Eocen leire gir sikker tetting av brønner Foto: Equinor

Eocen leire gir sikker tetting av brønner

Ny kunnskap om avsetningsmiljøet for eocene avsetninger i Nordsjøen kan utnyttes til kostnadseffektiv brønnsikring.

Tekst bildet over: I Danmark er paleogene avsetninger lett tilgjengelige for geologer og boreingeniører som ønsker å bli bedre kjent med tilsvarende sedimenter i Nordsjøen. Leiren utnyttes til produksjon av Leca bygningsstein, og disse dagbruddene danner flotte, 3-dimensjonale blotninger som er velegnete feltlaboratorier og yndete ekskursjonsmål for geologer og borepersonell i Equinor. 

Det er et ufravikelig krav at alle brønner som bores inn i formasjoner med overtrykk eller som inneholder hydrokarboner skal ha nedihulls barrierer som er sterke nok til å unngå at væske kan strømme ukontrollert fra formasjonen og inn i andre formasjoner eller til overflaten.

Sagt på en annen måte er det nødvendig å tette hulrommet mellom utsiden av foringsrøret (eng: casing) og formasjonen, og materialet som benyttes skal være både impermeabelt og duktilt, slik at det holder tett i uoverskuelig fremtid.

Fra sent på 1800-tallet og frem til 2005 ble det utelukkende benyttet sement og foringsrør av stål til dette formålet.

Nedihulls barrierer

Plugging og sikring av en brønn foretas alltid ved slutten av brønnens levetid (letebrønner, injeksjonsbrønner og produksjonsbrønner), og dette sikrer at det ikke lekker verken vann, gass eller olje som representerer en fare for miljøet eller folks helse og sikkerhet. Hensikten med pluggingen er derfor å isolere de petroleumsførende reservoarene og andre trykksoner for å hindre fremtidig lekkasje av hydrokarboner til andre soner, spesielt til soner med ferskvann, eller til sjøbunnen og havet omkring. Pluggene må bli værende på plass og være pålitelige for all fremtid.

Kilde: Oljedirektoratet

Bedre, tryggere og billigere

I 2005 ble det oppdaget at leiravsetninger av eocen alder på Oseberg-feltet hadde egenskaper som gjorde at de gjennomborede sedimentene selv tettet det åpne rommet mellom foringsrør og formasjon.

Akustiske målinger gjennom foringsrørene bekreftet at det definitivt var intervaller med noe som tettet hulrommet mellom rør og formasjon langt grunnere enn der det var pumpet sement. Logge-signalene viste til og med stratigrafisk helning og andre strukturer som fortalte at dette var formasjonsrelatert. Ulike logger og borekaks viste at formasjonene som hadde krøpet inn til foringsrørene var impermeable og duktile avsetninger med leire.

I tolkningene av sementbåndloggene ble disse intervallene kalt «godt formasjonsbånd» («fm bånd» i figuren). Det ble da også spekulert på om slik leirstein kanskje til og med fungerer bedre enn sement til å være tett over tid.

Etter dette oppstod et ønske om å analysere disse formasjonene med tanke på avsetningsmiljø og mineralogisk sammensetning, og ikke minst hvordan denne kunnskapen kunne utnyttes til å predikere slike krypende egenskaper.

De stratigrafiske nivåene over reservoarene var imidlertid ikke forstått i detalj, og data var ofte vanskelig tilgjengelig. Helt sentralt i dette arbeidet stod derfor tolkning av den regionale geologien. Det var også behov for å undersøke mineralogien i større skala, samt en systematisering av bekreftede intervaller med målt formasjonsbånd inntil foringsrørene.

I tillegg utarbeidet bergmekanikere og boreingeniørene nye prosedyrer og forskrifter for operasjonell testing av de formasjonsrelaterte barrierene ved å påføre fysisk trykk som tilsvarte mulige reservoarfluider nedenfra. Geologene iverksatte på sin side studier som gikk fra kartlegging av lokal mineralogi, via korrelasjoner mellom felt og forståelse av sedimentasjonen til storskala seismisk tolkning, understøttet av feltekskursjoner av analoge avsetninger i Danmark. Til sammen har dette gitt bedre innsikt i geologien og de ulike egenskaper til sedimentene som så kan tas i bruk for å sikre oljebrønner bedre, tryggere og billigere enn før.

