Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Wykorzystanie pyłu gumowego w zaczynach do prac geotermalnych

Kremieniewski Marcin

Nafta-Gaz

|

2025

|

R. 81, nr 6

375--380

PL

W artykule zaprezentowano wyniki kompleksowych badań nad zastosowaniem pyłu gumowego, będącego produktem recyklingu opon, jako innowacyjnego dodatku do zaczynów cementowych wykorzystywanych w geotermii. Pył gumowy dzięki swoim unikalnym właściwościom fizykochemicznym stanowi obiecujący materiał modyfikujący, który może znacząco wpływać na jego parametry termiczne i mechaniczne, jednocześnie przyczyniając się do zrównoważonego gospodarowania odpadami przemysłowymi. Celem badań było określenie wpływu różnych stężeń pyłu gumowego (0%, 5%, 10%, 15%) na przewodność cieplną, wytrzymałość na ściskanie oraz elastyczność płaszcza cementowego. Wyniki przeprowadzonych eksperymentów wykazały, że dodatek pyłu gumowego skutecznie obniża przewodność cieplną zaczynu cementowego, co przekłada się na poprawę izolacji termicznej w górnych partiach odwiertów geotermalnych. Największa redukcja przewodności cieplnej, wynosząca 33%, została odnotowana dla maksymalnego badanego stężenia pyłu gumowego (15%). Zmniejszenie przewodności cieplnej wskazuje na potencjalne zastosowanie pyłu gumowego jako skutecznego izolatora termicznego, co może mieć istotne znaczenie dla poprawy efektywności energetycznej odwiertów geotermalnych. Jednocześnie zaobserwowano umiarkowany spadek wytrzymałości na ściskanie, który nie przekraczał 16%, co nadal mieści się w zakresie dopuszczalnym dla zastosowań inżynierskich. Istotnym aspektem wyników badań jest także zwiększona elastyczność płaszcza cementowego, wynikająca z obecności pyłu gumowego w jego strukturze. Właściwość ta może znacząco poprawić odporność cementu na ekstremalne zmiany temperatury i ciśnienia, które są charakterystyczne dla środowiska geotermalnego. Elastyczniejszy cement może skuteczniej kompensować naprężenia termiczne, co zmniejsza ryzyko powstawania mikropęknięć i degradacji strukturalnej w długim okresie eksploatacji. Dodatkowym atutem zastosowania pyłu gumowego w zaczynach cementowych jest jego pozytywny wpływ na środowisko, gdyż wykorzystanie odpadu gumowego pozwala na ograniczenie ilości składowanych odpadów, zmniejszenie zapotrzebowania na surowce pierwotne oraz redukcję emisji związanych z procesem produkcji cementu. Praca obejmuje szczegółowe analizy laboratoryjne, w których określono kluczowe parametry termiczne i mechaniczne modyfikowanych zaczynów cementowych. Wyniki badań porównano z danymi literaturowymi, co pozwoliło na lepsze zrozumienie potencjalnych mechanizmów oddziaływania pyłu gumowego na strukturę cementu oraz wskazanie kierunków dalszych badań. Omówiono również praktyczne rekomendacje dotyczące zastosowania tego rozwiązania w geotermii oraz potencjalne możliwości optymalizacji składu cementów geotermalnych, m.in. poprzez połączenie pyłu gumowego z innymi dodatkami mineralnymi. Wskazano także możliwości dostosowania receptur cementowych do pracy w ekstremalnych warunkach geotermalnych, co mogłoby jeszcze bardziej zwiększyć trwałość i efektywność stosowanych materiałów.

