres en organisk væskeblanding som inneholder minst én polymeriserbar kjemisk sammensetning og en katalysator, hvilken blanding er istand til, in situ i kontakt med en oksyderende gass, å underkas-tes kjemiske reaksjoner som starter ved den geologiske formasjons normale temperatur og frembringer et fast produkt som konsoliderer formasjonen uten i vesentlig grad å påvirke den permeabilitet, og b) der injiseres en mengde av en oksyderende gass som er tilstrekkelig til at den organiske væske går så godt som fullstendig over til fast form, hvilken mengde samtidig er slik begrenset at den temperatur som nåes i formasjonen under nevnte reaksjoner ikke overstiger 350°C, karakterisert ved at der i den organiske væskeblanding anvendes en katalysator som i kombinasjon omfatter bly og minst ett element av gruppen som utgjøres av nikkel, kopper og sink, og at innholdet i væskeblandingen av hvert av metallene som anvendes i katalysatoren er mindre enn 3 vektprosent.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at hvert av metallene anvendes i en konsentrasjon på mellom 0,007 og 2 vektprosent.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at elementene i katalysatoren anvendes i form av salter som er oppløselige i grunn-bestanddelene i den organiske væskeblanding.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at der anvendes en sikkativ-ol je i den organiske væskeblanding.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at der anvendes en linolje i den organiske væskeblanding.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at der anvendes terpentinolje i den organiske væskeblanding.