Skjematisk fremstilling av brønnintegritet og formasjon (fm bånd) som barriere. Tegning: Equinor

Vulkanisme og grønn leire

Havbunnsspredning og splitting av kontinentene i Nord-Atlanteren skjøt fart i tidlig eocen tid (55 millioner år siden). Som et resultat ble kontinentmarginene hevet, og sedimenter i form av vekslende lag av sand, leire og vulkansk aske ble tilført Nordsjøen fra både østlige og vestlige kildeområder.

Den vulkanske asken ble først avsatt som en serie av tynne askelag i bassenget og utgjør blant annet det som gjenkjennes som tuff i Balder-formasjonen. De store mengdene med vulkansk aske avsatt på kontinentene ble så utsatt for kjemisk forvitring i en periode med varmt klima, og dette forvitringsmaterialet ble senere re-avsatt i et oksygenfattig miljø som tykke lag med leire over Balder Tuff. Denne nedre delen av Hordalandgruppen (Hordaland-1) benevnes i Nordsjøen uformelt som Grønnleire, nettopp på grunn av sin distinkte grønnfarge.

I et stort antall brønner i Nordsjøen gjennomførte vi mineralogiske analyser på borkaks (QEMSCAN), og sammenfattet med et konsistent stratigrafisk og seismisk rammeverk kunne geologene begynne å forstå hvorfor disse avsetningene hadde så spesielle egenskaper.

Den viktigste observasjonen var at Grønnleire har et svært høyt innhold av smektitt (fellesbetegnelse for en gruppe leirmineraler som sveller i kontakt med vann), noe som betyr store andeler bundet vann i leirmineralsjiktene. Smektitt er også svært finkornet og mindre stiv sammenlignet med andre leirmineraler og reduserer sedimentets permeabilitet til nano-nivåer. Dette gjør at leiren oppfører seg plastisk og dermed har de egenskapene som er nødvendige for å krype inn og forsegle hulrommet rundt foringsrør og slik skape en effektiv barriere mot enhver lekkasje fra undergrunnen.

 I tiden etter eocen, kom nye pulser med hevning av bassengmarginene. Disse resulterte igjen i økt tilførsel av silisiklastisk materiale gjennom oligocen, og den relative andelen av smektitt avtok i lagene yngre enn eocen.

Vi ser dette tydelig ved opptreden av prograderende sekvenser langs marginene som interfingrer med mer kaotiske avsetningsmønstre i sentrale dele av bassenget (Hordaland-2). Det kaotiske seismiske mønsteret i midten av bassenget har i flere vitenskapelige publikasjoner blitt tolket som resultat av remobilisert sand og leire, og flere mekanismer for denne mobiliseringen og forstyrrelsen av sedimentene har blitt foreslått. Nylig har dette kaotiske avsetningsmønsteret blitt tolket som et resultat av gigantiske undersjøiske ras. Rasenes strukturer viser seg nå å være viktige for hvor vi finner formasjoner som har beholdt evnen til å krype inn til foringsrørene.

Skjematisk oversikt over avsetningsmiljøet i eocen – oligocen tid. A) Massiv vulkanisme i tidlig eocen, og avsetning av tykke og vidt utbredte askelag. B) Varmt klima, høyt havnivå og forvitring av vulkansk aske til smektitt-rik leire i midt eocen (Hordaland-1). C) Landhevning og kjøligere klima ga ny tilførsel av sedimenter til Nordsjøen i oligocen (Hordaland-2). D) i sen oligocen – miocen raste store deler av sokkelen ut, og toppen av eocen grønnleire fungerte som et glideplan for store massetransport. Tegning: Equinor

Grundig geologisk arbeid

For enhver vurdering av brønnintegritet vil en undersøkelse av hulrommet mellom foringsrør og formasjon være essensiell. I de tilfellene hvor det ikke er tilstrekkelig sement til stede, vil formasjonene vurderes som alternative brønnbarrierer. Da er det visse krav til kunnskap og data som må etterleves:

  • Formasjonene må være impermeable og duktile
  • Formasjonene må ha tilstrekkelig styrke og ingen målbar permeabilitet
  • Formasjonene må ha stor lateral utstrekning, og både avsetningsmiljøet og strukturgeologien må kartlegges ved hjelp av seismisk tolkning, brønnkorrelasjon med tilgjengelige logger og mineralogiske analyser

Ved å samle data fra forskjellige kilder, er det mulig å integrere logger under boring, akustiske logger av foringsrør i etterkant, mineralogiske analyser av borekaks, tolkning av seismiske data og den konseptuelle geologiske forståelsen til å vurdere hver enkelt brønn opp imot kriteriene for formasjon som en brønnbarriere.

