Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy

TYTUŁ: Oddziaływanie spienionych azotem płynów szczelinujących na skały zbiornikowe złóż węglowodorów / Impact assessment of foamed fracturing fluids on hydrocarbon reservoir rocks

Autor: Klaudia Wilk-Zajdel

Recenzenci:

prof. dr hab. inż. Małgorzata Labus, Politechnika Śląska
prof. dr hab. inż. Stanisław Dubiel

ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-48-5
DOI: 10.18668/PN2023.240

Objętość monografii: 128 stron

Streszczenie

W niniejszej monografii przedstawiono wybrane informacje na temat oddziaływania płynów szczelinujących spienionych azotem na skały zbiornikowe złóż węglowodorów na podstawie badań eksperymentalnych.
W rozdziale pierwszym dokonano ogólnej charakterystyki zabiegów hydraulicznego szczelinowania. Podano podstawowe informacje na temat historii zabiegów w formacjach niekonwencjonalnych w Polsce i za granicą oraz technologiczne etapy ich udostępniania poprzez szczelinowanie. Omówiono dodatki chemiczne stanowiące część płynu szczelinującego oraz przedstawiono wpływ metod szczelinowania hydraulicznego na środowisko naturalne. Dokonano również charakterystyki oddziaływania płynu szczelinującego ze skałami złożowymi podczas zabiegów szczelinowania i alternatywnych bezwodnych lub ograniczających użycie wody szczelinowań.
W rozdziale drugim przedstawiono główny cel prowadzonych przez autorkę badań i sposób, w jaki go osiągnięto. Podano także uwarunkowania, w których zrealizowano cel pracy.
Rozdziały trzeci i czwarty stanowią zasadniczą część pracy. W rozdziale trzecim przedstawiono metodykę badań doboru płynów szczelinujących, w tym badania petrofizyczne i petrograficzne materiału skalnego, a także badania filtracji płynów szczelinujących. Przedstawiono również schemat cyklu badawczego, według którego postępowano w celu analizy uszkodzenia przepuszczalności próbek skały złożowej przez wybrane płyny szczelinujące.
W rozdziale czwartym za pomocą badań mineralogiczno-petrograficznych dokonano analizy oddziaływania wybranego płynu szczelinującego na określoną skałę złożową. Badania te polegały na ilościowym i jakościowym opisaniu składu mineralnego oraz struktury przestrzeni porowej badanych próbek za pomocą metod mikroskopowych (optycznej, skaningowej mikroskopii elektronowej – SEM oraz mikroskopii fluorescencyjnej), a także dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego (XRD) i stanowiły podstawę rozważań nad naturą procesów fizykochemicznych zachodzących podczas kontaktu badanych skał z płynem.
W rozdziale piątym dokonano podsumowania oraz zaprezentowano wnioski końcowe wynikające z wykonanych badań i analiz.

Słowa kluczowe: płyny spienione azotem, szczelinowanie hydrauliczne, uszkodzenie formacji

Abstract

This monograph presents selected information on the impact of nitrogen-foamed fracturing fluids on reservoir rocks of hydrocarbon reservoirs, based on experimental research.
The first chapter presents the general characteristics of hydraulic fracturing operations. Basic information on the history of treatments in unconventional formations in Poland and abroad, as well as technological stages of their access by fracturing, are given. The interaction of the fracturing fluid with reservoir rocks during fracturing treatments and alternative waterless or water-limiting fracturing treatments was also characterized.
The second chapter presents the main goal of the research carried out by the author and the way it was achieved.
The third and fourth chapters are the most extensive part of the work. The third chapter presents the research methodology for the selection of fracturing fluids, including petrophysical and petrographic tests of rock material, as well as testing of fracturing fluid filtration. A diagram of the research cycle was also presented, which was followed in order to analyze damage to the rock material by selected fracturing fluids.
In the fourth chapter, the impact of the selected fluid on the rock was analyzed using mineralogical and petrographic research. These studies consisted in the quantitative and qualitative description of the mineral composition and the structure of the pore space of the tested samples using microscopic methods (optical, scanning electron microscopy - SEM and fluorescence microscopy), as well as X-ray diffraction (XRD) and were the basis for considering the nature of physicochemical processes occurring during the contact of the tested rocks with the fluid.
The fifth chapter summarizes and presents the conclusions resulting from the conducted research and analyses.

