Influence of annular mud and barite content on ultrasonic detection of shale barriers

Abstract

I denne avhandlingen undersøkes forholdene rundt baritt og dets bruk i boreslam. Ultrasoniske metoder for logging bak brønnrør beskrives, med fokus på å skille mellom barittholdig boreslam, lav-impedans sement og skifer. Rheologiske egenskaper til baritt-holdig boreslam diskuteres sammen med statisk og dynamisk utfelling av baritt, og det konkluderes at utfelling av baritt hovedsaklig har blitt behandlet som et problem under drilling, og ikke i kontekst av å identifisere materialer i annulus. To fysiske modeller beskrives, én for suspensjoner og én for porøse elastiske rammeverk. Modellene slås sammen til en impedans-modell for olje- og vannbasert barittholdig boreslam. Det avgjøres at det er teoretisk mulig å skille mellom boreslam og lav-impedanssement opp til boreslam-tettheter nær 2 g cm−3 for vannbasert boreslam, og omtrent 2.2 g cm−3 for oljebasert boreslam. Modellene sammenlignes videre med tilgjengelig eksperimentell data for boreslam og for andre løsmasser. Vi finner at suspensjonsmodellen er veldig ømfintlig ovenfor inn-parameterne, som er hovedsaklig Archie’s sement-faktor, og den gjennomsnittlige korn-diameteren. Modellen er i samsvar med eksperimenter fra Hayman, hvor gode kvantitative resultat kun oppnås om viskositeten justeres ned en størrelsesorden. Derfor konkluderer vi at en mer sofistikert modell er nødvendig for å oppnå tilfredstillende resultat. Elastisk rammeverk-modellen sjekkes også opp mot eksperimenter hvor tilfredsstillende resultater oppnås. Til slutt diskuteres baritt-holdig boreslam i sammenheng med nedleggelser av oljebrønner.

In this thesis we investigate barite and its use in drilling fluids. Ultrasonic techniques for logging behind casing are described with a focus on discriminating between barite muds, low-impedance cement and shale. The rheological properties of barite muds is discussed along with barite sag, and we conclude that barite sag is mainly treated as a drilling problem, and is not investigated with logging behind casing in mind. Two rock physics models are described, a model for suspensions and a model for porous elastic frameworks. The models are linked into an impedance-model for oil-based and water-based mud. We learn that it is theoretically possible to discriminate between muds and low-impedance cement for mud densities up to 2.0 g cm−3 for a water-based mud, and up to 2.2 g cm−3 for oil-based mud. The models are compared with available data on drilling fluids and from unconsolidated sands. The suspension model is found to depend heavily on its input parameters, which are mainly Archie’s cement factor and the average grain diameter. The same results as Hayman are obtained, where the model fit quantitatively only if the viscosity is assumed one order of magnitude lower. Therefore, we conclude that a more sophisticated model is necessary. The elastic framework model is compared with experiments, where satisfactory results are obtained. Finally, barite mud is discussed in relation to plug & abandonment.