A Laboratory Approach to Investigating Wellbore Instability in Shale during Drilling

Abstract

Abstract: Over the past few years, laboratory efforts have been increasingly directed towards developing methods to understand more of the wellbore dynamics during drilling, particularly in weak shale. Hollow cylinder laboratory testing has helped the industry to understand some downhole effects. An advanced cell was initially constructed as a modified hollow cylinder cell at SINTEF Petroleum Research. The objective with the cell was to better quantify how operationally induced borehole dynamics effects such as mud circulation rate, mud weight, and stabilizer/drill string rotation in terms of e.g. rpm and fluid flow, may affect timedependent borehole stability in shale. Several challenges are experienced with wellbores when drilling in shale above and within reservoirs. These are especially prevalent in deviated wells and wells through depleted intervals caused by several years of production. Drilling the well to the total depth of the wellbore section may be easy. However, in some cases, depending upon formation properties and drilling conditions, it is a considerable challenge to come out of the hole with the drill string and subsequently run casing or liner. It is of great importance to take the right actions regarding recommended downhole parameters like mud circulation rate, rpm on drill string and pulling speed. In the case of a marginal downhole situation, it would be beneficial to test out some of the effects in a laboratory beforehand. A laboratory approach to investigating wellbore instability in shale during drilling is a challenge for the industry. The so called GlennCell is a result of a pressure vessel modification task within two Joint Industry Projects carried out at SINTEF Petroleum Research with the objective of addressing this challenge. By proper design and interpretation of these laboratory tests, operational procedures may thereafter be optimized to improve the borehole stability while drilling in unstable shale. This thesis presents results from seven hollow cylinder tests on Pierre 1 outcrop shale and four tests on field shale from an operator on the Norwegian continental shelf. The tests have been perpendicular to bedding (0°), and parallel to the bedding (90°) and at 60° inclination according to the bedding plane. The purpose of the tests has been to evaluate whether a higher or lower rotational velocity (rpm) of the drill string and stabilizer in combination with fluid flow during hole cleaning operations may have a detrimental effect on borehole stability, as well as investigating the effect of shale anisotropy on dynamic borehole stability. Some effects were seen on the tests in the GlennCell, using the mechanically weaker Pierre 1 outcrop shale. Both rpm on string and fluid flow rate have probably contributed to a weaker borehole wall and led to some of the damage on the borehole wall. The four tests on stronger field shale were also part of a further evaluation of the GlennCell system. It is possible to a certain extent to visualize some of the effects with varying flow rates and rpm on a drillstring with stabilizer and conclude with some operational recommendations. Optimization regarding the design has been identified. In addition, the work with the thesis has displayed possibilities for further development and improvement regarding relevant testing in the advanced GlennCell. This thesis also describes how the advanced equipment was designed and tested in order to achieve reliable laboratory results. Thus prior to testing some of the downhole effects, a long period of qualification tests was undertaken. This was important before real tests could be done on shale at simulated downhole conditions. Testing was performed on hollow cylinder samples. Both plastic samples and aluminum samples were used in the qualification phase prior to using Pierre 1 outcrop shale and field shale. A fundamental issue when running laboratory tests is how to scale from field to laboratory test conditions, and vice versa. A separate section describes the challenges regarding how such scaling could be done in a qualitative way, before detailing how the presented tests were run. In terms of basic, more static geometrical scaling and geometry issues, this is an ongoing industrial activity. So far, this scaling issue has not been settled for shales and is still being investigated for the GlennCell. The thesis describes some different aspects regarding development drilling of wells in new and old offshore fields and within exploration drilling on the Norwegian continental shelf. There has to be high focus on the planning phase within exploration wells, appraisal wells and development wells. Some recommendations for different type of wells on the Norwegian Continental Shelf are described. Shale samples from cores can be used to test different possible downhole effects according to a planned test program in the GlennCell. There is also the question of how it is possible to be prepared regarding comprehensive testing on field shale retrieved from downhole cores. A summary with conclusions from all the work with this thesis is given. There are several questions that have not been answered. The preliminary results outlined in the thesis show that it is possible to have a better and more reliable handling of unstable shale section in both new and mature fields. Based on the results from all these tests, it is to a certain extent possible to show some effects in a laboratory and conclude with some recommendations regarding downhole drilling procedures. The industry should continue to look in to getting a reliable and robust GlennCell for future extensive use. In the reference section after chapter 7 all the references are listed. The two papers in the appendices (Appendix A and B) of this thesis and the two comprehensive reports from SINTEF regarding IDE2 and DBS are a part of the contribution for finalizing this PhD work. The SINTEF reports are referred to as 1-3: “The GlennCell - Quantifying effects of dynamic operational drilling conditions on borehole stability from laboratory tests” and 1-4: “Borehole dynamics testing - Initial GlennCell tests on Pierre 1 and NHshale”

