Techn. Hochsch., Diss.--Aachen, 2007.

The present thesis focusses on two main issues: (i) the development of a multi-phase simulation tool for the characteristics of tight-gas reservoirs, and (ii) the investigation of advanced stimulation techniques. The latter mainly implies the analysis of certain damaging mechanisms, as well as the derivation of general modelling guidelines for fractured wells and underbalanced drilling. A special simulation tool is developed, realised in a Fortran-MATLAB coupling. The numerical model is based on the control-volume method with finite differences. It accounts for inertial non-Darcy effects, non-Newtonian fluid rheology and stress dependency of permeability via a simplified approach. The discretisation framework is fully unstructured, using the connection list approach and the common two-point flow stencil. Wells and boundary conditions can be handled very flexible in the code. Contrary to conventional treatment in simulators, wells are discretely included in the simulator. Inertial non-Darcy flow and stress dependency of reservoir permeability are shown to affect the accuracy of simulation models, despite low gas rates. Considering a realistic scenario, with non-Darcy flow and permeability (stress) dependent non-Darcy flow coefficients, stress dependency of reservoir permeability and fracture closure, a total reduction of 40 % is possible in a 10 year production period under realistic conditions. New type-curves are presented for non-Darcy flow in fracture and reservoir, allowing for the determination of non-Darcy flow related parameters. The stress sensitivity of tight-gas rocks is crucial when simulating such reservoirs. The stress dependency of the reservoir permeability impacts the productivity to a much higher degree than the fracture closure. A two-phase model is presented for the simulation of cleanup processes in terms of load water recovery. The fracturing fluid is treated as the water phase. The load water, causing hydraulic damage, hardly curtails productivity. To get considerable reductions in productivity, permeability in the fracture vicinity needs to be severely impaired. Due to the flow pattern, fractured wells are generally less sensitive against near wellbore damage than radial wells. An enhanced three-phase cleanup model is presented for the investigations of the polymer gel cleanup, incorporating a yield power law rheology (the Herschel-Bulkley model). The combined occurrence of loadwater recovery including capillary forces and the gel cleanup, are investigated for the first time. First results indicate that both processes are only weakly coupled. A new simulation methodology is presented to investigate underbalanced drilling, taking into account multi-phase reservoir flow with capillary forces. A sensitivity analysis points out that the degree of water encroachment is the key factor for a successful UBD operation. Countercurrent imbibition, causing water encroachment is also analysed. Hydraulic damage turns out to be far more pronounced in tight-gas formations.

In terms of a considerable increase the quality of characterization of tight-gas reservoirs, the aim of the present thesis was (i) an accurate representation of specific conditions in a reservoir simulation model, induced after the hydraulic fracturing or as a result of the underbalanced drilling procedure and (ii) performing the history match on a basis of real field data to calibrate the generated model by identifying the main model parameters and to investigate the different physical mechanisms, e.g. multiphase flow phenomena, affecting the well production performance. Due to the complexity of hydrocarbon reservoirs and the simplified nature of the numerical model, the study of the inverse problems in the stochastic framework provides capabilities using diagnostic statistics to quantify a quality of calibration and reliability of parameter estimates. As shown in the present thesis the statistical criteria for model selection may help the modelers to determine an appropriate level of parameterization and one would like to have as good an approximation of structure of the system as the information permits.

