Zand in de oliestroom met het risico van instorting van de put is een bekend probleem wanneer zandsteenreservoirs bijna uitgeput raken. Geavanceerde sensoren en een supermachine helpen onderzoekers bij het vinden van de drempel waarop de winstgevende productie stopt. Dit kan de levensduur van reservoirs verlengen.

In volgroeide velden op het Noorse plat - die al een tijdje produceren - wordt de vloeistofdruk in het reservoir verlaagd, wat resulteert in een lagere weerstand tegen de krachten waaraan het reservoirgesteente wordt blootgesteld. Door deze krachten breken zand- en steenfragmenten los van de putwanden en vermengen zich met de olie- of gasstromen. Dit wordt "zandproductie" genoemd en is een probleem dat vooral van toepassing is op oudere velden.

"Om de hulpbronnen in ontwikkelde gebieden te exploiteren, het loont om zo efficiënt mogelijk te produceren uit bestaande putten, en dit vereist kennis van hoe te produceren wanneer het risico op zandproductie toeneemt. Dit is wat we nu nauwkeuriger kunnen voorspellen, " zegt Andreas Berntsen van SINTEF.

Het temmen van enorme krachten

Olie en gas komen voornamelijk voor in lagen poreuze zandsteen, waar ze de poriën op dezelfde manier vullen als een vloeistof een spons vult. Enkele van de meest voorkomende reservoirs bestaan ​​uit zandkorrels die in de loop van de geologische tijd aan elkaar zijn gecementeerd om zandstenen te vormen die enkele kilometers onder het oppervlak zijn begraven.

Als er te veel zand uit een put wordt gewonnen, het veroorzaakt onevenredig hoge slijtage aan kleppen en leidingen. Het kan ook leiden tot verstopping van de put, geblokkeerde apparatuur en verminderde productiviteit. Ook moet het zand uit de productiestroom worden gescheiden, schoongemaakt en afgevoerd.

Er moeten putten in het reservoir worden geboord om de productie van olie of gas mogelijk te maken. Als de kleppen geopend zijn, olie en gas zullen uit de poreuze rotsen in de put stromen en omhoog naar het productieplatform of in pijpleidingen op de zeebodem.

"Reservoirs liggen vaak op een diepte van twee tot vijf kilometer en het gewicht van de bovenliggende rotsformaties zal het reservoirgesteente aan aanzienlijke belasting blootstellen. Het gebied

direct grenzend aan de put is het meest kwetsbaar voor schade als het gesteente op de grens is van wat het kan weerstaan, " zegt Euripides Papamichos, de senior onderzoeker die verantwoordelijk is voor het project bij SINTEF.

Oud onderzoeksgebied

Zandwinning is dan ook al 25 jaar een belangrijk onderwerp van onderzoek, zowel om de mechanismen die in het spel zijn te begrijpen en ook om de voorspelling mogelijk te maken, behandeling, beperking of preventie van het fenomeen.

Een belangrijk onderdeel van de onderzoeksinspanning is het laboratoriumonderzoek van zandsteen, verkregen uit steengroeven of rechtstreeks uit een olieveld. Er wordt een cilindrisch gat in het zandsteenmonster geboord, als een kleine put. Het gesteente wordt vervolgens in een drukkamer geplaatst waar het wordt onderworpen aan spanningen die vergelijkbaar zijn met die in een reservoir. Grote hydraulische cilinders oefenen verschillende druk uit in verschillende richtingen, terwijl olie door het gesteente en in de put dringt. Naarmate de spanningen toenemen, het is mogelijk om zand in de oliestroom waar te nemen als het gesteente rond de put wordt verpletterd.

"In het lab kunnen we druk en stroming regelen en de stress- en stromingsomstandigheden reproduceren die op verschillende gebieden bestaan. We kunnen ook de zandproductie meten en observeren hoe de putwanden worden geërodeerd. Op basis hiervan kunnen we modellen maken van wanneer de zandproductie zal plaatsvinden beginnen en hoe het zich in de loop van de tijd zal ontwikkelen voor verschillende gesteenten. Dit is veel moeilijker te meten in het veld, dus de laboratoriumtests zijn waardevol, ’ zegt Berntsen.

Krachten beïnvloeden het reservoir vanuit alle richtingen

De verticale spanning is het grootst, terwijl de horizontale spanningen vaak wat kleiner zijn. Ervan uitgaande dat de spanningen in het horizontale vlak in alle richtingen gelijk zijn, worden de berekeningen en laboratoriumtests eenvoudiger. De meeste laboratoria kunnen ze sowieso niet onafhankelijk variëren. Het probleem is dat dit in de meeste veldsituaties niet het echte beeld weergeeft.

"In aanvulling, lang, hellende of horizontale putten komen vaker voor en dit maakt het spanningspatroon veel complexer. We weten dat rotssterkte afhangt van het spanningspatroon, en dit heeft gevolgen voor de zandproductie. Echter, alleen True Triax stelt ons in staat om het effect van het stresspatroon daadwerkelijk te testen, " Lars Erik Walle van SINTEF Industry legt uit. Hij verwijst naar de laatste grote investering van de afdeling, het echte triaxiale testsysteem, die spanningen in alle drie de richtingen kan variëren.

Speciaal ontwikkelde monstermachine

De True Triax-machine is de enige in zijn soort die de omstandigheden tot tien kilometer onder het oppervlak kan nabootsen, terwijl vloeistof bij hoge temperatuur kan stromen. De apparatuur is speciaal voor dit laboratorium gebouwd, weegt tien ton en, heeft een kracht van 800 ton op rotsmonsters met een diameter tot een halve meter.

Voor vele jaren, SINTEF-wetenschappers hebben testmethoden ontwikkeld om zandproductie in het laboratorium te bestuderen, maar nu pas maakt de apparatuur de simulatie van echt realistische stressomstandigheden mogelijk. Aan dit project wordt sinds 2017 gewerkt, en SINTEF-wetenschappers hebben nu een Ph.D. research fellow bij NTNU die specifiek gaat onderzoeken hoe zandwinning in gasvelden plaatsvindt.

Van fysieke metingen tot computermodellen

De fysieke metingen van de laboratoriumtests, gecombineerd met modellen en simulaties, worden gebruikt om een ​​softwaretoepassing te ontwikkelen voor het schatten van de zandproductie.

"We bouwen een grote kennisbasis op met verschillende zandstenen in de tests. alle rotsen zijn anders, daarom sturen onze industriepartners reservoirgesteentemonsters rechtstreeks uit het veld om door ons te worden getest, zodat we onze modellen kunnen kalibreren. Informatie uit putten wordt vervolgens verwerkt in de software, die de zandproductie berekent uit verschillende delen van de put onder bepaalde omstandigheden. Op deze manier kunnen de operators verschillende productiemethoden vergelijken, ' zegt Papamichos.

De belangrijkste doelstellingen van dit onderzoeksproject zijn:

• zandproductie vermijden of onder controle houden, en om de grenzen van winstgevende productie in oudere olie- en gasvelden te vinden. In petroleumterminologie staat dit bekend als 'zandbeheer'.
• de herstelfactor van bestaande olievelden verhogen en de behoefte aan nieuwe veldvondsten verminderen.
• de milieu-impact verminderen door de levensduur van een veld te verlengen en zandverwerking te vermijden.
• computertools ontwikkelen waarmee operators de zandproductie onder verschillende omstandigheden kunnen voorspellen.