Heatwave Inflow Performance Source Characterization (HIPsource)

For å optimalisere produksjonen fra oljebrønner er det viktig å vite så mye som mulig om produksjonsfordelingen langs brønnbanen, dvs. "hva strømmer hvor, og hvor mye". En mulighet kan da være å stenge igjen soner som hovedsakelig produserer vann. Det finnes en rekke måleteknologier tilgjengelig, alt fra å installere kjemiske sporstoff i brønnen til sanntids nedihulls loggeverktøy. Alle disse har forskjellige begrensninger, slike som høy tolkningsusikkerhet eller høy kostnad. HIPlog er et nytt målesystem under utvikling som adresserer noen av disse begrensningene. Systemet bruker varmepulser som frigjøres i brønnfluidet på gitte tidspunkt for sanntidsovervåkning av innstrømning langs brønnbanen. HIPlog-systemet består av autonome varmekilder pre-installert i brønnen, temperatursensor(er) i brønnen ovenfor produksjonssonen (allerede installert i mange brønner), og en tilhørende tolkningsprogramvare for estimering av strømningshastigheter basert på de målte varmepulsene. Dette prosjektet har jobbet med å lage forbedrede modeller for genererte varmepulser, slik de ytrer seg i brønnfluidet. Dette er kritisk informasjon for å beskrive nedstrøms transport, helt fram til temperatursensorer (dvs. varmekildekarakterisering). Et sentralt mål har vært å forbedre forståelsen av varmeoverføring fra veldig varme overflater til omkringliggende væsker under høyt trykk og temperaturer som vanligvis finnes i oljereservoarer. Skreddersydde eksperimenter er utført for å understøtte modellutvikling. Den tilegnede kunnskapen er blitt inkludert i numeriske modeller som danner grunnlaget for HIPlog tolkingsprogramvare. Et betydelig antall oppvarmings- og nedkjølingseksperimenter ble utført i 2020. I disse forsøkene varierte trykket fra 1 bar til 200 bar og væskene var vann, modellolje og råolje. Hjulstrømsløyfen ("wheel loop") ved Tiller-laboratoriet ble halvfylt med gass (metan). Rotasjon av hjulet resulterte i en flyt av væsken og en relativ hastighet mellom varmekilde og væske. På denne måten ble et stort antall varmeoverføringssituasjoner (filmkoking, naturlig konveksjon med kjernekoking, tvungen konveksjon med boblekoking, og blandet konveksjon) undersøkt. Eksperimentene dekket situasjoner der den oppvarmede staven ble varmet opp i gitte tider, plassert i gassen eller væsken, og hvor staven er stasjonær eller flyttes inn i væsken med en gitt konveksjonshastighet. I løpet av 2021 ble dataene fra Tiller "wheel loop"-testene analysert. Det var tydelig at dataene, som representerer overføring av varme, fra en elektrisk motstandsoppvarmet Kanthal-stang med 10 mm diameter til væske, var generelt av god kvalitet. Problemer knyttet til temperaturmålingene under faseovergangen (generering av damp fra væsken) ble imidlertid analysert mer detaljert. I forsøkene ble overflatetemperaturer over 1000 °C produsert for kortere tider. En matematisk modell for å forutsi temperaturutviklingen i Kanthal-stangen ble utviklet og brukt til å tolke varmeoverføringskoeffisienten som trengs for å reprodusere dataene. Basert på disse analysene ble kompleksiteten av transiente overflatetemperaturmålinger for kokende væsker tydelig. Disse utfordringene er ikke rapportert i litteraturen, noe som indikerer at det kan mangle informasjon i mange eksperimentelle arbeider. Løsningen på disse utfordringene er funnet og vil bli publisert. I en spesialdesignet trykkcelle (1-250 bar) ble det funnet at ved høye trykk og overflatetemperaturer rundt 950°C , utvikles karbonavleiringer på den varme overflaten etter gjentatte forsøk. Dette ble ikke sett i Tiller «wheel loop»-testene, hvor overflatetemperaturene var lavere. I begge tilfeller ble det anvendt råoljer. Denne kunnskapen utnyttes nå for å optimalisere varmekilden. Tidligere fant vi ut at nedkjølingen er raskere enn forventet ettersom filmkokingsregimet ved gitte konfigurasjoner blir drept av en mekanisme for forplantning av boblekoking. Denne såkalte "gjenfuktingsmekanismen" er et viktig bidrag til rask levering av termisk energi fra varmekilden til væskene. Arbeidet med nukleatkoking i flerkomponentsystemer har ført til utfordringer knyttet til PVT som måtte avklares. Ekvivalent metningstemperatur er introdusert som et konsept for flerkomponentblandinger. Ved å bruke dette konseptet prøver man å forenkle et flerkomponentsystem til et ekvivalent enkeltkomponentsystem. De nødvendige data for likevekts gassfraksjoner og faseentalpier er produsert fra PVT-modeller. En modell for varmeoverføring i flerkomponent kokende væske er utviklet. Fenomener inkluderer termisk stråling, kjernekoking og filmkoking. Dette innebærer transport, dannelse og kollaps av dampbobler sammen med varme- og masseutveksling med den kontinuerlige fasen. Modellen forutsier distribusjon av dampbobler gjennom grensesjiktet, og effekten av turbulens er inkludert. Modellen kan brukes direkte i forenklede modeller, eller som undermodell ("veggfunksjon") i en CFD-analyse.