EN

This article presents the results of comprehensive research on the application of rubber dust, a recycled tire product, as an innovative additive to cement slurries for geothermal applications. Due to its unique physicochemical properties, rubber dust is a promising modifying material that can significantly influence the thermal and mechanical properties of cement, while contributing to sustainable waste management. The aim of the study was to determine the effect of different rubber dust concentrations (0%, 5%, 10%, 15%) on thermal conductivity, compressive strength, and the flexibility of the cement sheath. The results of the experiments showed that the addition of rubber dust effectively reduces the thermal conductivity of cement slurry, leading to improved thermal insulation in the upper sections of geothermal wells. The highest reduction in thermal conductivity, reaching 33%, was observed at the maximum applied rubber dust concentration (15%). This decrease in thermal conductivity indicates the potential use of rubber dust as an efficient thermal insulator, which can play a crucial role in enhancing the energy efficiency of geothermal wells. At the same time, a moderate decrease in compressive strength was observed, not exceeding 16%, which remains within the acceptable range for engineering applications. Another important finding is the increased flexibility of the cement sheath due to the presence of rubber dust in its structure. This property can significantly improve the material’s resistance to extreme temperature and pressure variations, which are characteristic of the geothermal environment. A more flexible cement sheath can better compensate for thermal stresses, reducing the risk of microcracks and structural degradation during long-term operation. An additional advantage of using rubber dust in cement slurries is its positive environmental impact – utilizing waste rubber helps reduce landfill waste, decreases the demand for primary raw materials, and lowers emissions associated with cement production. The study includes detailed laboratory analyses in which key thermal and mechanical parameters of modified cement slurries were determined. The research findings were compared with existing literature data, providing a better understanding of the potential mechanisms through which rubber dust interacts with the cement structure and indicating directions for further studies. Practical recommendations for implementing this solution in geothermal applications are also discussed, along with perspectives on optimizing the composition of geothermal cement. This includes potential synergies between rubber dust and other mineral additives, as well as adapting cement formulations for extreme geothermal conditions, which could further enhance the durability and efficiency of the applied materials.

2

Wpływ wybranych dodatków lekkich na zmianę parametrów technologicznych zaczynu

Kremieniewski Marcin

Nafta-Gaz

|

2022

|

R. 78, nr 6

426--434

PL

W celu obniżenia gęstości zaczynów przeznaczonych do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w warunkach obniżonego ciśnienia złożowego czy w strefach skał słabo zwięzłych stosuje się lekkie dodatki, takie jak mikrosfera bądź perlit. Użycie tego rodzaju materiałów pozwala na zredukowanie wartości ciśnienia hydrostatycznego i tym samym zapobiega ucieczce cementu w strefy słabo zwięzłe. Dodatkowo zaczyny o obniżonej gęstości mogą być stosowane w przypadku konieczności tłoczenia cementu w przestrzeni pozarurowej na dużą wysokość. Jednak wykorzystanie dodatków redukujących gęstość zaczynu nie pozostaje bez znaczenia dla parametrów technologicznych zarówno świeżego, jak i stwardniałego zaczynu. W przypadku płynnego zaczynu obecność lekkich frakcji powoduje zmianę parametrów reologicznych zaczynu, wzrost wartości filtracji bądź też odstoju wody. Natomiast analizując parametry stwardniałego zaczynu cementowego, należy się spodziewać obniżenia wartości wytrzymałości na ściskanie, wytrzymałości na zginanie, przyczepności do rur stalowych itp. Z uwagi na konieczność stosowania w recepturach zaczynów lekkich dodatków redukujących gęstość w niniejszej publikacji omówiono to zagadnienie na podstawie przeprowadzonych prac badawczych. W artykule przedstawiono wyniki badań zaczynów zawierających 4 różne dodatki (mikrosferę glinokrzemianową dotychczas stosowaną, mikrosferę glinokrzemianową nowej generacji CSF K, mikrosferę szklaną oraz perlit filtracyjny E100F). Dodatki lekkie stosowano w ilości 15% w stosunku do masy cementu. Przeprowadzono badania dla zaczynu kontrolnego (bez dodatków lekkich). Zaczyn ten zawierał w swoim składzie środki niezbędne do kontrolowania parametrów decydujących o efektywności uszczelniania otworu wiertniczego. Następnie receptura kontrolna była modyfikowana dodatkiem lekkich frakcji. Przeprowadzono badania laboratoryjne parametrów technologicznych zarówno świeżych, jak i stwardniałych zaczynów cementowych. Na podstawie uzyskanych wyników określono wpływ badanych lekkich dodatków na parametry świeżych i stwardniałych zaczynów cementowych.

