Quantifying Formation Hardness and Pore Pressure using the Bourgoyne-Young Drilling Model

Abstract

Formasjonshardheten og poretrykket er to viktige faktorer som må grundig undersøkes under planleggingsfasen og under boreoperasjonene av en brønn. Begge er korrelert til bore-effektiviteten og har potensial til å påføre alvorlige problemer hvis avvik fra normen forblir uoppdaget.

Harde formasjoner reduserer penetrasjonsraten og er assosiert med både utstyrsfeil (feil på borerør- og borekrone) og nedihulls-problemer (utvasking, doglegs og keyseats). Alvorlighetsgraden kan variere, fra slitt og ødelagt utstyr som krever unødvendig tripping, til at borestrengen blir sittende fast, noe som krever reaming eller boring av en ny brønnbane. I værste fall må borehullet forlates. Det er dermed viktig å kartlegge så mye av formasjonshardheten som mulig.

For brønnkontroll er det kritisk å ha kunnskap om formasjonsporetrykket og hvordan det utvikler seg gjennom hele lengden av brønnen. En uoppdaget økning i poretrykket kan føre til ulike problemer og ustabiliteter. Kick fra brønnen er spesielt farlige ettersom de kan føre til utblåsninger eller tap av brønnseksjon hvis de blir feil håndtert. Kontinuerlig overvåkning av poretrykket under boringen er et verktøy for å forhindre og begrense slike omstendigheter.

Denne masteroppgaven presenterer en sanntidsmetode for å kvantifisere både formasjonshardhet og poretrykk. Studier har blitt gjort på korrelasjonen mellom hardhet og endringer i litologi, samt effekten av penetrasjonsrate fra endringer i formasjonshardhet vs. poretrykk. Beregningsmetodene som brukes er basert på en forenklet versjon av Bourgoyne-Youngs ligning for penetrasjonsrate. Testing har blitt gjennomført på sanntidsdata fra en brønn i norsk del av Nordsjøen.

Resultatene viser at metoden kan kvantifisere formasjonshardhet og poretrykk. Imidlertid, den ønskede nøyaktigheten av poretrykket ble ikke oppnådd sammenlignet med felt-resultater i brønnrapporten. Dette blir begrunnet til å skyldes sensitiviteten av poretrykket til endringer i hardhet. Noe forbedring i resultatet er ventet hvis metoden testes på mer komplette sett av data. Inkludering av hele brønnlengden i dataene og en litologi-indikator slik som gamma-stråling ville vært spesielt nyttig.

To test-intervall ble valgt for hardhets-analyse. Hard stringers ble påvist i det første intervallet, noe som var i samsvar med bemerkninger i brønn-rapporten. Det andre intervallet viste også tendenser av hard stringers. Imidlertid var denne seksjonen karakterisert av oscillerende hardhets-verdier. Disse oscillasjonene sammenfalt med litologi-overgangen mellom Sandy Hordaland og Sandfree Hordaland formasjonene. Denne litologi-overgangen markerte også starten på den anormale poretrykk-sonen.

Den testede brønnen var full av hendelser under boringen som påvirket resultatet, spesielt ved å gi anomalier i bore-parameterne brukt som input. Selv om dette hadde en negativ effekt på poretrykks resultatene, klarte det å synliggjøre sårbarheten av å bruke en metode kun avhengig av bore parametere slik som Bourgoyne-Young metoden er for poretrykk-kalkulasjoner. Metoden anses imidlertid som et nyttig verktøy hvis brukt sammen med andre poretrykks-metoder slik som seismiske data (acoustic velocity/interval transit time), borefluid-egenskaper og utboret masse.

Effekten på penetrasjonshastighet fra endringer i hardhet vs. poretrykk ble studert manuelt. I den normale poretrykks-sona, ble hardhet funnet å ha den mest signifikante effekten. I starten på overgangs-sona til høyere poretrykk, ble effekten av poretrykk på penetrasjonshastighet funnet. Videre arbeid trengs for å utvikle en sanntids-metode som kan forutsi effekten av hardhet vs. poretrykk basert på penetrasjonsrate og samtidig omgå problemet med poretrykkets sensitivitet til endringer i hardhet.

Formation hardness and pore pressure are two important factors that must be carefully considered when planning a well and during drilling operations. They are both correlated with drilling efficiency and have the potential to inflict serious problems if deviations from the norm go undetected.

Hard formations reduce penetration rate and are associated with both equipment problems (drill pipe and drill bit failure) and downhole problems (washouts, doglegs and keyseats). The severity may vary, from worn and broken equipment requiring unnecessary tripping, to stuck drill string, which may lead to reaming or the drilling of a new well path. In the worst-case scenario, the hole must be abandoned. Thus, it is in the best interest to map out as much of the formation hardness as possible.

For well control, knowledge of the formation pore pressure and how it evolves throughout the length of the well is crucial. Failure to detect an increase in pore pressure can lead to various problems and instabilities. Well kicks are especially dangerous as they can lead to blowouts or loss of well section if not handled properly. Continuous pore pressure detection while drilling is a tool to prevent and mitigate such circumstances.

This master thesis presents a real-time approach for quantifying both formation hardness and pore pressure. Studies have been done on the correlation between hardness and lithology changes, as well as the effect on penetration rate from changes in formation hardness vs. pore pressure. The computation methods used are based on a simplified form of the Bourgoyne-Young penetration rate equation. Testing have been completed on real-time drilling data from a well in the Norwegian North Sea.

Results show that the method can quantify formation hardness and pore pressure. However, the desired precision of the pore pressure was not obtained when compared with field results in the final well report (FWR). This was reasoned to be caused by the sensitivity of the computed pore pressure to changes in hardness. Some improvements in results are expected if the method is tested on more complete sets of data. The inclusion of full well length data and a lithology indicator such as gamma ray will be especially beneficial.

Two test intervals were selected for hardness analysis. Occurances of hard stringers were shown in the first interval, which was in tune with statements made in the final well report. The second interval also showed tendencies of hard stringers. However, this section was characterized by oscillating hardness values. These oscillations happened to coincide with the lithology transition between the Sandy Hordaland and Sandfree Hordaland formations. This lithology transition also marks the start of the abnormal pore pressure zone.

The tested well was marred with drilling incidents, causing many anomalies in the drilling parameters used as input data. Though this had a negative effect on the pore pressure results, it was able to highlight the vulnerability of using a solely drilling parameter-based approach such as the Bourgoyne Young method for pore pressure calculations. Nevertheless, the method is seen as a viable tool if run together with other pore pressure detection methods such as seismic data (acoustic velocity/interval transit time), drilling mud properties and drilled cuttings.

The effect on penetration rate from changes in formation hardness vs. pore pressure was manually studied. In the normal pressured zone, hardness was found to have the most significant effect. In the start of the transition zone, the effect of increased pore pressure was seen. Further work is needed to develop a real-time method which can predict the effect of hardness vs. pore pressure based on penetration rate, and at the same time bypass the problem of pore pressure’s sensitivity to changes in hardness.