Blowout and Kill Simulator - Calibrated for Exploration Wells on the Norwegian Continental Shelf

Abstract

Introduksjon En ukontrollert utblåsning er en alvorlig hendelse. Når en utblåsning oppstår, er det en stor risiko for det involverte riggpersonalet. Oljeutslippet fra en utblåsning er alvorlig for miljøet og krever mye restaureringsarbeid for at naturen skal bli som normalt igjen. En av de seneste utblåsningsulykkene er Macondo-utblåsningen i Mexicogulfen i 2010. Ulykken krevde 11 menneskeliv og 17 til ble skadet, det estimerte volumet av oljeutslipp var 780 000 Sm3. En vanlig måte for å gjenvinne kontrollen på er ved å drepe utblåsningen med en avlastningsbrønn. Dette skjer ved å bore en avlastningsbrønn som krysser den blåsende brønnen, deretter blir drepe væske pumpet inn i brønnen.

Bakgrunn De fleste statlige forskrifter, for eksempel NORSOK, krever at det utføres en utblåsnings- og drepesimulering som viser at det er mulig å drepe brønnen og gjenvinne kontrollen dersom en utblåsning oppstår. Utblåsnings- og drepesimuleringen skal være basert på realistiske reservoaregenskaper og den planlagte brønnkonstruksjonen. I dag er flere selskaper spesialisert i simuleringen av utblåsning og dreping, og på forespørsel fra operatøren simulerer de den planlagte brønnen. Det kan ta flere uker før operatøren mottar den gjennomførte simuleringen, og hvis resultatene viser at brønnen ikke kan drepes, må brønnkonstruksjonen endres og en ny simulering må utføres. Dette kan resultere i en lang prosess mellom simuleringsselskapet og operatøren. Løsningen er en utblåsnings- og drepesimulator operatøren selv kan bruke.

Teori I denne masteroppgaven diskuteres de vanligste årsakene til at ukontrollert innstrømning, et spark, til borehullet oppstår og hvordan et spark utvikles til en full utblåsning. Flere måter å gjenvinne kontrollen og forhindre utblåsningen blir diskutert, samt ulike måter å drepe utblåsningen når den har oppstått. Ulike drepe teknikker inkluderer brønnavdekking, naturlig stenging/ reservoar kollaps og boring av en avlastningsbrønn. Teorien bak utregningen av utblåsningsraten og nødvendig dreperate er presentert.

Simulator Hovedarbeidet i denne oppgaven handler om å utvikle en utblåsing og drepesimulator i Matlab og Excel. Det ble utviklet en utblåsnings- og drepesimulator som beregner utblåsningsraten og injeksjonsraten av drepe-fluid for flere scenarier for en brønn. Den utviklede simulatoren er intuitiv og enkel å bruke. Brukeren av simulatoren krever ingen ferdigheter i programmeringsprogramvaren Matlab, utfylling av nødvendige parametere skjer i Microsoft Excel og resultatene fra simulatoren presenteres i en automatisk generert PDF-rapport. Simulatoren gir muligheten til å velge mellom to flerfasetrykk korrelasjoner (Olgjenka og Orkiszewski) og to PVT-korrelasjoner (Glasø og Standing). Masteroppgaven presenterer de ulike stegene i simulatoren og hvordan de ulike ratene utregnes med et eksempel.

Simulerte utblåsningsrater Resultatene fra den utviklede simulatoren ble sammenlignet med resultater fra de spesialiserte selskapene i bransjen. I bransjen brukes ofte den kommersielle tilgjengelige utblåsnings- og drepesimulatoren "Olga-Well-Kill".

Totalt ble 17 brønner simulert i den utviklede simulatoren, og resultatene ble sammenlignet med profesjonelle simuleringer. Totalt ble det simulert 68 utblåsningssimuleringer for de 17 brønnene med fire ulike strømningsveier. Strømningsveiene inkluderer utblåsning til både havbunn og overflate gjennom åpent hull/foringsrør og ringrom. Den opprettede simulatoren ga lovende resultater, og gjennomsnittlig feil for utblåsningsraten for de to flerfasetrykk korrelasjoner var henholdsvis -7.5 % og -11.0% for Olgjenka og Orkiszewski.

