Mathematical Approach of MSE in Thermo-poro-elastic Conditions Improves Decision Making to Use Bore Hole Enlargement (BHE)

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Autoren

Abstract

Traditionell wird die Bohrlocherweiterung (engl.: „Borehole Enlargement“ – BHE) nur beim Bohren durch weiche Formationen angewandt. Wenn man jedoch die Thermoporoelastizität in die Bestimmung der spezifischen mechanischen Energie (MSE) miteinbezieht, hat man eine bessere Entscheidungsgrundlage zu Verfügung, wann bzw. ob man BHE anwendet, insbesondere wenn es darum geht, das Größenverhältnis Räumer/Pilot zu optimieren. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung eines thermoporoelastischen Modells, das in der Felsmechanik angewandt werden kann, um sowohl die Spannungsverteilung um ein Bohrloch herum als auch die Bruchfestigkeit der Formation nach dem Bohren der Pilotbohrung zu quantifizieren. Diese steht in unmittelbarer Verbindung zur Flüssigkeits- und Temperaturverteilung durch die Einwirkung der Bohrspülung. Tatsächlich kann die Bruchfestigkeit des Gesteins direkt unterhalb des Räumers mit dem Mohr-Coulomb Kriterium bestimmt werden. Zusätzlich wird die spezifische mechanische Energie in verschiedenen Formationsarten, bei variabler Permeabilität und unter realitätsnahen, Spannungen im Gestein bestimmt. Mit den gewonnen Parametern eine Reihe an Bohrversuchen mit Sandsteinproben im Labor durchgeführt. Die Gesteinsproben wurden gebohrt und ausgeweitet. Im Anschluss wurde mit den gemessenen Daten die spezifische mechanische Energie bestimmt. Vor den Tests wurden die Proben entweder in einem Ofen erhitzt oder unter Druck gesetzt, indem Bohrspülung unter Hochdruck zirkuliert wurde. Während der Versuche waren die Proben allseits eingespannt und gezielt temperierte Bohrspülung wurde unter Hochdruck zirkuliert. Dabei wurden die Auswirkung von Spannungsänderung, Porendruck, Temperatur und Abstand zwischen Pilot und Räumer auf die Schwächung der Formation rund um die Bohrung und die Performance des Ausweitungsvorgangs untersucht. Die spezifische mechanische Energie wurde berechnet und mit verschiedenen Testszenarien verglichen um die Performance des Ausweitungsvorganges zu ermitteln. Zusammengefasst kann festgestellt werden, dass es durch die Pilotbohrung zu Spannungsänderungen rund um die Bohrung kommt, was, zusätzlich zum Eindringen von Spülung und Hitze, zu einer Schwächung der Formation führt. Diese Simulation kann bei sowohl der Bestimmung des optimalen Größenverhältnisses zwischen Räumer und Pilot als auch beim Positionieren des Räumers hinter dem Piloten helfen, um die Schwächung der Formation möglichst gut auszunutzen. Bisher gibt es am Markt keine Anzeichen für ein solches spezifisches Modell, das die Bruchfestigkeit der Formation unterhalb des Räumers vorhersagt. Der verwendete, thermoporoelastische Ansatz zur analytischen Bestimmung der spezifischen mechanischen Energie stellt auf jeden Fall eine neuartige Herangehensweise an das Problem dar. Das Modell kann anwendungsspezifisch angepasst und als Referenzanwendung in der Öl- und Gasindustrie herangezogen werden, sowohl um Entscheidungen während der Bohrphase als auch im Rahmen der Projektkostenanalyse zu fällen.

Details

Titel in ÜbersetzungEin mathematischer Ansatz zur Bestimmung der spezifischen mechanischen Energie unter thermo-poro-elastischen Bedingungen zur verbesserten Entscheidungsfindung über den Einsatz von Bohrlocherweiterungen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2017