Andelen smektitt i leirsteinene er høyest i de sentrale delene av den nordlige Vikinggrabenen, mens prograderende sekvenser fra øst inneholder mer silisiklastiske sedimenter og har et relativt høyere kvartsinnhold. Dette gjenspeiles i dårlig formasjonsbånd øst på Trollfeltet i forhold til lange intervaller med godt formasjonsbånd på for eksempel Kvitebjørnfeltet som ligger nær bassengsenteret.

I tillegg til å utnytte leirens evne til å krype inn og tette åpne rom permanent, ser vi nå videre på hvordan vi kan utvikle bruken av geologisk forståelse til å etablere brønnbarrierer. Der vi før tenkte rent skjematisk på hvilke væsketrykk et gitt nivå i brønnen kunne bli utsatt for, og hvilken styrke det krevde for å kontrollere dette trykket, ser vi nå om det er mulig å utnytte kombinasjoner av mekaniske egenskaper bedre. Svake eller permeable lag som ligger under impermeable lag med stor motstandskraft mot lekkasje, vil være en betryggende faktor for å forhindre strømning av hydrokarboner nedenifra. Kartlegging av den regionale geologien for bedre å forstå konsepter som trygg lagring mellom ulike barrierer og reservoarer står derfor helt sentralt i dette arbeidet.

Lønnsomt, men også sikkert

Bruken av formasjon som barriere representerer en vesentlig reduksjon av kostnader knyttet til det å forlate brønner. Konseptet er også et eksempel på hvordan geologisk innsikt kan utnyttes til sikker og miljøvennlig nedstenging av felt der produksjonen avsluttes.

Integrerte data i et seismisk snitt fra Hordaplattformen til Tampen. De beste formasjonsbåndene er av tidlig eocen alder (Hordaland-1), og avsetningene i midten av bassenget har de høyeste konsentrasjonene av smektitt-rik leire som er velegnet som nedihulls barrierer. Illustrasjon: Equinor

Forfatterne takker rettighetshaverne i lisensene for Troll (Petoro AS, A/S Norske Shell, Total E&P Norge AS og ConocoPhillips Skandinavia AS) og Kvitebjørn (Petoro AS, Spirit Energy Norway AS, A/S Norske Shell og Total E&P Norge AS) for bruk av brønndata, samt CGG for tillatelse til å vise den regionale seismiske linjen fra CGG17M01.

TRULS CARLSEN, SVERRE HENRIKSEN OG LINN ARNESEN, EQUINOR ASA

Referanser

Ahmadi, Z.M., SawyerS, M., Kenyon-Roberts, S., Stanworth, C.W., Kugler, K.A., Kristensen, J. & Fugelli, E.M.G., 2003. Paleocene. In: Evans, D., Graham, C., Armour, A. & Bathurst, P. (eds) Millennium Atlas: Petroleum Geology of the Central and Northern North Sea. Geological Society, London, 235–259.

Henriksen, S., Skeie Johansen, T.E. & Kyrkjebø, R. (in prep.). Giant mass transport complexes as an explanation to the mobilized sands in the Oligocene of the northern North Sea.

Huuse, M. & Mickelson, M., 2004. Eocene sandstone intrusions in the Tampen Spur area (Norwegian North Sea Quad 34) imaged by 3D seismic data. Marine and Petroleum Geology, 21, 141–155.

Huuse, M. Cartwright, J. Hurst A. & Steinsland N., 2007. Seismic characterization of large-scale sandstone intrusions. In: Sand Injectites: Implications for Hydrocarbon Exploration and Production. (Eds. Hurst, A. and Cartwright, J.), AAPG Memoir, 87, 21-36.

Løseth, H., Raulline, B. and Nygård A., 2013. Late Cenozoic geological evolution of the northern North Sea: development of a Miocene unconformity reshaped by large-scale Pleistocene sand intrusion. Journal of the Geological Society, London, Vol. 170, 2013, pp. 133 –145. doi: 10.1144/jgs2011-165.

Løseth, H., Rodrigues, N. & Cobbold. P.R., 2012. World’s largest extrusive body of sand? Geology, 40, 467-470.

Mudge, D., 2014. Regional controls on Lower Tertiary sandstone distribution in the North Sea and NE Atlantic margin basins. Geological Society, London, Special Publications. 403. 10.1144/SP403.5.

Stephen Williams, Truls Carlsen, Kevin Constable, StatoilHydro ASA and Arne Guldahl, Schlumberger, 2009: “Identification and Qualification of Shale Annular Barriers Using Wireline Logs during Plug and Abandonment Operations”, SPE/IADC 119321

COMMENTS

WORDPRESS: 0
X