Sammendrag I løpet av de siste årene, har en del laboratoriearbeid i økende grad blitt rettet mot det å utvikle metoder for å forstå mer av borehulls dynamikken under boring, særlig i svak skifer. Hul sylinder laboratorietesting har hjulpet industrien til å forstå noen nedihulls effekter. En avansert celle ble opprinnelig bygget som en modifisert hul sylinder celle ved SINTEF Petroleumsforskning. Målet med cellen var å bedre kvantifisere hvilke operasjonelt induserte borehulls dynamikk effekter som bore-slam sirkulasjonsraten, slamvekt, og stabilisator / borestreng rotasjon i form av eksempelvis rpm og fluidstrømning, kan påvirke tidsavhengig borehullstabilitet i skifer. Flere utfordringer har blitt erfart med brønner ved boring i skifer over og inne i reservoaret. Dette er spesielt utbredt i avviksbrønner og brønner gjennom trykkavlastede (depleterte) intervaller forårsaket av flere års produksjon. Boring av brønnen til den totale dybden av hullsseksjonen kan være lett. Imidlertid, i noen tilfeller, avhengig av formasjonsegenskapene og borebetingelser, kan det bli en stor utfordring å komme ut av hullet med borestrengen, og deretter kjøre foringsrør eller forlengelsesrør. Dette er av stor betydning for å iverksette nødvendige tiltak med hensyn til anbefalte nedihulls parametere som slamsirkulasjonshastighet, rpm på borestrengen og trekkhastighet. I tilfelle av en marginal nedhulls situasjon, ville det være fordelaktig å kunne teste ut noen effekt i et laboratorium på forhånd. Et laboratoriell tilnærming til å undersøke brønn-stabilitet i skifer under boring er en utfordring for bransjen. Den såkalte GlennCell er et resultat av et trykkbeholder modifikasjons prosjekt innen to Joint Industry Projects (JIP) utført ved SINTEF Petroleumsforskning med sikte på å ta opp denne utfordringen. Ved riktig konstruksjon og tolkning av disse laboratorietester, kan operasjonelle prosedyrer deretter bli optimalisert for å forbedre borehullstabilitet under boring i ustabile skifer. Denne avhandlingen presenterer resultater fra sju hulsylinder tester på Pierre 1 brudd-skifer og fire tester på felt-skifer fra en operatør på norsk sokkel. Forsøkene har vært vinkelrett på lagene (0 °) , og parallelt med lagene (90 °) og ved 60 ° helning i forhold til lagene. Formålet med forsøkene har vært å vurdere om en høyere eller lavere rotasjonshastighet (rpm) av borestrengen og stabilisator i kombinasjon med fluidstrømmen under hullrengjøringsoperasjoner kan ha en skadelig effekt på borehullstabilitet, samt å undersøke effekten av skifer anisotropi på dynamisk borehullsstabilitet. Noen effekter ble sett på testene i GlennCell i forbindelse med bruk av den mekanisk svakere Pierre 1 brudd-skifer. Både rpm på strengen og væske-strømnings-hastighet har trolig bidratt til en svakere borehullsvegg og førte til noen av skadene på borehullsveggen. De fire testene på den sterkere felt skifer var også en del av en ytterligere evaluering av GlennCell systemet. Det er mulig til en viss grad å visualisere noen av effektene med varierende væske strømningsrater og rpm på en borestreng med stabilisator og konkludere med noen operasjonelle anbefalinger. I tillegg har arbeidet med avhandlingen vist muligheter for videreutvikling og forbedring vedrørende relevant testing i den avanserte GlennCell. Denne avhandlingen beskriver også hvordan avansert utstyr er designet og testet for å oppnå pålitelige laboratorieresultater. Derfor ble det før testing av noen nedihulls-effekter, foretatt en lang periode med kvalifiseringstester. Dette var viktig før reelle tester kunne gjøres på skifer med simulerte nedihullsforhold. Testing ble utført på hule sylinderprøver. Både plast prøver og aluminiums prøver ble brukt i kvalifiseringsfasen testing med Pierre 1 brudd-skifer og feltskifer. Et grunnleggende problem når du kjører laboratorietester, er hvordan det kan skaleres fra felt til laboratorieforhold, og vice versa. En egen seksjon beskriver utfordringer når det gjelder hvordan en slik skalering kan gjøres på en kvalitativ måte, før detaljbeskrivelse av hvordan de presenterte testene ble kjørt. Med tanke på grunnleggende, mer statisk geometrisk skalering og geometrispørsmål, er dette en pågående industriell utfordring. Så langt har dette skalerings problemet ikke blitt avklart for skifer og er fortsatt under utforskning for GlennCell. Avhandlingen beskriver noen forskjellige aspekter vedrørende produksjonsboring av brønner i nye og gamle offshorefelt og innenfor leteboring på norsk sokkel. Det må være høy fokus på planleggingsfasen innenfor letebrønner, avgrensningsbrønner og produksjonsbrønner . Noen anbefalinger for ulike typer brønner på norsk sokkel er beskrevet. Skiferprøver fra kjerner kan bli anvendt for å teste forskjellige mulige nedhulls virkninger i henhold til en planlagt testprogram i GlennCell . Det er også et spørsmålet om hvordan det er mulig å være forberedt på omfattende testing på feltskifer hentet fra nedihuls kjerneprøver. Et sammendrag med konklusjoner fra alt arbeidet med denne avhandlingen er gitt. Det er flere spørsmål som ikke er besvart. De foreløpige resultatene er skissert i avhandlingen og viser at det er mulig å ha en bedre og mer pålitelig håndtering av ustabil skifer seksjon i både nye og modne felt. Basert på resultatene fra alle disse tester, er det til en viss grad mulig å visualisere noen effekter i et laboratorium, og konkluderer med noen anbefalinger vedrørende nedihulls boreprosedyrer. Industrien bør fortsette med arbeidet for å få en pålitelig og robust GlennCell for fremtidig utstrakt bruk. I referanse-delen etter kapittel 7 er alle referanser oppført. De to artiklene i vedlegg A og B til denne avhandlingen og de to omfattende rapportene fra SINTEF om IDE2 og DBS er en del av bidraget for å sluttføre dette doktorgradsarbeidet. SINTEF rapportene blir referert til som 1-3: “The GlennCell - Quantifying effects of dynamic operational drilling conditions on borehole stability from laboratory tests” og 1-4: “Borehole dynamics testing - Initial GlennCell tests on Pierre 1 and NHshale”.