Modne felt – de som har vært under produksjon i lengre tid – har redusert væsketrykk i reservoaret, og dermed mindre motstand mot de kreftene det er utsatt for.

Kreftene gjør at sand og steinfragmenter brytes løs fra brønnveggen og kan bli med strømmen av olje eller gass.

Dette kalles sandproduksjon og er en særlig aktuell problemstilling for den aldrende norske sokkelen, forklarer Andreas Berntsen i Sintef:

For å utnytte ressursene i utbygde felt er det en fordel å produsere mest mulig effektivt fra eksisterende brønner. Det krever at vi vet hvordan vi produserer når det er økende risiko for sandproduksjon.

– Det er dette vi nå klarer å forutse mer nøyaktig, sier forskeren.

Må temme enorme krefter

Olje og gass finnes stort sett i lag av porøse bergarter, der det fyller hulrommene som i en svamp. Noen av de vanligste reservoarene består av sandkorn som har blitt sementert sammen over tid og blitt til sandstein noen kilometer under overflata.

For stor sandproduksjon vil gi uforholdsmessig stor slitasje på ventiler og rør. Det kan forårsake plugging av brønnen, tetting av utstyr, lavere produktivitet og sanden må skilles fra produksjonsstrømmen, renses og håndteres.

Brønner må bores ned til og inn i reservoaret for å kunne produsere oljen eller gassen. Når kranene åpnes, vil olje og gass kunne strømme ut fra de porøse bergartene, inn i brønnen og opp til produksjonsplattformen eller i rørledninger langs havbunnen.

– Reservoarer ligger ofte på to til fem kilometers dyp. Vekta av alt overliggende berg vil utsette reservoarbergarten for store spenninger. Området rett rundt brønnen er klart mest utsatt for skade hvis steinen er på grensa av hva den tåler, sier seniorforsker Euripides Papamichos i Sintef, som leder prosjektet.

Gammelt forskningsfelt

Sandproduksjon har derfor vært et viktig tema for forskere i 25 år, både for å forstå mekanismene, men også for å kunne forutse, håndtere, begrense eller forhindre fenomenet.

Sentralt i denne forskninga er laboratorieforsøk på sandstein, hentet enten fra dagbrudd eller direkte fra oljefeltet. Sandsteinsprøvene blir laget med et sylindrisk hull tvers igjennom, som en nedskalert brønn. Steinen blir deretter satt i et trykkammer, hvor den blir utsatt for reservoarspenninger.

Store, hydrauliske stempler sørger for ulik trykk i forskjellige retninger og olje strømmes gjennom steinen og inn i brønnen. Etter hvert som spenningene øker, vil forskerne begynne å observere sand i oljestrømmen ettersom steinmaterialet rundt brønnen knuser.

– I laben har vi kontroll på trykk og strømning, og vi kan reprodusere tilstandene av spenning og strømning som eksisterer i ulike felt. Vi kan også måle sandproduksjonen og se hvordan brønnveggen forvitrer. På grunnlag av dette kan vi utarbeide modeller for når sandproduksjonen starter og hvordan den utvikler seg over tid for ulike bergarter. I felt er dette mye vanskeligere å måle. Derfor er laboratorieforsøkene verdifulle, sier Berntsen.

Krefter påvirker reservoaret fra alle kanter

Den vertikale spenninga er størst, mens de horisontale ofte er litt mindre.

Ved å anta at de spenningene i det horisontale planet er like, blir både utregningene og forsøkene i laboratoriet enklere. De fleste laboratorier har heller ikke anledning til å variere dem uavhengig av hverandre. Problemet er bare at det ikke stemmer med de fleste feltsituasjoner.

– I tillegg er det blitt vanligere med lange brønner som skrår eller er vannrette og da er spenningsbildet mye mer komplekst. Vi vet at steinstyrken avhenger av spenningsbildet, og dette påvirker sandproduksjonen. Men først med True Triax-en kan vi faktisk teste hva slags innvirkning det har, utdyper forsker Lars Erik Walle ved Sintef Industri.

Han sikter til avdelingens nyeste storinvestering, en maskin som kan variere spenningene i alle tre retninger. Maskinen har navnet True Triaxial Test System.

Spesialutviklet kjempemaskin

Maskinen er den eneste av sitt slag som kan etterligne spenningene opptil ti kilometer under overflaten, samtidig som den kan tillate væskestrømmer og høy temperatur.

Utstyret er spesialbygget for denne laben, veier ti tonn og yter 800 tonn på steinprøvene som måler opptil en halvmeter i diameter.

Forskerne har over mange år utviklet testmetoder i laboratoriet for sandproduksjon, men først nå tillater utstyret helt virkelige spenningsbetingelser.

Arbeidet med dette prosjektet har pågått siden 2017 og nå har forskerne fått med seg en stipendiat ved NTNU som skal undersøke spesielt hvordan sandproduksjon virker i gassfelt.

Fra fysiske målinger til dataverktøy

De fysiske målingene fra testene i laben, kombinert med modeller og simuleringer, brukes for å videreutvikle et programvareverktøy for å beregne sandproduksjon.

– Vi bygger opp en stor kunnskapsbase med bruk av forskjellige sandsteiner i testene. Men alle steiner er forskjellige, så industripartnerne våre sender reservoarstein direkte fra felt til testing hos oss for å kalibrere modellene våre.

– Informasjon fra brønnen legges så inn i programvaren, som beregner sandproduksjonen fra de forskjellige delene av brønnen under gitte betingelser. På den måten kan operatørene vurdere ulike produksjonsmåter opp mot hverandre, sier Papamichos.

Fakta om prosjektet

Hovedmålet til forskerne er å:

• Unngå, eller få kontroll på sandproduksjonen og finne grensene for lønnsom produksjon i eldre olje- og gassfelt. Dette kalles for sand management i petroleumsterminologi.
• Øke utvinningsgraden i eksisterende oljefelt og redusere behovet for nye felt.
• Redusere miljøpåvirkningen med å forlenge et felts levetid og unngå sandhåndtering.
• Videreutvikle dataverktøy som operatørene kan bruke for å forutsi sandproduksjon ved forskjellige betingelser.

Prosjektet er et kompetanseprosjekt for næringslivet (KPN), finansiert gjennom Norges forskningsråds program PETROMAKS 2 og industripartnere.

Både industri og akademia er representert: Texas A&M i USA og Waseda University i Tokyo og NTNU er forskningspartnere, mens industrien er representert av Aker BP, Wintershall Dea Norge, og amerikanske Hess, Occidental og ExxonMobil.

Artikkelen er produsert og finansiert av Sintef

Sintef er én av 77 eiere av forskning.no. Deres kommunikasjonsansatte leverer innhold til forskning.no. Vi merker dette innholdet for å tydelig skille formidling fra uavhengig redaksjonelt stoff.
Her kan du lese mer om ordningen.

Fikk du med deg disse artiklene fra Sintef?

Dataverktøy finner gatelykter som kan gi elbiler strøm

Denne ferja drives av sola

Dette må du vite om hydrogen