The present thesis focusses on two main issues: (i) the development of a multi-phase simulation tool for the characteristics of tight-gas reservoirs, and (ii) the investigation of advanced stimulation techniques. The latter mainly implies the analysis of certain damaging mechanisms, as well as the derivation of general modelling guidelines for fractured wells and underbalanced drilling. A special simulation tool is developed, realised in a Fortran-MATLAB coupling. The numerical model is based on the control-volume method with finite differences. It accounts for inertial non-Darcy effects, non-Newtonian fluid rheology and stress dependency of permeability via a simplified approach. The discretisation framework is fully unstructured, using the connection list approach and the common two-point flow stencil. Wells and boundary conditions can be handled very flexible in the code. Contrary to conventional treatment in simulators, wells are discretely included in the simulator. Inertial non-Darcy flow and stress dependency of reservoir permeability are shown to affect the accuracy of simulation models, despite low gas rates. Considering a realistic scenario, with non-Darcy flow and permeability (stress) dependent non-Darcy flow coefficients, stress dependency of reservoir permeability and fracture closure, a total reduction of 40 % is possible in a 10 year production period under realistic conditions. New type-curves are presented for non-Darcy flow in fracture and reservoir, allowing for the determination of non-Darcy flow related parameters. The stress sensitivity of tight-gas rocks is crucial when simulating such reservoirs. The stress dependency of the reservoir permeability impacts the productivity to a much higher degree than the fracture closure. A two-phase model is presented for the simulation of cleanup processes in terms of load water recovery. The fracturing fluid is treated as the water phase. The load water, causing hydraulic damage, hardly curtails productivity. To get considerable reductions in productivity, permeability in the fracture vicinity needs to be severely impaired. Due to the flow pattern, fractured wells are generally less sensitive against near wellbore damage than radial wells. An enhanced three-phase cleanup model is presented for the investigations of the polymer gel cleanup, incorporating a yield power law rheology (the Herschel-Bulkley model). The combined occurrence of loadwater recovery including capillary forces and the gel cleanup, are investigated for the first time. First results indicate that both processes are only weakly coupled. A new simulation methodology is presented to investigate underbalanced drilling, taking into account multi-phase reservoir flow with capillary forces. A sensitivity analysis points out that the degree of water encroachment is the key factor for a successful UBD operation. Countercurrent imbibition, causing water encroachment is also analysed. Hydraulic damage turns out to be far more pronounced in tight-gas formations.

Um die Betriebssicherheit von Förder- und Speicherbohrungen auch nach langjährigem Einsatz zu gewährleisten, ist eine sorgfältige Untersuchung und Einschätzung von Schadensstellen angezeigt. Insbesondere sind dabei die Beanspruchungen der ausgewählten Rohrabschnitte für den weiteren Betrieb zu untersuchen und die Sicherheitsreserven sind nachzuweisen. Für eine spezielle Bewertung von detektierten Korrosionsstellen in der Untertagekomplettierung besonders in Futterrohren, müssen numerische Berechnungen angewandt werden. Es wurde eine Berechnungsprozedur auf Basis der Finite Element Methode entwickelt. Damit wurden umfangreiche Rechnungen für Ölfeldrohre mit Korrosionsmulden durchgeführt. Die erfolgreiche Anwendung des FEM-PS für die Festigkeits- und Stabilitätsberechnungen von ungeschwächten Ölfeldrohren und die Ergebnisse der Nachrechnung der verschwächten Rohre erlaubten die Schlussfolgerung, dass auch Rohre mit Korrosionsmulden richtig modelliert, nachgerechnet und bewertet werden können.

In terms of a considerable increase the quality of characterization of tight-gas reservoirs, the aim of the present thesis was (i) an accurate representation of specific conditions in a reservoir simulation model, induced after the hydraulic fracturing or as a result of the underbalanced drilling procedure and (ii) performing the history match on a basis of real field data to calibrate the generated model by identifying the main model parameters and to investigate the different physical mechanisms, e.g. multiphase flow phenomena, affecting the well production performance. Due to the complexity of hydrocarbon reservoirs and the simplified nature of the numerical model, the study of the inverse problems in the stochastic framework provides capabilities using diagnostic statistics to quantify a quality of calibration and reliability of parameter estimates. As shown in the present thesis the statistical criteria for model selection may help the modelers to determine an appropriate level of parameterization and one would like to have as good an approximation of structure of the system as the information permits.

