Shaped Charge Performance Evaluation Section IV

What is better Axial or Radial Flow?

Authors: Joern Loehken, Liam McNelis, Bernd Fricke & Denis Will, DynaEnergetics. 

APPS‐14‐18

Rationale

Examples for Section IV Axial Flow tests

Numerical Modelling of Axial and Radial Flow

Influence of Perforation damage on CFE for both flow methods

Lab Tests

Summary & Future Work 

Agenda

Shaped Charge Performance Evaluation Section IV, What is better Axial or Radial Flow?

Section IV test should provide a measure of flow performance of a perforation at downhole conditions

Different methods to flow the core are possible

What are the differences between both flow types? (SPE 143993)

Implementation of a new method into our test setup.

What is more representative for downhole flow into a perforated wellbore?

Rationale

Shaped Charge Performance Evaluation Section IV, What is better Axial or Radial Flow?

Axial Inflow

Radial In

flow

Radial Inflow

Out Flow

Axial flow: pressure differential between top and bottom face of the rock

Productivity ratio  given by    

PR

with∆

Section IV Test – Axial Flow

Shaped Charge Performance Evaluation Section IV, What is better Axial or Radial Flow?

100 bar 100 bar

0 bar 0 bar

Charge A:  PR=1.1, Tunnel vol.=36ccm, TTP=367mm; EHD=7,9mm

Charge B:  PR=1.1, Tunnel vol.=40ccm, TTP=299mm; EHD=9,2mm

Section IV, axial flow  data for two 25g charge types 

Shaped Charge Performance Evaluation Section IV, What is better Axial or Radial Flow?

Charge A

Charge B

Each charge was shot 2 timeson 4 different rock types

Same phenomena could be seen throughout all test shots: 

Charge A has a bigger TTP

But both charges have similar productivity values

Charge B achieves same PR with less penetration

Is axial flow the right method?

Comparison for 2 charge types on different rocks

Shaped Charge Performance Evaluation Section IV, What is better Axial or Radial Flow?

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

150 200 250 300 350 400 450 500

Prod

uctio

nRa

tio [‐]

Total Target Penetration [mm]

Charge A

Charge B

Best Fit Charge A

Best Fit Charge B

CFD simulation of axial and radial flow fora clean cylindrical tunnel

Penetration and rock length have a stronger effect on axial flow

Tunnel diameter is more important for radial flow

Radial flow „uses“ more tunnel surface 

Is it more sensitive to perforation damage?

Simulation of Radial vs. Axial Flow for clean tunnels

Shaped Charge Performance Evaluation Section IV, What is better Axial or Radial Flow?

100 bar

0 bar0 bar

100 bar100 bar

Radial flow Axial flow

Tunn

el leng

th: 2

50 m

m

Tunnel diameter: 11mm

Influence of perforation damage

Shaped Charge Performance Evaluation Section IV, What is better Axial or Radial Flow?

Tunn

el leng

th: 2

50 m

m

Tunnel diameter: 11mm

Damage zonethickness: 12,7mm

100 bar

0 bar

100 bar

0 bar

100 bar

0 bar

Permeability reduced by 90%  Without damage

100 bar

Radial flow Axial flow Axial flow

Radial flow is more sensitive to moderate damage (100%‐10% of rock perm.)

Axial flow becomes more sensitive to perforation damage with increasing damage

CFE values for axial  and radial flow can differ as much as 350% for the same perforation damage

Ratio of axial to radial flow proportional todamage

Influence of perforation damage on CFE

Shaped Charge Performance Evaluation Section IV, What is better Axial or Radial Flow?

534 503 444379

298

182

111

62954345

2262

1258

667

276140

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

10

100

1000

10000

1.00%10.00%100.00%

CFE [‐]

Flow

 (ml/min)

Crushed Zone Permeabilty/Rock Permeability [%]

Axial FlowRadial FlowCFE AxialCFE Radial

Stainless steel bars with a diameter of5 mm were used for radial flow

Core was sealed near the casing plate

Test setup was cross‐checked with CFD simulations

Drilled channel was used as a baseline

Knowlegde of permeabilty profile overthe length of the core essential for a good data match

Section IV tests and simulation with radial flow

Shaped Charge Performance Evaluation Section IV, What is better Axial or Radial Flow?

80mD

40mD

60mD

Section IV, radial flow  data for two 25g charge types 

Shaped Charge Performance Evaluation Section IV, What is better Axial or Radial Flow?

Charge A

Charge BCharge  PR,

axialTTP [mm]

Clear tunnel[mm]

CFEaxial CFEradial CFEaxial CFEradial 

Flowradial Flowaxial 

A 0,92 320 281 0,67 0,21 3,2 3,9

B 1,1 327 278 0,9 0,35 2,6 5,2

Difference 20% 2% 1% 34% 67% 23% 33%

Similar TTP and clear tunnel depth, but different CFE and axial PR values

CFE strongly dependent on measured geometry, permeability andcleanliness of the tunnel

Flow Ratio independent of geometry measurement

Same perforation tunnel damage results in different CFE values for axial and radial flow.

Radial flow is more sensitive to perforation tunnel damage.

For very large perforation tunnel damage, axial and radial flow have similar sensitivities and flow rates.

Ratio of axial to radial flow might be an appropriate measure for perforation tunnel damage

Future Work

Deduction of values for perforation damage from the axial flow data.

Research on alternative methods to determine perforation damage.

CFD Simulation on a wellbore scale including drilling damage.

Summary, Conclusions & Future work

Shaped Charge Performance Evaluation Section IV, What is better Axial or Radial Flow?

QUESTIONS? THANK YOU!

APPS‐14‐18

References

Harvey et al., Determining Perforation Parameters from Single‐Shot Tests: Radial vs. Axial Flow, SPE 143993, 2011

Behrmann et al., Measurement of Additional Skin Resulting From Perforation Damage, SPE 22809, 1991

API RP 19B, 2nd Edition, Recommended Practice for Evaluation of Well Perforators, December 2014

Authors: Joern Loehken, Liam McNelis, Bernd Fricke & Denis Will, DynaEnergetics.