Keywords: nitrogen-foamed fluids, hydraulic fracturing, formation damage

Cena egzemplarza: 60 zł netto (plus 5% VAT)

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.

TYTUŁ: Polish shale formation evaluation based on chemical and isotope composition of natural gas / Ocena polskich formacji łupkowych na podstawie składu chemicznego i izotopowego gazu ziemnego

Autor: Marek Janiga

Recenzenci:

Prof. dr hab. Zdzisław Migaszewski, Uniwersytet Jana Kochanowskiego
Dr hab. Sławomir Kędzior, Uniwersytet Śląski

ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-49-2
DOI: 10.18668/PN2024.241

Objętość monografii: 116 stron

Streszczenie

Skład chemiczny i izotopowy gazu zmienia się wraz termiczną dojrzałością źródłowej substancji organicznej. Suchy gaz biogeniczny o bardziej ujemnych wartościach δ¹³C przechodzi w gaz mokry okna ropnego, a następnie w suchy gaz okna gazowego o wartościach δ¹³C zbliżających się do zera. Dla gazów z formacji łupkowych zależności te są identyczne, a analizy składu chemicznego i izotopowego gazu z formacji łupkowych są wykorzystywane do typowania obszarów perspektywicznych tzw.: „sweet spots”.
Celem pracy było znalezienie parametrów i ich wartości, na podstawie składu chemicznego i izotopowego, oznaczających prawdopodobne wystąpienie „sweet spot”. W tym celu wykorzystano wyniki analiz gazu z pięciu odwiertów poszukiwawczych z północy Polski. W pracy przedstawiono wyniki analiz składu chemicznego i izotopowego gazów ziemnych oraz wyniki analiz geochemicznych Rock-Eval z pięciu odwiertów eksplorujących formacje łupkowe syluru i ordowiku. Analizy statystyczne przeprowadzono z wykorzystaniem statystyki opisowej, korelacji i regresji liniowej. Wykorzystując wszystkie wyniki jako jedną populację statystyczną, obliczono współczynniki korelacji liniowej Pearsona dla składu izotopowego poszczególnych węglowodorów gazu ziemnego z parametrami pirolitycznymi i wskaźnikami wyliczonymi na podstawie składu chemicznego. Korelacje pomiędzy parametrami pirolitycznymi a składem izotopowym lub wskaźnikami chemicznymi nie są wysokie. Przykładowo umiarkowane korelacje występują pomiędzy dojrzałością termiczną źródłowej materii organicznej (Tmax) a składem izotopowym węgla w metanie (r = 0,63).
Wyniki analiz składu izotopowego węgla wyraźnie różnicują próbki z każdego odwiertu (poza gazami z odwiertów L-1 i O-2). Wartości δ¹³C metanu, etanu i propanu są progresywnie wyższe w sekwencji L-1, O-2, K-1, B-1 i W-1. Dojrzałość termiczną źródłowej materii organicznej oceniono wykorzystując model matematyczny Tanga uwzględniający również udziału metanu biogenicznego. Dojrzałość termiczna odpowiada głównie zakresowi od 0,9% (L-1 i O-2) do 1,5% (B-1 i W-1) w skali refleksyjności witrynitu. Skład wszystkich gazów ziemnych wskazuje na mieszanie z gazem biogenicznym (udział biometanu w gazie poniżej około 25%).