Um die Betriebssicherheit von Förder- und Speicherbohrungen auch nach langjährigem Einsatz zu gewährleisten, ist eine sorgfältige Untersuchung und Einschätzung von Schadensstellen angezeigt. Insbesondere sind dabei die Beanspruchungen der ausgewählten Rohrabschnitte für den weiteren Betrieb zu untersuchen und die Sicherheitsreserven sind nachzuweisen. Für eine spezielle Bewertung von detektierten Korrosionsstellen in der Untertagekomplettierung besonders in Futterrohren, müssen numerische Berechnungen angewandt werden. Es wurde eine Berechnungsprozedur auf Basis der Finite Element Methode entwickelt. Damit wurden umfangreiche Rechnungen für Ölfeldrohre mit Korrosionsmulden durchgeführt. Die erfolgreiche Anwendung des FEM-PS für die Festigkeits- und Stabilitätsberechnungen von ungeschwächten Ölfeldrohren und die Ergebnisse der Nachrechnung der verschwächten Rohre erlaubten die Schlussfolgerung, dass auch Rohre mit Korrosionsmulden richtig modelliert, nachgerechnet und bewertet werden können.

Sandproduktion ist eine große Herausforderung in vielen Tiefbohrungen. Um sie zu verhindern wurden verschiedene Methoden und Bauteilen entwickelt, die unter dem Begriff Sandkontrollmaßnahmen zusammengefasst werden. Zu diesen zählt der Einbau von Sandfiltern als Standalone Screens oder Teil eines Gravel Packs. Aufgrund der vielen Einflussfaktoren aus Geologie und Betriebsweise sind die Funktionsweise und das Versagen von Sandfiltern nach wie vor Gegenstand aktueller Forschung. Eine Möglichkeit zur Untersuchung von Sandfiltern ist die Durchführung von laborativen Experimenten. In dieser Arbeit wird die Entwicklung von zwei Versuchsanlagen vorgestellt. Die Anlagen werden genutzt, um einen neuentwickelten Wickeldrahtfilter zu untersuchen. Der Filter unterscheidet sich von bisherigen Designs durch eine Beschichtung auf der Außenseite, die, durch die Verwendung von Materialien mit großer Härte, für eine größere Erosionsbeständigkeit sorgen soll. Eine umfassende Literaturrecherche zu den Versagensmechanismen und dem Stand der Technik von laborativen Untersuchungen an Sandfiltern bilden die Grundlage für diese Arbeit. Darauf aufbauend werden theoretische Vorüberlegungen zum Erosions- und Sandkontrollverhalten von Sandfiltern dargestellt. Die Versuchsanlagen ermöglichen zum einen die Durchführung von Sand Retention Tests und zum anderen die gezielte Erosion von Filterproben mittels einer kontinuierlichen Durchströmung mit einer Suspension. Die Ergebnisse werden genutzt, um grundlegende Aussagen zum Erosions- und Sandkontrollverhalten abzuleiten. Zusätzlich wird der neu entwickelte, beschichtete Filter mit konventionellen Filtern verglichen. Aus den Ergebnissen werden Limitationen der laborativen Untersuchungen zum Sandkontrollverhalten und Auswertungsempfehlungen formuliert. Ein Unterschied im Sandkontrollverhalten zwischen beschichteten und unbeschichteten Filtern kann nicht festgestellt werden. Es wird gezeigt, dass interne Turbulenz in den Öffnungen eines Sandfilters ein wichtiger Einflussfaktor auf die Erosion mit feinen Partikeln ist. Sandfilter können an unterschiedlichen Stellen erodieren, die sich nicht alle direkt auf die Funktionalität auswirken. Der Vergleich der Ergebnisse deutet darauf hin, dass beschichtete Filter eine längere Standzeit unter erosiven Bedingungen haben, da sie an der Außenseite weniger erodieren als unbeschichtete Wickeldrahtfilter. Aufgrund der besonderen Eigenschaften der Beschichtung kommt es jedoch zu größerer interner Erosion. Die Diskussion der durchgeführten Versuche liefert zusammen mit den umfangreichen theoretischen Vorüberlegungen einen Beitrag zum Verständnis über das Versagen von Sandfiltern, insbesondere das Zusammenspiel von Erosion und Sandkontrolle. Die Untersuchungen an Proben des neuartigen, beschichteten Filters bilden den Grundstein für derzeit laufende Feldeinsätze von Prototypen.