For Wellstarter the main outcome of this project has been to improve the performance of the HIPlog system by improving the heat source models. The HIPlog system is developed to provide a cost-effective method to assess the inflow profile of a producing well at critical stages of a well's life (e.g. at start-up, during production, after water break-thru, prior to intervention/work-over). Main outcome for end users (oil producers): Better knowledge of inflow rate profiles ("what flows where and how much"). This may improve well productivity as well as increase reservoir recovery rates, i.e. improve resource utilization. As a result of HIPsource new knowledge about natural convection and forced convection heat transfer was acquired, using crude oil, model oils or water at well pressures and relevant surface temperatures. In addition, significant knowledge has been generated regarding how the heated fluids move and mix in the nearfield of the heat source. This information is critical for input to more simplified models that simulate the long-distance propagation of heat waves, and their interaction with well tubing and annular spacings. This enables improved predictions of measured temperature signals at downstream locations. This is the foundation of the inverse modeling strategy used by Wellstarter, and which allows accurate determination of the production flow for each case. Thanks to the improved understanding of the heat source performance, under operational conditions, better up-front assessments of the potential of the Wellstarter technology can now be performed, case by case. Main outcome for society: Improved resource utilization with less environmental impact. Impact for Wellstarter: Improved reliability of the flow interpretation tool will likely turn the business model more towards service-based and thereby more profitable revenue.

The HIPlog system uses heat pulses released into the well fluid for real-time downhole flow monitoring. The system comprises autonomous heat sources installed in the well and software for interpretation of measured heat pulses. This project seeks to create improved numerical models for the generated heat pulses. These models will be key part of HIPlog. The background for the HIPlog innovation is that traditional production monitoring techniques used for estimating downhole zonal production (permanent- or campaign-based) are limited in use due to high CAPEX and/or OPEX. The market therefore tends to use lower cost systems like permanent chemical tracers. These have valuable features such as locating first water breakthrough, but their reliability on rate monitoring are uncertain, especially with multiphase flow. They also feature offline and non-real time data, which is incompatible with modern digital fields. Environmental footprint of chemical tracer use may be minor, but still not negligible. The market value for production rate monitoring and associated services is huge and rising with today's reservoir complexity (> 1 Billion $). WellStarter aims at entering the national- and international markets with a new product line. The underlying idea is to trace fluids with non-material heat waves, operate at steady state and avoid many of the above-mentioned tracer problems. WellStarter aims at developing a robust product and the heat propagation research carried out under this project will be crucial. Improved heat source characteristics will improve the overall predictive power and will extend the applicability of the system towards more challenging wells. The models will be derived both from published literature, detailed 3D computational fluid dynamics simulations (CFD), and data from tailored lab-scale experiments. Different types of experiments will be performed at scales ranging from very small to more realistic dimensions.