Borehole GEBIRGSMECHANISCHE BERATUNG Dr. Roland Braun

BOREHOLE

Mit BOREHOLE kann die Stabilität von Bohrungen sowie davon ausgehenden Perforationslöchern bewertet werden. Es beruht auf der Analyse der Wechselwirkungen von Belastungen im Gebirge und um Bohrungen/Perforationen mit dem Deformationsverhalten und der Festigkeit des dort anstehenden Gesteins. Da sich die jeweiligen Parameter leicht variieren lassen, erlaubt BOREHOLE neben singulären Standsicherheitsanalysen auch die Optimierung bohrtechnischer Parameter sowie Backanalysen von aufgetretenen Stabilitätssituationen einschließlich der Ermittlung dafür wesentlicher Parameterwerte.
Zusätzlich lassen sich mit BOREHOLE auch die Auswirkungen von Änderungen des Porendrucks und/oder spezifischer Druckverhältnisse in Schwächezonen (Schichtungen, Klüfte, Risse etc.) auf die Gebirgsstabilität im primären Spannungsbereich bewerten.

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Eingabedaten

Die Eingabedaten umfassen sowohl die jeweils zu analysierenden bohrtechnischen Parameter und deren Variationen als auch Angaben zu den Gebirgsverhältnissen.

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Bohrtechnische Parameter

Die Analysen der Standsicherheit von Bohrungen/Perforationen beruhen auf Angaben zur Teufe, dem Verlauf des Bohrpfads (Bohrlochneigung und -azimut) und dem Bohrlochinnendruck. Bei permeabler Bohrlochwand sind zudem die Eindringtiefen beziehungsweise Depressionsradien der Fluida zu berücksichtigen. Weiterhin kann zwischen unverrohrten (freie Deformation) oder verrohrten Bohrungen (eingeschränkte Deformation) unterschieden werden. Es lassen sich zudem signifikante Temperaturdifferenzen im bohrlochnahen Bereich berücksichtigen.

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Gebirgsparameter

Wesentliche gebirgsspezifische Eingabeparameter sind die 3D effektiven Spannungen beziehungsweise die räumlichen totalen Spannungen, der Porendruck und die 3D Porendruckwirksamkeiten (siehe Spannungen ). Weiterhin sind Parameter zum Deformationsverhalten sowie der Bruchfestigkeit des anstehenden Gesteins wesentliche Voraussetzungen für die Stabilitätsbewertungen. Diese lassen sich durch RACOS^® - Analysen sowie spezielle experimentelle Untersuchungen bereitstellen. Bei Berücksichtigung thermischer Beanspruchungen sind zudem die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gesteins in die Betrachtungen einzubeziehen.
Im Fall eines gestörten Gebirges können die 3D Orientierungen und die spezifischen Festigkeiten von bis zu drei unterschiedlichen Schwächezonen (Schichtungen, Klüfte, Risse etc.) berücksichtigt werden.

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Verfahren

In BOREHOLE erfolgen die 3D Stabilitätsanalysen durch eine spezifische Kopplung des numerischen Finite Elemente Verfahren zur Berechnung des Spannungs-Deformationsverhalten mit geeigneten analytischen Lösungen. Die mit diesem Ansatz ermittelten Resultate sind identisch mit den Ergebnissen einer vollständigen 3D-Vernetzung; sie erfordern aber (vor allem bei wechselnden Randbedingungen) einen bedeutend geringeren Rechenaufwand. Das gestattet die Durchführung schneller Trend- und Optimierungsanalysen.

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Ergebnisse

Für alle Elemente des vernetzten Gebirges werden die ermittelten Spannungszustände mit den Festigkeitsparametern des jeweiligen Gesteins verglichen. Dabei kann es sich um die Bruchfestigkeit, die Restfestigkeit oder auch Fließgrenzen handeln. Dazu wird für jedes Element der relative Abstand des räumlichen Spannungszustandes zum entsprechenden Versagenskriterium als SAFETY-Faktor definiert. Ein Wert ≤ 1 verweist dabei auf Instabilitäten in dem jeweiligen Gebirgselement. Unter Berücksichtigung der Größe des jeweiligen Elementes können damit quantitative Aussagen zur Versagensintensität in interessierenden Bereichen um Bohrungen/Perforationen getroffen werden. Damit lassen sich für mögliche Änderungen der bohrtechnischen Parameter schnell die Kombinationen ermitteln, bei denen die geringsten Gefährdungen auftreten.

Zur übersichtlichen Einschätzung der jeweiligen Gefährdung werden farblich codierte SAFETY-Faktoren in die einzelnen Netzelemente eingetragen. Das erfolgt entweder getrennt für das kompakte Gebirge und die Schwächezonen oder durch Superposition aller Ergebnisse (wobei der jeweils kritischere Wert dargestellt wird).
Für einige praktische Schlussfolgerungen kann die Art des Versagens (Breakout, Frac etc.) von Interesse sein. Dazu werden die radiale, tangentiale und die achsenparallele Normalspannung bezüglich des Bohrloches sowie mögliche Scherspannungskomponenten an der Bohrlochwand analysiert. Zusätzlich lassen sich die schwächeflächenbedingten Normal- und Scherspannungen berücksichtigen. Das erlaubt die Identifizierung sowohl von bohrtechnischen Parametern auch konkreter Gebirgsstrukturen als Ursache möglicher Versagensrisiken.

Für weitere Informationen zu BOREHOLE siehe:

Braun, R.; Tauber, F. & Stromeyer, D.: Methodik zur Einschätzung der Bohrlochstandsicherheit. Erdöl Erdgas Kohle, Vol 108, No.9, S. 345-347, 1992

Braun, R.: Spülungsdruckoptimierung für Horizontalbohrungen. Erdöl Erdgas Kohle, Vol 111, No.10, S. 406-408, 1995

Braun, R.: Optimizing mud pressure for horizontal wells. OIL GAS European Magazine, Vol 21, No.4, pp 26-28, 1995

Braun, R.: Analyse der Standsicherheit und Sandproduktion in abgelenkten Bohrungen. Erdöl Erdgas Kohle, Vol 113, No.4, S. 176, 1997

Braun, R.: A Commonly Neglected Factor in Rock Mass and Borehole Stability. OIL GAS European Magazine, 2/2007, pp. OG79 - OG82

Braun, R.: Consideration of 3D Rock Data for Improved Analysis of Stability and Sanding. OIL GAS European Magazine, 2/2008, pp. OG64 - OG68

Braun, R.: Reservoir Pressure and Mechanical Integrity of the Overburden. Erdöl Erdgas Kohle, Vol. 125, No.11, S. 427-432, 2009

Braun, R.: Critical Borehole Orientations - Rock Mechanics Aspects. OIL GAS European Magazine, II/2010, pp. OG75 - OG79