An Experimental Study of Gas Migration in Pressurized Fluids

Abstract

Boring med begrenset operativ slam-margin gjennom karstifiserte karbonatformasjoner som består av sprekker og hulrom fra en flyter offshore, kan potensielt føre til tapt sirkulasjon og gassinnstrømning. Konvensjonelle brønnkontroll prosedyrer kan være utilstrekkelig til å løse disse utfordringene. For å redusere eller unngå ikke-produktiv tid, kan ukonvensjonelle bore- og beredsskapsmetoder som "controlled mud level drilling" (CML) og "controlled mud cap drilling" (CMCD) implementeres.

Dersom brønnen opplever totale tap under boring av en karstifisert formasjon innebærer det at alt av borevæske og borekaks tapes til sprekker og hulrom i formasjonen. Ved anvending av CMCD i en total tapssituasjon med gassinnstrømning, vil gassen bli forhindret fra å migrere til toppen av brønnen ved kontinuerlig injeksjon av viskøst slam inn i ringrommet fra en pumpe på overflaten. Injeksjonen av slam oppnås ved å holde nedadgående hastighet av viskøst slam høgere enn den estimerte migrasjonshastigheten til gass. Migrasjonshastigheten til gass er en viktig parameter for å opprettholde brønnkontroll og et godt og presist estimat av denne er derfor viktig. Dette har vært hovedfokus i denne masteroppgaven.

Flere forfattere har studert migrasjonshastighet til gass i stillestående vannkolonner under atmosfæriske forhold. I slike tilfeller er migrasjonshastigheten kun en funksjon av den terminale stigehastigheten til gassen. Få har kommet med korrelasjoner hvor effekten av trykk og viskøse væsker er tatt hensyn til. Betingelsene i borehullet er preget av høye trykk, slik at dagens korrelasjoner basert på atmosfæriske forhold kan være utilstrekkelige.

Forsøk har blitt utført ved å injisere nitrogengass inn i bunnen av en gjennomsiktig sylinder som inneholder en stillestående væske. Den tiden det tar gassboblene å nå toppen av sylinderen er bestemt visuelt ved å bruke bildeanalyse, og den tilsvarende stigehastigheten er beregnet. Forsøkene har blitt utført med tre forskjellige testvæsker med forskjellige viskositetsnivå; destillert vann med viskositet på 0.79 cP, 67 wt% glycerol-vann løsning med viskositet på 12.3 cP og 75 wt% glycerol-vann løsning med viskositet på 21.5 cP, for å undersøke effekten av forskjellige viskositetsnivåer på migrasjonshastigheten til en gassboble. Forsøkene har også blitt utført med trykkregimer som varierer fra 10-60 barg. 60 barg var trykkbegrensningen på oppsettet. Nitrogengass har kontinuerlig blitt matet inn i bunnen av kolonnen ved gassvolum på 20 ml/min og 60 ml/min.

Resultater fra forsøkene viste at viskositetsnivået på væsken har stor innvirkning på migrasjonshastigheten til gassbobler. En økning i viskositet på testvæsken førte til en signifikant reduksjon i migrasjonshastighet sammenlignet med destillert vann. For et trykk på 15 barg varierer migrasjonshastigheten til gassbobler med diameter på 1.49 mm fra 0.30 m/s for destillert vann, 0.074 m/s for 67 wt% glycerol-vann løsning på 12.3 cP til 0.042 m/s for 75 wt% glycerol-vann løsning med viskositet på 21.5 cP.

Migrasjonshastigheten til gassbobler fra forsøkene har en tendens til å reduseres for alle tre testvæsker for et økende trykkregime. Den største reduksjonen i hastighet som resultat av trykkøkning ble oppnådd for gassboblene i forsøkene utført med destillert vann. Hastigheten for to forskjellige boblestørrelser i destillert vann ble redusert for trykk over 30 barg. Migrasjonshastigheten til gassbobler med en diameter på 1.86 mm ble redusert fra 0.34 m/s til 0.26 m/s for økende trykk fra 0-60 barg.

Resultatene fra forsøkene med destillert vann avviker fra korrelasjonene fra den gjennomgåtte litteraturen. Den terminale stigehastigheten presentert av Lin et al. (1998) korrelerte nokså godt med migrasjonshastigheten til gassbobler fra forsøkene med de viskøse væskene. Ved å legge til 0.024 m/s til korrelasjonen, overlapper den justerte korrelasjonen med gass-migrasjonshastigheten fra forsøkene.