Odchylenie wartości δ¹³C metanu w kierunku bardziej ujemnych we wszystkich próbkach również potwierdziło mieszanie z gazem biogenicznym (graficzny model Chunga tzw.: „natural gas plot”). Także wartości składu izotopowego węgla etanu i propanu odbiegały od teoretycznych (zwłaszcza w odwiertach W-1 i B-1; nieco mniej w odwiertach O-2 i K-1). Potwierdza to występowanie wtórnego krakingu.
W najbardziej produktywnych złożach gazu łupkowego występuje zwykle inwersja składu izotopowego węgla metanu, etanu i propanu (tzw.: „roll-over effect”). W analizowanych gazach zjawisko to nie wystąpiło, ale dostrzegalne są zmiany w różnicach (δ¹³C-C₃ - δ¹³C-C₂) i (δ¹³C-C₂ - δ¹³C-C₁). Wykorzystanie wykresu zestawiającego obydwie te różnice uznano za najlepszy sposób przedstawienia wyników przy omawianiu zjawiska wtórnego krakingu, który może prowadzić do inwersji składu izotopowego. Dla wszystkich próbek różnica między etanem i metanem (δ¹³C-C₂ - δ¹³C-C₁) stale maleje wraz ze wzrostem dojrzałości termicznej. Różnica propanu i etanu (δ¹³C-C₃ - δ¹³C-C₂) wzrasta przy niższych dojrzałościach termicznych (do około 1,5% VRo) i maleje przy wyższych wartościach termicznej dojrzałości. Wykorzystując wyniki analiz składu chemicznego gazów obliczono wskaźniki C₁/C₂+₃, C₂/C₃, i-C₄/n-C₄ oraz i-C₅/n-C). Wskaźniki te są cennym źródłem informacji o gazie ziemnym,
pozwalając uniknąć wpływu sposobu poboru i rodzaj odwiertu na skład chemiczny gazu. Podobnie jak przy wynikach analiz składu izotopowego, próbki różnicują się i tworzą sekwencję L-1 i O-2, K-1, B-1 i W-1.
Głównym celem pracy było wybranie parametrów/wskaźników i ich wartości determinujących strefy perspektywiczne w formacjach łupkowych. Wykorzystując skład gazów z odwiertu W-1 (najwyższa dojrzałość termiczna źródłowej materii organicznej) oraz dane referencyjne z formacji Barnett określono przybliżone wartości składu izotopowego metanu, etanu i propanu oraz wskaźników C₁/C₂+₃, i-C₄/n-C₄ i i-C₅/n-C₅ przy których można spodziewać się wystąpienia „sweet spots”.

Słowa kluczowe: formacje łupkowe, gaz ziemny, gaz z łupków, skład izotopowy węgla, skład chemiczny

Abstract

The relationship between the change of carbon isotope composition of gaseous hydrocarbons in natural gas and the increase of source rock organic matter thermal maturity are especially important in the petroleum geochemistry. The thermal maturity evaluation and interpretation based on the chemical and isotope compositions is commonly performed for natural gases conventional reservoirs, shales, coals, seeps and other geological habitats. The carbon isotope composition of individual hydrocarbons in gas samples provided by the compound specific isotope analysis (CSIA) can be used for interpretation and correlation purposes. On the basis of the δ¹³C value of methane, ethane and propane, the estimation of thermal transformation degree of the source rock (from which the gas was generated) can be made.
In this work, organic geochemistry methods (chemical and isotope composition of gas and pyrolysis indices) are used for the shale petroleum system evaluation and to find the values of parameters determining the sweet spot. The case study of five exploration wells located in the north of Poland is presented and discussed.

