A Method for Assessing the Impact of Secondary and Tertiary Reactions on Sandstone Acidizing Treatments

Méthode pour estimer l'impact des réactions secondaires et tertiaires lors des traitements d'acidification de gisements gréseux

Schlumberger

Corresponding author: blecerf@slb.com

Abstract

Acid stimulation of sandstone reservoirs can lead to substantial production improvements of hydrocarbons and can considerably enhance the economic value of a well. However, this technique is still considered risky because of secondary and tertiary reactions between the spent acid and the rock. Precipitates resulting from these reactions can deposit in the pores of the rock and eventually negate the positive impact of the primary reaction. Being able to assess the extent of the secondary and tertiary reactions under reservoir conditions is therefore critical for the acid treatment success. Traditional methods to evaluate overall treatment impact consist of injecting acid through a short core and measuring the change in permeability. However, these methods only capture accurately the impact of the primary dissolution reaction. The much slower secondary and tertiary reactions occur over time scales greater than the acid residence time in the core, and therefore cannot be fully taken into account by these experiments. This paper presents a new and economical technique to assess the extent of those reactions under reservoir conditions. It relies on one or two experiments performed on short cores of 2.5 to 15 cm to determine surface areas of reservoir minerals. This information is then incorporated in a geochemical simulator. The simulator includes an extensive database of reaction kinetics and thermodynamics properties of various acids and by-products with the minerals commonly encountered in sandstone reservoirs. Radial flow, reservoir heterogeneities, and damage mineralogy are rigorously accounted for and allow one to scale up to reservoir conditions. The type, amount, and location of precipitates can then be determined. This information is used to optimize the stimulation treatment. This methodology was successfully applied to three treatments. - The first case study considers a well in the Gulf of Thailand. The high temperature of the formation, which favors precipitation of silica, and the high carbonate content were challenges for the design of the treatment. - The second case study considers a well in the Norwegian Sea. A high degree of reservoir heterogeneity had to be accounted for in order to scale up the treatment to reservoir conditions. Without prior acidizing experience in this formation, a reliable means of designing the treatment was required. - The third case study considers a well in the North Sea. The new technique was applied to determine the damage due to secondary and tertiary reactions from an acidizing treatment on a well in the Galley field, after operational issues caused the acid to stay in the formation over a long period of time. For the first two cases, various fluid formulations were tested and sensitivity analyses were performed to improve damage removal and minimize the formation of precipitates. The results provided accurate guidelines for the design of the treatments.

Résumé

La stimulation par acidification des gisements gréseux peut accroître considérablement le débit de production d'hydrocarbures, et de ce fait, améliorer la rentabilité économique de l'exploitation. Cette technique de stimulation demeure cependant risquée en raison des réactions secondaires entre la roche et les produits formés lors de la principale réaction de dissolution. Les précipités ainsi formés peuvent in fine annuler les effets bénéfiques de la réaction principale de dissolution. Prévoir l'importance de ces réactions lors du traitement est donc primordial pour le succès de la stimulation. Traditionnellement, l'impact du traitement est évalué en injectant de l'acide dans une carotte et en mesurant le changement subséquent de perméabilité. Toutefois, cette expérience capture essentiellement les effets de la réaction principale. En effet, les réactions secondaires ont lieu sur une durée supérieure au temps de résidence de l'acide dans la carotte, et ne peuvent donc pas être prises en compte rigoureusement par ces expériences. Nous présentons dans cet article une nouvelle méthode pour évaluer, de façon pratique et avec un coût limité, l'impact des réactions de précipitation sur l'efficacité d'un traitement. Cette méthode nécessite une à deux expériences en laboratoire, sur des carottes de petite dimension (10 à 15 cm de long), pour mesurer la surface spécifique des minéraux présents dans la roche. Ces résultats sont ensuite exploités grâce à un simulateur géochimique. Ce dernier dispose d'une base de données qui rassemble les propriétés cinétiques et thermodynamiques caractérisant les réactions des acides avec les minéraux qui constituent les réservoirs gréseux. Le simulateur permet d'extrapoler rigoureusement à l'échelle du réservoir les résultats obtenus à l'échelle de la carotte, en prenant en compte l'écoulement radial de l'acide, la minéralogie détaillée de la roche et la nature des matériaux qui restreignent l'écoulement aux abords du puits. La nature des précipités, leur quantité et leur localisation dans le réservoir sont alors déterminées. Ces informations sont utilisées pour optimiser la conception des traitements d'acidification. Cette méthodologie a été appliquée avec succès lors de trois traitements. - Un puits localisé dans le golfe de Thaïlande. La température élevée du réservoir, qui favorise la précipitation de silice colloïdale, et la haute teneur en calcaire constituaient les principales difficultés pour la conception du traitement. - Un puits localisé en mer du Nord, où l'importance de l'hétérogénéité du réservoir était à prendre en compte pour le passage de l'échelle de la carotte à celle du réservoir. L'absence de traitements antérieurs dans ce gisement rendait nécessaire l'utilisation d'une technique fiable pour la mise au point de ce traitement. - Un autre puits localisé en mer du Nord, dans le gisement de Galley. Dans ce cas, à la suite d'incidents survenus pendant l'injection du traitement, l'acide est resté en contact avec la formation pendant plusieurs heures. La méthodologie présentée ici a permis d'évaluer l'impact des réactions parasites sur la productivité. Dans les deux premiers cas, plusieurs compositions d'acide furent évaluées, ainsi que des études de sensibilité réalisées, pour obtenir une meilleure dissolution des éléments limitant la production tout en minimisant la formation de précipités. Les résultats de ces études ont fourni l'information nécessaire à la mise au point des traitements.