Formation reinforcement for wellbore stability and sand control

Hovedaktivitetene i prosjektet har vært både eksperimentelle og teoretisk/numeriske. Eksperimentene har i hovedsak tatt for seg optimalisering av spikerinnskyting i prøver av to forskjellige steintyper, nemlig kritt og sandstein. Krittet er en dagbruddsst ein fra Mons i Belgia, og er en god analog til høyporøs Norsjøkritt. Sandsteinene er også dagbruddsteiner; den ene er den relativt svake Saltwash South, mens typen Saltwash North er noe sterkere. Innledende testing viste at Saltwash South såpass svak at s pikerinnskyting førte til massive skader/oppskrekking i laboratorieprøvene. Det ble dermed avgjort å bruke Saltwash South i den videre testinga. Spikerplasseringa viste seg å være en utfordrende oppgave, og det ble avgjort å ha to forskjellige tilnærmi nger til oppgaven. Den første metoden innebar dynamisk innskyting ved bruk av Hilti sine kommersielle spikerpistoler, mens den andre metoden var å først forbore et hull i prøven, for deretter å bruke den bergekaniske lastramma (testsystemet) til å presse inn spiker. En spesialutvikla trykkcelle er produsert for å kunne kontrollere omslutningstrykk rundt steinprøven under innskyting/innpressing. I tillegg vil cella bli brukt til å foreta utdragningseksperimenter for å optimalisere spikertype og ?dimensjone r for en gitt steintype, samt for å kalibrere modellen for kontakt mellom stein og spiker. Eksperimenter er blir i skrivende stund utført på Surface Instability Apparatus ved University of Minnesota under veiledning fra Professor Joe Labuz. Tester har blitt utført på Saltwash North (sandstein) og Mons (kritt). Dataene er ennå ikke analysert. Det teoretiske/numeriske arbeidet har innebefattet analyser med endelig element-metode, hvor spikerutdragninga har blitt modellert. Spiker-stein-systemet ble si mulert med en friksjonskontakt mellom spiker og stein, mens steinprøven ble antatt å følge en elastoplastisk materialoppførsel. Resultatene av de numeriske simuleringene ble sammenlignet med analytiske beregninger, og noen viktige parametre ble variert fo r å utforske deres innvirkning på motstand under spikerutdragning. Kontaktstivheten beregnet ved bruk av Cox? analytiske «Shear Lag Model» samsvarte godt med numeriske beregninger, så fremt grensebetingelsene i de to metodene var like. Betingelser som ant att i Shear Lag-modellen er dog ikke alltid realistiske, og bruk av grensebetingelser som er sannsynlig i et laboratorieoppsett førte til en kontaktstivhet som var betydelig lavere enn den analytiske modellen forutsa. Parametrene som viste seg å ha størst effekt på maksimal utdragningskraft var lengde på spiker-stein-kontakt, friksjon mellom spiker og stein, og diameter på det forbora hullet.

Soil nailing and rock bolting is a widely used technique in geotechnical and rock engineering, mining and tunneling, for the reinforcement and strengthening of the ground by installing closely spaced steel bars (nails or rock bolts) into a slope or excava tion. Here it is proposed to use nailing on a smaller scale to support hydrocarbon producing wellbores in shale and reservoir sandstones and chalks. Due to the inevitable scale effect, the intense fluid flow conditions and the high in situ stresses, no di rect transfer of the existing technology is possible and new developments are necessary. In formation nailing, nails are placed into the rock to create a reinforced section that is itself stable and able to retain the material behind it without reducing its permeability. The reinforcement is passive and develops its reinforcing action through nail-formation interactions as the formation deforms during and following drilling and/or production. The activities to establish the technique are based on experi ments on three relevant formation rocks, viz. shale, sandstone and chalk. Theoretically, a constitutive model is developed for the nail-rock interaction to be used for analytical and numerical finite element analyses of the nail reinforcement problem unde r various conditions. A user-friendly Nail Predictor Software Tool is developed for field applications.