The work presents results of chemical/isotope composition analyses of natural gases and geochemical Rock-Eval analyses from five wells exploring the Silurian and the Ordovician shale formations. The statistical analyses were conducted with the use of the following: descriptive, correlation and liner regression. Using all the results as one statistical population, Pearson’s linear correlation coefficients of the gas isotope composition with the pyrolytic and molecular indices were calculated. Surprisingly, there are no high correlations between the pyrolytic indices and the isotope composition or the chemical indices. Moderate correlations are between maturity of the source organic matter (Tmax) and the isotope composition of carbon in methane (r = 0.63). The results of carbon isotope analyses clearly differentiate samples from each well, only L-1 and O-2 wells natural gases are quite similar. Methane, ethane and propane δ¹³C values are progressively higher in sequence L-1, O-2, K-1, B-1 and W-1. The thermal maturity of the source organic matter was assessed using Tang’s mathematical model including the share of biogenic methane. The thermal maturity corresponds mainly to the range from 0.9% (L-1 and O-2) to 1.5% (B-1 and W-1) vitrinite reflectance. Natural gas compositions shows mixing with the biogenic gas (below approximately 25%).
A noticeable drift of methane towards negative values in all wells samples confirmed mixing with biogenic gas (with the use of the natural gas plot - Chung plot). Values of the isotope composition of ethane and propane were also skewed (especially in W-1 and B-1; a little less in O-2 and K-1 wells). This confirmed the occurrence of secondary cracking. The inversion of the isotope composition of carbon in methane, ethane and propane (the roll-over effect) does not occur in analysed gases. Usage of the diagram (δ¹³C-C₃ - δ¹³C-C₂) vs (δ¹³C-C₂ - δ¹³C-C₁) is considered to be the best way of presenting of the isotope data. For all samples, the difference between ethane and methane (δ¹³C-C₂ - δ¹³C-C₁) is constantly decreasing with an increase of thermal maturity. The propane and ethane difference (δ¹³C-C₃ - δ¹³C-C₂) is increasing at lower thermal maturities (to approximately 1,5% VRo), and decreasing with higher values of maturity. This suggests presence of the secondary cracking, resulting in the sweet spot occurrence.
Using the hydrocarbon composition, molecular indices were calculated (C₁/C₂+₃, C₂/C₃, i-C₄/n-C₄ and i-C₅/n-C₅). These indices are a valuable source of information about natural gas, whose complete composition analyses can be affected by the manner of taking a sample and the type of well. Similarly to the isotope composition the samples plot progressively in sequence L-1 and O-2, K-1, B-1 and W-1.
The main aim of this work was to establish the values of chemical and isotope composition parameters determining sweet spots. Using the composition of gases from W-1 well (the highest thermal maturity of the source organic matter) and the Barnett reference data, approximate values at which prospective levels can be expected were defined.

Keywords: Shale formations, natural gas, shale gas, carbon isotope composition, chemical composition

Cena egzemplarza: 60 zł netto (plus 5% VAT)

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.

TYTUŁ: Poprawa oczyszczenia przestrzeni pierścieniowej otworu wiertniczego przed zabiegiem cementowania/Improvement of the cleaning of the annular space of the borehole before the cementing operations

Autorzy: Marcin Kremieniewski, Miłosz Kędzierski, Marcin Rzepka
pod redakcją Marcina Kremieniewskiego

Recenzenci:
Dr inż. Alfons Dudek
Prof. dr hab. inż. Stanisław Stryczek

Streszczenie

Podczas realizacji prac związanych z uszczelnieniem kolumny rur okładzinowych jednym z najistotniejszych aspektów jest zapewnienie szczelności w przestrzeni pierścieniowej pomiędzy kolumnami rur oraz poza nimi. Niezachowanie tego warunku może skutkować poważnymi konsekwencjami począwszy od wzrostu ciśnienia w górnej części otworu, a skończywszy na migracji bądź ekshalacji gazu. W celu wyeliminowania takich niepożądanych zjawisk należy uszczelnić kolumnę rur okładzinowych tłocząc zaczyn cementowy. Jednak na odpowiednie uszczelnienie przestrzeni pierścieniowej składa się również przygotowanie otworu do cementowania poprzez dokładnie jego oczyszczenie. W tym celu następuje przetłoczenie cieczy przemywającej, a następnie płuczka wypierana jest przez ciecz buforową i zaczyn cementowy. Odpowiednie przygotowanie przestrzeni pierścieniowej przyczynia się do znacznej poprawy uszczelnienia i umożliwia wyeliminować powstawanie mikroprzepływów gazu na kontakcie płaszcza cementowego z powierzchnią przewiercanej wcześniej formacji skalnej oraz powierzchnią zapuszczanej rury okładzinowej.

