Controlled Fracturing for Increased Recovery

Hydraulisk oppsprekking (frakturering) kan bidra til økt utvinning av olje og gass fra tette bergarter. Dette kan være en nødvendig teknologi for å gjøre marginale felt i enkelte sand og krittformasjoner på norsk sokkel lønnsomme. Skifergass-revolusjonen i USA og Canada er i stor grad blitt til som et resultat av kombinert horisontalboring og frakturering. Denne teknologien kan imidlertid ikke uten videre implementeres i Norge: Miljømessige hensyn krever bedre kunnskap om hvordan og hvor langt sprekker kan vokse, og om hvordan operasjonene kan effektiviseres ved bruk av mindre vann og mindre kjemikalier. Denne kunnskapen kommer også til nytte for å optimalisere vanninjeksjon for økt oljeutvinning, som regelmessig fører til frakturering. Kontrollert oppsprekking av bergmasser er også en nøkkel til framtidig utnytting av geotermisk energi fra store dyp. Dette prosjektet har utvidet kunnskapen om de mekaniske prosessene som fører til sprekkdannelse og sprekkvekst. Hovedproduktet er en numerisk modell som kalibreres mot kontrollerte eksperiment på kjerneprøver i laboratoriet og mot observasjoner fra kontrollerte fraktureringsforsøk dypt nede i jorden. Den numeriske modellen (MDEM - modified discrete element model) kan simulere sprekkutvikling i tre dimensjoner, den tar hensyn til temperaturforskjellen mellom bergart og væsken som brukes for oppsprekking, og den simulerer hvordan denne væsken strømmer i sprekkene og i den porøse bergarten omkring. Prosjektet har i de første årene redusert beregningstiden mye ved optimalisering og parallellisering av koden slik at man nå kan beregne både detaljene nær initiering av oppsprekking samt hvordan sprekken vokser videre over en skala på ti-talls meter. Videre så gir koden godt samsvar mellom væsketrykk ved start av oppsprekking og analytiske løsninger og dette gir mulighet til å analysere resultater fra storskala fraktuering for å finne viktige bergmekaniske parametere. Den numeriske modellen er sammenlignet med resultater fra laboratorieforsøk for å kunne forutsi hvor langt sprekken vokser og hvilke strømningsegenskaper den har. To storskala hydraulisk oppsprekkingstester gjennomført ved TU Delft der man trykksatte et avvikshull i en sementprøve. CT bilder av prøven etter test viste en sprekk som starter parallelt til hullet og så bøyer til horisontal retning etter hvert som den vokser vekk fra hullet. Dette har kvalitativt blitt reprodusert av den numeriske modellen. En nye triaksial ramme (installert i 2017) med mulighet for kontrollert uavhengig styring av spenninger i tre ortogonale retninger har blitt brukt til å gjennomføre fem fraktureringsforsøk på mellom skala. Spenningen ble i disse forsøkene kontrollert i tre retninger for å styre sprekkretning. Den første testen ble gjennomført med en sement prøve for og så fulgte fire forsøk med temperaturkontroll på væsken for å lære mer om hvilken effekt temperatur har på trykket som trengs for å lage en hydraulisk sprekk. Det ble gjennomført forsøk med to materialer. For ett av dem ble den forventede reduksjon av oppsprekkingstrykk ved kjøling observert, mens for det andre materiale ble motsatt effekt observert. Det kan derfor ikke konkluderes fra disse testene. Flere tester har er nødvendig for å kunne redusere effekten som materialenes inhomogenitet har på resultatet. Ved hjelp av en PhD student i prosjektet har vi hatt stor fremgang i å beskrive termiske effekter på hydraulisk oppsprekking og strømning i sprekker. Det har blant annet vært undersøkt hvordan termiske spenninger påvirker strømningen gjennom et nettverk av sprekker (geotermisk anvendelse). I en annen studie så har vi sett på om termiske effekter kan bli brukt effektivt til å unngå høye injeksjonstrykk i vann-injeksjonsbrønner ved å redusere trykk for både oppsprekking og sprekkvekst. Ved å bruke termiske effekter ønsker man å redusere faren for oppsprekking gjennom takbergart, spesielt i områder der oppsprekkingsgradienten er lik i reservoar og takbergart. Arbeidet gjennomføres av SINTEF og NTNU i samarbeid med industripartnere og internasjonale forskerteam i bl.a. Canada, Nederland , Wales og på Kypros.

Prosjektet har bidratt til økt forståelse av hydraulisk oppsprekking i lavpermeable formasjoner. Denne forståelsen er viktig for å designe trygge, effektive og kostnadsbesparende sprekker innen reservoar stimulering og økt oljeutvinning. Programvaren utviklet i dette prosjektet kan også bli brukt innen geotermisk brønn design. Hovedleveransen fra dette prosjektet er programvaren MDEM3D, som gjør det mulig å studere hydraulisk oppsprekking i 2D/3D uten å forhåndsdefinere sprekken. MDEM3D blir distribuert som åpen kilde programvare. Dette gjør det mulig for universiteter og andre forskningsmiljøer å bruke programvaren til utdanning og økt forståelse. Bruken av en triaksial ramme med tre spenningsretninger og utviklingen av prosedyre og utstyr for hydraulisk oppsprekkingseksperimenter med væsketemperatur kontroll og ultrasonisk avbildning av sprekkprosessen er unik. Resultatene og videre bruk av eksperimentelt utstyr kan gi betydelige bidrag til forståelsen av hydrauliske oppsprekking.

Reliable 3D simulation of hydraulic fracturing is a key enabler for economic development of tight reservoirs on the NCS and increased recovery from mature fields during secondary and tertiary recovery. A particular challenge is to take into account the full complexity of the rock formations, well geometry and stress orientation. This project consists of two interconnected work packages (WP). WP1 addresses development, calibration, and validation of a fully hydro-thermo-mechanically coupled 3D hydraulic fracture model. The model builds on an existing fluid-coupled 2D model based on a hybrid finite element/discrete element method. It will permit simulation of complex fracture growth from horizontal or deviated wells into naturally fractured formations exhibiting non-elastic stress-strain response. In this sense, the new model will surpass the capabilities of existing hydraulic-fracture simulation tools. WP2 addresses multi-scale fracturing experiments from cm to field scale. Laboratory tests with small sandstone and chalk samples will be used for studying fracture-initiation processes. Hydro-mechanical coupling during fracture growth under in-situ stress conditions, as well as fracture twisting around deviated holes will be studied with larger rock samples (up to 40cm diam.). Finally, the laboratory test data is complemented by field-test data from a scientific hydraulic-fracture and mine-back project in a deep mine. The experimental results will provide an ultimate benchmark for the new hydraulic fracture model. Application areas include fracturing for increased recovery in tight sandstone and chalk reservoirs on the NCS and controlled thermal fracturing to optimize the efficiency of water injection. The impact of the project will be an improved understanding of thermo-hydro-mechanical mechanisms and primary control parameters of hydraulic-fracture initiation and propagation in rocks representative of target reservoirs with the help of dedicated experiments.