Shale Barrier Toolbox: Designing future wells for efficient completion and simpler P&A

I millioner av år har norsk olje og gass ligget godt forseglet under kilometertykke lag av tett skifer. Dype oljebrønner gir oss tilgang til disse reservene, men brønnene kan også utgjøre mulige passasjer for ukontrollert lekkasje av hydrokarboner til overflata, med mindre brønnene er effektivt forseglet. En oljebrønn består enkelt sagt av et hull i bakken, foret med et stålrør (casing). Langs enkelte deler av brønnen blir gapet mellom casing og det omkringliggende berget fylt med sement, for å hindre lekkasje av olje og gass langs brønnen. Langs store deler av brønnen blir imidlertid dette gapet stående åpent når brønnen ferdigstilles. Vanligvis blir kritiske deler av dette gapet fylt med sement når brønnen skal plugges og forlates. Dette er imidlertid en tidkrevende og kostbar prosess. Erfaringer fra felten har vist at enkelte skiferbergarter har evne til å krype inn og tette dette gapet på egen hånd, og på den måten skape en "skiferbarriere" rundt brønnen. Hvis det skjer, representerer det store kostnadsbesparelser når brønnen skal plugges og forlates. Skifer er dessuten langt tettere enn sement, og mindre sårbar for forvitring. Det finnes foreløpig ingen veletablert metode for å prediktere hvorvidt en skiferbarriere vil bli etablert, og heller ikke for å framskynde dannelsen av en slik barriere dersom den ikke skjer av seg selv. Det er heller ikke trivielt å detektere slike barrierer, siden de ligger gjemt bak casingen. Dette prosjektet tar for seg disse utfordringene. Målet med prosjektet er å kunne utstyre operatørene med en verktøykasse for effektiv og permanent forsegling av oljebrønner ved bruk av skiferbarrierer. Prosjektarbeidet involverer både eksperimentelle og teoretiske studier for bedre forståelse av hvordan formasjonsspenninger, brønnbaner, sammensetning av boreslam etc. påvirker både dannelsen av skiferbarrierer og redskapene som brukes for å verifisere at de finnes. Kvaliteten på ulike formasjoner som potensielle skiferbarrierer skal også evalueres. Prosjektet har gjennomført petrofysiske og bergmekaniske karakteriseringer for myke feltmateriale og dagbrudd skifer. Målingene inkluderer også tidsavhengig deformasjon (kryp) og klassifisering av forseglingsegenskaper fra barrieretester utviklet for å simulere realistisk barrieredannelse. Eksperimenter på skifer-aktivering med bruk av kjemiske tilsettinger i ringromsvæsken har blitt gjennomført og forsøk ved bruk av boreslam i ringrommet under barrieredannelse har gitt nyttig informasjon om hvordan forseglingsegenskapene påvirkes av væsken utenfor casing. Videre har det blitt gjennomført en grundig studie av trykk-testmetodene som brukes i felt i dag for å verifisere en barriere. Dette studiet ble sommeren 2020 publisert på konferanse. Prosjektet også hatt en stor aktivitet på 3D modellering av kryp rundt casing som har resultert i økt forståelse og verifisering av analytiske modeller. Barriereforsøkene i prosjektet har gitt ny informasjon om effekt av trykkvariasjon og forskjellig mud i ringrom på forseglingsegenskaper. Dette har sammen numeriske kryp simuleringer vært med på å støtte utvikling av en analytisk modell for beregning av sannsynlighet for barrieredannelse, forseglingsegenskaper og trykket som skiferen kan belaste casing. Modellen (Toolbox) baserer seg på inngangsdata fra petrofysiske logger og data som operatørene ofte har tilgjengelig for sine felt. Toolbox modellen er verifisert mot laboratoriedata og testet med gode resultater på feltdata før den nå er tilgjengelig for deltakerne i prosjektet.

The project has contributed to the general understanding of time dependency in shale and specifically on shale as a barrier through advanced experiments and modelling of field shale material. This knowledge has been built in SINTEF in collaboration with the eight industry participants in the project and distributed not only to the participants but also through multiple conference presentations and journal articles. The models and software developed in the project enables the users to plan for use of shale barriers in old wells ready for P&A or how to design well paths to optimize the probability to have shale barriers and also to select minimum casing weight sufficient to hold the expected in situ stresses. Using shale barriers enables the operator to leave the casing in hole and hence reduce the cost of P&A while still ensuring an efficient seal between the hydrocarbons and the surface. The knowledge on shale barriers is also applicable in the new emerging field of CO2 storage on the Norwegian Continental Shelf. New storage sites may use the knowledge from this project to design CO2 injector paths to be optimized for using shale as an annular barrier and hence both reduce cost, cement used and ensure good sealing between the CO2 and the surface. Furthermore, the understanding generated in this project on of time dependent properties of soft shales may be used to improve borehole stability models and tools which again may reduce the drilling cost of new wells.

Oil and gas wells constitute open passageways for hydrocarbons, from the perfectly sealed reservoirs to the free surface. The operators control flow within the wells, however there is a risk that the annulus between the casing and the rock may become undesired channels for leakage. Such leakage may represent a safety hazard as well as environmental problems and considerable costs for the operating company. In critical sections of a well, the annulus is filled with cement injected at the casing shoe, in order to provide proper sealing and avoid leakage outside the well. This procedure may leave long sections of the well un-cemented, which may provide leakage paths along the annulus through otherwise sealing formations. In a number of cases it has been observed that the surrounding shale creeps into the un-cemented annulus and eventually forms an efficient sealing barrier around the well. The mechanisms involved when a shale barrier is formed are currently under investigation, and active implementation of such barriers is therefore limited. However, active use of this technology has a huge environmental as well as economic potential. The main goal of this project is to contribute to reduction of climate gas emissions and environmental impact by providing scientifically based tools to optimize the use of shale barriers. This will be achieved through better assessment of the available means to control the mechanisms, construction of dedicated tools for decision-making support, and education of experts and training of petroleum engineers.