Simulerte dreperater Simuleringer av brønndreping ble utført for 11 forskjellige brønner og sammenlignet med de profesjonelle simuleringene. Det var totalt 7 brønner med utslippspunkt til overflaten og 7 brønner med utslippspunkt til havbunnen. Totalt ble 36 ulike drepesimuleringer utført. Den gjennomsnittlige feilen for de to flerfasekorrelasjonene var henholdsvis -33.1% og -15.6% for Olgjenka og Orkiszewski.

Kalibrering av dreperater Fire kalibreringsformler for dreperaten ble opprettet gjennom ikke-linear regresjon, basert på inngangsdataen og forskjellen mellom de beregnede dreperatene og de profesjonelle dreperatene. Gjennomsnittlig feil for de kalibrerte ratene var -2,95% og 1,65% for Olgjenka og Orkiszewski, når en brønn ble ekskludert for hver av utslippspunktene. De absolutte gjennomsnittlige feilene var 12.7% og 20.0% i samme rekkefølge. For to av brønnene var kalibreringen mislykket og den gjennomsnittlige feilen økte.

Introduction A blowout is the worst-case scenario that can happen in the petroleum industry. When a blowout occurs, it is a huge risk to the involved rig personnel. The oil spills from a blowout is disastrous to the environment and require a lot of remedial work to come back to nature's normal. One of the most recent blowout accidents is the Macondo blowout in the Gulf of Mexico in 2010. In the accident 11 people lost their lives and 17 more were injured, the estimated volume of oil spill was 780 000 Sm3. One common way to regain control and kill the blowout is to drill a relief well that intersect the blowing well and kill fluid is pumped into the wellbore.

Background Most governmental regulations, such as NORSOK, demand that a blowout and kill simulation is conducted and shows that it is possible to kill the well and regain control if the worst-case scenario of a blowout happens. The blowout and kill simulation should be based on realistic reservoir properties and the planned well design. Today several companies are specialized in the simulation of blowout and kill, and upon request from the operators they simulate the planned well. It may take several weeks before the operator receives the conducted simulation, and if the results shows that the well cannot be killed, a new well design and a new simulation must be conducted. This may result in a long alternating process between the simulation company and the operator. The solution is a blowout and kill simulator the operator themselves can use.

Theory This thesis discusses the most commons reasons of why uncontrolled influx, a kick, to the wellbore occurs and how a kick is developed into a full blowout. Several ways to regain control and avoid the blowout is discussed, together with different methods to kill the well when the blowout has occurred. These methods include well capping, natural bridging and relief well drilling. The theory behind the calculation of the blowout rate and the required kill rate are presented.

Simulator The main work in this thesis is about the creation of a blowout simulator in Matlab and Excel. A blowout and kill simulator was created that calculates the blowout rate and the kill rate for several scenarios for a well. The created simulator is intuitive and easy to use. The user of the simulator requires no skills in the programming software Matlab, all data inputs happens in Microsoft Excel and the results from the simulator are presented in an automatically generated PDF report. The simulator gives the opportunity to choose between two multiphase pressure correlations (Olgjenka and Orkiszewski) and two PVT-correlations (Glasø and Standing). The thesis presents the workflow of the simulator and go through a detailed calculation example for one of the wells.

Simulated blowout rates The results from the created simulator is compared against the results from the specialized companies in the industry, who commonly uses the commercially available blowout and kill simulator "Olga-Well-Kill". In total 17 wells were simulated in the created simulator and compared with the professional simulations.

In total 68 blowout simulations were simulated for the 17 wells for a blowout to both seabed and surface through both open/cased hole and annulus. The created simulator gave promising results, and the average error for the two multiphase pressure correlations with the Standing PVT correlation were -7.5% and -11.0% for Olgjenka and Orkiszewski, respectively.

Simulated kill rates Kill simulations were conducted for 11 different wells and compared against the professional simulations. The simulations included 7 wells with a surface release point and 7 wells with a seabed release point. In total 36 different kill simulations were conducted, based on the kill fluid density. The average error for the two multiphase correlations were -33.1% and -15.6% for Olgjenka and Orkiszewski, respectively.

Calibration of the kill rates Four calibration formulas for the kill rate were created with a non-linear regression, based on the input data and the difference between the calculated rates and the professional rates. The average calibrated errors were -2.95% and 1.65% for Olgjenka and Orkiszewski, when the outlier wells were excluded. The absolute average errors were 12.7% and 20.0% in the same order. The two outlier wells were unsuccessfully calibrated, and the kill rate errors increased after the calibration.