W książce przedstawione zostały mechanizmy przepływu cieczy w przestrzeni pierścieniowej otworu wiertniczego oraz omówiono zagadnienia dotyczące działania środków przemywających na poprawę efektywności oczyszczenia przestrzeni pierścieniowej przed zabiegiem cementowania. Opisana została innowacyjna metodyka badań efektywności usuwania osadu płuczkowego. Zaprezentowano również nowe, skonstruowane w INiG – PIB urządzenie (symulator przepływu cieczy wiertniczych), które pozwalało na realizację prac badawczych w zakresie skuteczności działania cieczy przemywających. Omówiono wyniki badań wpływu czasu kontaktu oraz prędkości przepływu cieczy przemywającej na skuteczność usuwania osadu płuczkowego z formacji skalnej oraz z powierzchni rur okładzinowych. Przedstawiono również badania nad opracowaniem nowych cieczy przemywających oraz hybrydowej cieczy przemywającej, która wykazywała dwufunkcyjny charakter usuwania osadu (chemiczny oraz mechaniczny).

Omawiana problematyka realizowanych prac badawczych w znacznym stopniu przyczynia się do poprawy oczyszczenia przestrzeni pierścieniowej otworu wiertniczego przed zabiegiem cementowania, a tym samym do ograniczenia migracji i ekshalacji gazu w otworach wiertniczych.

Słowa kluczowe
Ciecz przemywająca, ciecz buforowa, oczyszczenie przestrzeni pierścieniowej, ciecz hybrydowa, przestrzeń pierścieniowa, otwór wiertniczy, zabieg cementowania otworu wiertniczego, szczelność otworu, migracja gazu, środki powierzchniowo czynne, surfaktanty, środki ścierne, dodatki drobnoziarniste

Abstract

During the implementation of works related to the sealing of the casing string, one of the most important aspects is to ensure tightness in the annular space between the casing and beyond. Failure to comply with this condition may result in serious consequences, ranging from pressure increase in the upper part of the hole, to migration or gas exhalation. In order to eliminate such undesirable phenomena, the casing column should be sealed by pumping the cement slurry. However, the proper sealing of the annular space also consists in preparing the borehole for the cementing operations by thoroughly cleaning it. For this purpose, a preflush fluid is pumped into the hole, and the drilling mud is displaced by a spacer fluid and cement slurry. Appropriate preparation of the annular space contributes to a significant improvement of the sealing and allows to eliminate the formation of gas microflows on the contact of the cement sheath with the surface of the previously drilled rock formation and the surface of the casing string.

This book presents the mechanisms forming the liquid flow in the annular space of the borehole and discusses the issues concerning the action of washing agents to improve the efficiency of cleaning the annular space before the cementing operations. It presents an innovative methodology for the effectiveness of removal of mud cake. It also presents, a new device (a simulator of the flow of drilling fluids), constructed in The Oil and Gas Institute – National Research Institute, which allowed to carry out research work in the field of the effectiveness of washing fluids. The results of the influence of contact time and flow rate of the preflush fluid on the efficiency of removing the mud cake from the rock formation and the surface of the casings were discussed. Also presented are Laboratory tests on the development of a new types of washing fluids and a hybrid preflush fluid, which showed a dual-purpose character of filter cake removal (chemical and mechanical).

The discussed issues of conducted research work significantly contribute to the improvement of the purification of the annular space of the borehole before cementing operations, and thus to the reduction of gas migration and exhalation in wellbores.

Key words
Preflush fluid, spacer fluid, cleaning of the annular space, hybrid preflush fluid, annular space, borehole, wellbore cementing operations, borehole tightness, gas migration, surfactants, abrasives, fine-grain additives

Cena egzemplarza:60 zł netto (plus 5% VAT)

Koszt przesyłki: 5 zł brutto za sztukę – list polecony

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.