Fremtidig anbefalte forsøk med den gjennomsiktige sylinderen inkluderer oppgradering av oppsettet slik at forsøkene kan utføres for høyere trykkregimer enn 60 barg. Fremtidige eksperimenter bør inkludere testvæsker med egenskaper som ligner borefluidets egenskaper. Forsøkene kan også utføres med et rør tilstede i sylinderen for å simulere tilstedeværelsen av et borerør. Dersom røret kan roteres, kan effekten av rotasjon på gass-migrasjonshastigheten undersøkes.

Drilling with a limited operational mud margin through karstified carbonate formations, consisting of fractures and cavities with a floater offshore, can potentially lead to lost circulation and gas influx. Conventional well control procedures can be inadequate in resolving these challenges. To reduce or avoid non-productive time, the unconventional drilling and contingency method called controlled mud level drilling (CML) and controlled mud cap drilling (CMCD) can be implemented.

If the well experiences total losses in a karstified formation, the drilled cuttings along with the drilling fluid will be lost to the formation. When applying controlled mud cap drilling (CMCD) to a total loss situation, the influx gas is prevented from migrating to the surface, by a continuous injection of mud cap fluid into the wellbore annulus from a top-fill pump. The mud injection is achieved by keeping the downward velocity of the mud cap fluid greater than the estimated gas migration velocity. The gas migration velocity is an important parameter to have a good and precise estimate of, to maintain proper well control. Estimating the gas migration velocity has been the main focus of this Master's thesis.

Several authors have studied the phenomena of gas migration velocity under ambient surface pressures in stagnant liquid columns with water, which is a function of the terminal rise velocity. Few have made correlations with respect to the effect of pressure level and the presence of viscous fluid. Downhole in a well, the conditions are characterized by high pressures, so the current correlations based on ambient conditions might be inadequate.

The experiments have been performed by injecting Nitrogen gas into a cylinder containing a stagnant liquid column. The elapsed time it took the gas bubbles to reach the top of the cylinder has been determined visually by using frame-by-frame imaging analysis, and the corresponding gas migration velocity has been calculated. The experiments have been performed with three different test liquids with different viscosity levels; distilled water at 0.79 cP, 67 wt% glycerol-water at 12.3 cP and 75 wt% glycerol-water at 21.5 cP, to investigate the effect of different viscosity levels on the gas migration velocity for gas bubbles. The experiments have also been performed for pressure regimes ranging from 10-60 barg. 60 barg was the pressure limitation of the set-up. The Nitrogen gas has been continuously fed into the bottom of the column at gas volume rates of 20 ml/min and 60 ml/min.

Results from the experiments showed that the viscosity level of the liquid has a large impact on the gas migration velocity. An increase in liquid viscosity level led to a significant reduction of the gas migration velocity compared to distilled water. For a pressure of 15 barg for bubbles with a diameter of 1.49 mm, the gas migration velocity vary from 0.30 m/s for distilled water at 0.79 cP, down to 0.074 m/s for the 67 wt% glycerol-water solution with a viscosity of 12.3 cP and down to 0.042 m/s for the 75 wt% glycerol-water solution with a viscosity of 21.5 cP.

The gas migration velocity obtained from the experiment tends to decrease for all three test liquids for increasing pressure levels. The greatest reduction in gas migration velocity due to pressure level increase was obtained for the experiments performed with distilled water. The velocity for two different bubble sizes in distilled water did also decrease for increasing operating pressures above 30 barg. The gas migration velocity was reduced from 0.34 m/s to 0.26 m/s for pressures ranging from 0-60 barg for bubbles with diameter of 1.86 mm.

The gas migration velocity obtained from the experiments with distilled water deviated some from the correlations from the reviewed literature. The terminal rise velocity presented by Lin et al. (1998) correlated fairly well with the gas migration velocity obtained from the experiments with the viscous liquids. By adding 0.024 m/s as a constant to the correlation, the correlation overlaps with the gas migration velocity from the experiments.

Future recommended work on the high-pressure transparent cell includes upgrading the setup so that the experiments can be performed with higher pressure regimes. Future experiments should include test liquids with properties which are more similar to the properties of drilling fluid. The experiments could also be performed with a pipe present in the cylinder to simulate the presence of a drill pipe. If this pipe could rotate, then the effect of rotation on the gas migration velocity could be investigated.