La sabbia nel flusso di petrolio con il rischio di collasso del pozzo è un problema ben noto quando i giacimenti di arenaria si avvicinano all'esaurimento. Sensori avanzati e una super macchina stanno aiutando i ricercatori a trovare la soglia alla quale cessa la produzione redditizia. Ciò può aumentare la durata dei serbatoi.

Nei campi maturi della piattaforma norvegese, quelli che producono da tempo, la pressione del fluido nel giacimento si riduce, con conseguente minore resistenza alle forze a cui è esposta la roccia serbatoio. Queste forze fanno sì che sabbia e frammenti di roccia si stacchino dalle pareti del pozzo e si mescolino con i flussi di petrolio o di gas. Questo si chiama "produzione di sabbia" ed è un problema che si applica in particolare ai campi più vecchi.

"Per sfruttare le risorse nei campi sviluppati, conviene produrre nel modo più efficiente possibile dai pozzi esistenti, e questo richiede la conoscenza di come produrre quando aumenta il rischio di produzione di sabbia. Questo è ciò che ora siamo in grado di prevedere in modo più accurato, " afferma Andreas Berntsen di SINTEF.

Domare enormi forze

Petrolio e gas si trovano principalmente in strati di arenaria porosa, dove riempiono i pori allo stesso modo in cui un liquido riempie una spugna. Alcuni dei serbatoi più comuni sono costituiti da granelli di sabbia che sono stati cementati insieme nel corso del tempo geologico per formare arenarie sepolte a diversi chilometri sotto la superficie.

Se viene prodotta troppa sabbia da un pozzo, causerà un'usura sproporzionatamente elevata su valvole e tubi. Può anche provocare l'intasamento del pozzo, attrezzature bloccate e produttività ridotta. La sabbia deve anche essere separata dal flusso di produzione, pulito e smaltito.

I pozzi devono essere perforati nel giacimento per consentire la produzione di petrolio o gas. Quando le valvole sono aperte, petrolio e gas fluiranno dalle rocce porose nel pozzo e fino alla piattaforma di produzione o nelle condutture sul fondo del mare.

"I serbatoi spesso si trovano a una profondità compresa tra due e cinque chilometri e il peso delle formazioni rocciose sovrastanti sottoporrà la roccia del serbatoio a notevoli sollecitazioni. L'area

immediatamente adiacente al pozzo è più vulnerabile ai danni se la roccia è al limite di ciò che può sopportare, "dice Euripide Papamichos, il ricercatore senior responsabile del progetto presso SINTEF.

Vecchio campo di ricerca

La produzione di sabbia è quindi da 25 anni un importante oggetto di ricerca, sia per comprendere i meccanismi in gioco, sia per consentire la previsione, gestione, limitazione o prevenzione del fenomeno.

Un elemento importante dello sforzo di ricerca è l'analisi di laboratorio dell'arenaria, ottenuti sia da cave che direttamente da un giacimento petrolifero. Un foro cilindrico viene praticato nel campione di arenaria, come un piccolo pozzo. La roccia viene quindi posta in una camera a pressione dove viene sottoposta a sollecitazioni imitanti quelle di un giacimento. Grandi pistoni idraulici applicano una pressione variabile in direzioni diverse mentre l'olio permea attraverso la roccia e nel pozzo. All'aumentare delle sollecitazioni, è possibile osservare la sabbia nel flusso di petrolio mentre la roccia intorno al pozzo si frantumava.

"In laboratorio possiamo controllare la pressione e il flusso e riprodurre le condizioni di stress e flusso che esistono in vari campi. Possiamo anche misurare la produzione di sabbia e osservare come vengono erose le pareti del pozzo. Sulla base di questo possiamo creare modelli di quando la produzione di sabbia sarà iniziare e come si svilupperà nel tempo per le diverse rocce.Questo è molto più difficile da misurare sul campo, quindi i test di laboratorio sono preziosi, "dice Berntsen.

Le forze colpiscono il serbatoio da tutte le direzioni

Lo stress verticale è il più grande, mentre le sollecitazioni orizzontali sono spesso leggermente inferiori. Assumere che le sollecitazioni sul piano orizzontale siano uguali in tutte le direzioni rende più semplici i calcoli e le prove di laboratorio. La maggior parte dei laboratori non è comunque in grado di variarli indipendentemente. Il problema è che questo non rappresenta il quadro reale nella maggior parte delle situazioni sul campo.

"Inoltre, lungo, i pozzi inclinati o orizzontali sono diventati più comuni e questo rende il modello di sollecitazione molto più complesso. Sappiamo che la resistenza della roccia dipende dal modello di stress, e questo influisce sulla produzione di sabbia. Però, solo True Triax ci permette effettivamente di testare l'effetto dello stress pattern, " Spiega Lars Erik Walle di SINTEF Industry. Si riferisce all'ultimo grande investimento del dipartimento, il vero sistema di prova triassiale, che può variare le sollecitazioni in tutte e tre le direzioni.

Macchina mostruosa appositamente sviluppata

La macchina True Triax è l'unica del suo tipo in grado di imitare le condizioni prevalenti fino a dieci chilometri sotto la superficie, consentendo il flusso di liquidi ad alta temperatura. L'attrezzatura è costruita appositamente per questo laboratorio, pesa dieci tonnellate e, ha una potenza di 800 tonnellate di forza su campioni di roccia che misurano fino a mezzo metro di diametro.

Per molti anni, Gli scienziati di SINTEF hanno sviluppato metodi di prova per studiare la produzione di sabbia in laboratorio, ma solo ora l'apparecchiatura consente la simulazione di condizioni di stress veramente realistiche. Il lavoro su questo progetto è in corso dal 2017, e gli scienziati SINTEF hanno ora arruolato un dottorato di ricerca. ricercatore presso NTNU che effettuerà uno studio specifico su come avviene la produzione di sabbia nei giacimenti di gas.

Dalle misurazioni fisiche ai modelli al computer

Le misurazioni fisiche dei test di laboratorio, abbinato a modelli e simulazioni, vengono utilizzati per sviluppare un'applicazione software per la stima della produzione di sabbia.

"Stiamo costruendo una vasta base di conoscenze utilizzando diverse arenarie nei test. Tuttavia, tutte le rocce sono diverse, quindi i nostri partner industriali inviano campioni di roccia serbatoio direttamente dal campo per essere testati da noi in modo da poter calibrare i nostri modelli. Le informazioni dai pozzi vengono quindi incorporate nel software, che calcola la produzione di sabbia da varie parti del pozzo in determinate condizioni. In questo modo gli operatori possono confrontare diversi metodi di produzione, "dice Papamichos.

Gli obiettivi principali di questo progetto di ricerca sono:

• evitare la produzione di sabbia o tenerla sotto controllo, e per trovare i limiti della produzione redditizia nei vecchi giacimenti di petrolio e gas. Nella terminologia petrolifera questo è noto come "gestione della sabbia".
• aumentare il fattore di recupero dei giacimenti petroliferi esistenti e ridurre la necessità di nuove scoperte di giacimenti.
• ridurre l'impatto ambientale prolungando la vita del campo ed evitando la lavorazione della sabbia.
• sviluppare strumenti informatici che gli operatori possono utilizzare per prevedere la produzione di sabbia in varie condizioni.