Fluid Migration Modelling and Treatment

Brønner for produksjon av hydrokarboner, geotermisk varme og for undergrunns lagring av CO2 konstrueres seksjonsvis, der man først borer seksjonen til planlagt dybde før man sikrer denne ved å gå ned med foringsrør som så sementeres til ytre foringsrør og omkringliggende formasjon. Foringsrør og brønnsement utgjør derfor kritiske strukturelle barriereelementer i brønner. Dersom man under sementeringsoperasjonen mislykkes i å isolere ringrommet mellom foringsrør, eller dersom man på et senere tidspunkt taper isolasjon som følge av produksjonsrelaterte laster, kan formasjonsvæske migrere ukontrollert langs brønnbanen og ut i tilstøtende permeable formasjonslag eller til overflaten hvor det resulterer i vedvarende ringromstrykk. Erfaringsmessig er lekkasje utenfor foringsrør et brønnintegritetsproblem som er svært krevende å behandle. Tradisjonelle behandlingsmetoder innebærer ofte at man perforerer foringsrøret og forsøker å tvinge sement inn i ringrommet som lekker. Dette er en kostbar operasjon som ofte ikke lykkes; tvert om kan det gjøre situasjonen verre ved å skade opprinnelig sement ytterligere og gi opphav til nye lekkasjekanaler. Hovedformålet med dette prosjektet er å generere kunnskap og metoder som kan sette industrien i bedre stand til å håndtere lekkasjeproblemer utenfor foringsrør. Dette skal oppnås ved å studere og karakterisere geometrien til realistiske lekkasjekanaler, og dernest studere hvordan væsker strømmer og fortrenger hverandre langs slike kanaler. Resultater fra dette arbeidet vil integreres både i en numerisk modell for å diagnostisere lekkasjer som gir vedvarende ringromsstrykk, og i en standardisert fullskala testprosedyre for å verifisere nye behandlingsmetoder. I prosjektet har man bl. a. utført en fullskala test av det mekaniske ekspansjonsverktøyet "Local Casing Expander" for å tette lekkasjeveier langs ringromssement.Det ble vist at permeabiliteten kan reduseres med flere størrelsesordener med denne metoden. Unike storskala eksperimenter utført på 30 år gamle seksjoner av ringrom og sement fra en Nordsjøbrønn, gav særdeles verdifull innsikt i faktisk langtids integritet av brønnbarrierer. Trykkpulsmetoden viste seg også å være en nyttig strategi for karakterisering av permeabilitet, og for å relatere logg-respons til lekkasjepotensiale, som igjen er viktig for å kunne vurdere. Eksperimenter og målinger ble utført for å undersøke og sammenligne relativ permeabilitet for stasjonær og transient to-fase strømning i mikro-annulus. Endringer i sement permeabilitet over tid ble målt og sammenlignet med modeller for relativ permeability. En beregningsmessig effektiv simulator for dynamisk multifase strømning i ujevne sprekker har blitt utviklet, med forenklede krav til input i forhold til typiske simulatorer.. En basismodell for vedvarende ringromstrykk ("Sustained Casing Pressure", SCP) har blitt testet og implementert i programvaren "P&A Leakage Calculator" ved bruk av feltdata og modellkalibrering. Dette vil bidra til å styrke og forbedre fortolkninger av logg-respons og estimering av faktisk sementpermeabilitet, som er direkte relatert til lekkasjeomfang i defekte barrierer. Effekten av sementurenheter på sementkappens integritet og på korrosjon av foringsrør ble demonstrert gjennom spektroskopiske analyser. En forenklet modell ble utviklet for å predikere ytelse av sement under nedihullsbetingelser, basert på mekaniske egenskaper og deviatorisk styrke. For behandling av sementkanaler, har man utviklet en prosedyre for design og repeterbarhet av fullskala testceller, demonstrert gjennom injeksjon av forskjellige løsninger i til sammen tre test celler. En eksperimentell metodikk har blitt utviklet for å teste effektiviteten av polymer-baserte tetningsløsninger, og tester av utvalgte slike løsninger demonstrerte effektiviteten i form av reduserte lekkasjer for både vann og gass. 8 publikasjoner i internasjonale vitenskapelige journaler har blitt generert i prosjektet, i tillegg til publikasjoner og presentasjoner ved konferanser. En Ph.D. student har jobbet med faktorer som påvirker integritet av sement og alternative barrierematerialer ved Universitetet i Stavanger, og har bl. a. demonstrert anvendeligheten av ekspanderende sement ved lave- og forhøyede temperaturer. Prosjektet har omfattet akademisk og industrielt samarbeid både nasjonalt og internasjonalt. NORCE har ledet prosjektet med støtte og bidrag fra sitt tilknyttede Ullrigg Test Senter, Universitet i Stavanger, University of New Mexico, University of Alberta og det industri-finansierte forskningsprogrammet P&A Innovation Program, bestående av Havindustritilsynet (Havtil) og fem operatørselskap på norsk sokkel.

The project has through the experiments and research conducted, developed test protocols for large-scale experiments of cemented annulus sections and for the testing of the efficiency of treatment solutions, and also developed a procedure for the construction of test cells with controlled and predictable leakage properties. The combination of utilizing unique field data with measurements and predictive simulations represents factors that are crucial towards improving both the integrity of existing and future well barriers and for optimizing remedial techniques directly based on predicted efficiency. The immediate results of the project represent improved predictive capabilities for fluid flow through micro-annulus and fractures, SCP- and log response-based leakage potential, and tools and procedures for the qualification of treatment placement and efficiency. The research performed herein, and related follow-up activities, also holds an enormous long-term cost-savings potential when applied in the design and operations in industry, especially considering the volume of wells to be permanently plugged and abandoned in the coming years. This benefits both operators, the service industry, regulators and the environment.

The annulus cement is a critical well barrier in wells for oil and gas production, for geothermal energy recovery and for underground CO2 storage. Failure to isolate the annulus hydraulically can result in leakage of formation fluids past the cement and into other permeable formations or to the surface resulting in sustained casing pressure. Annular fluid migration represents a particularly challenging well integrity problem as it is extremely difficult and expensive to remedy. Traditional treatment of fluid migration involves perforating or cutting the casing and squeezing cement into the leaking annulus. This is a costly operation with low success rates that can even make the situation worse by fracturing the formation or generating new leakage paths. The purpose of this project is to move the industry forward by better understanding the roots of the problem: - What is the characteristic geometry and shape of the fluid migration paths we are trying to repair? - How do brines, hydrocarbons and repair materials flow and displace each other along these channels? These questions will be addressed using a combination of laboratory and full-scale test cells for controlled leakage and remediation experiments, combined with modelling efforts. Flow and displacement experiments in realistic microannulus geometries will be used as input for an improved leakage and sustained casing pressure simulator, and as basis for designing full-scale test cells for verifying new treatment materials. The project results will improve fluid migration diagnostics and support the choice of preferred remediation technology. The qualification methodology developed in the project will provide standardized verification of treatment technologies. This will reduce the time to market for new solutions and improve international competitiveness of Norwegian service providers, to great benefit both for the service providers and oil companies operating on the NCS.