EN

Light additives such as microsphere or perlite are used to reduce the density of slurries intended for sealing casing columns in conditions of reduced deposit pressure or in the zones of weakly concise rocks. The use of this type of materials allows to reduce the value of hydrostatic pressure and thus prevents the cement slurry from escaping into weakly consolidated zones. In addition, lightweight cement slurries can be used for pressing the cement slurry to a great height. However, the use of additives reducing the density of the cement slurry changes the technological parameters of both fresh and hardened cement slurry. In the case of a liquid cement slurry, the presence of light fractions changes the rheological parameters of the slurry, increases the filtration value or free water. On the other hand, when analyzing the parameters of the hardened cement slurry, a decrease in the compressive strength, bending strength, adhesion to steel pipes and others should be expected. Due to the necessity to use light additives reducing the density in the cement slurry formulas, this publication discusses this issue on the basis of the conducted research. The article presents the results of tests of slurries containing 4 different additives (the previously used aluminosilicate microsphere, the new generation CSF K aluminosilicate microsphere, glass microsphere and E100F filter perlite). Light additives were used in the amount of 15% in relation to the weight of the cement. Tests were carried out for the control cement slurry (without light additives). This slurry contained in its composition the additives necessary to control the parameters determining the effectiveness of sealing the borehole. Then the control recipe was modified with the addition of light fractions. Laboratory tests of technological parameters of both fresh and hardened cement slurries were carried out. On the basis of the obtained results, the influence of the tested light additives on the parameters of fresh and hardened cement slurries was determined.

3

Doskonalenie zaczynów cementowych przeznaczonych do uszczelniania głębokich otworów wiertniczych w celu poprawy ich parametrów mechanicznych

Kut Łukasz, Kremieniewski Marcin

Nafta-Gaz

|

2022

|

R. 78, nr 2

110--119

PL

Głęboki otwór wiertniczy podczas uszczelniania kolumny rur okładzinowych wymaga użycia specjalnie opracowanego zaczynu cementowego przystosowanego do specyficznych warunków panujących na dnie, tj. temperatury często przekraczającej 100°C oraz ciśnienia złożowego powyżej 60 MPa. Tak trudne warunki otworowe niejednokrotnie przysparzały wielu problemów w czasie opracowywania odpowiednich składów zaczynów cementowych wykorzystywanych podczas uszczelniania kolumn rur okładzinowych. Firmy wiertnicze wykonują coraz głębsze i bardziej skomplikowane otwory, przekraczające coraz częściej 3500 m, które podczas zabiegów cementowania wymagają zastosowania specjalnie opracowanych receptur zaczynów uszczelniających. Jednym z podstawowych problemów podczas zabiegów cementacyjnych w otworach o znacznej głębokości jest zapewnienie długiego czasu przetłaczania zaczynu cementowego, który ponadto powinien charakteryzować się dobrymi właściwościami reologicznymi, niewielkim lub zerowym odstojem wody oraz jak najniższą filtracją. Należy zatem dobierać odpowiednie domieszki opóźniające, odporne na działanie wysokich temperatur, oraz dodatki zapewniające właściwe parametry technologiczne świeżego i stwardniałego zaczynu cementowego. Wraz ze wzrostem głębokości otworu wiertniczego rosną również parametry ciśnienia i temperatury. W głębokich otworach wierconych poniżej 3500 metrów problem stanowią nie tylko wysoka temperatura i ciśnienie, ale również wody złożowe o różnej mineralizacji, które w dużym stopniu oddziałują na stwardniały zaczyn cementowy. Zaczyny cementowe przeznaczone do dużych głębokości powinny zawierać w swoim składzie dodatki lub/i domieszki: podnoszące odporność termiczną, opóźniające wiązanie, obniżające filtrację oraz poprawiające odporność na korozję chemiczną wywołaną działaniem solanek złożowych. Celem badań laboratoryjnych było doskonalenie obecnych oraz opracowanie innowacyjnych receptur zaczynów cementowych do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w otworach o temperaturze dennej 130°C – zarówno naftowych, jak i geotermalnych – w rejonie Karpat. Podczas realizacji tematu wykonywano badania laboratoryjne świeżych oraz stwardniałych zaczynów cementowych. Zaczyny cementowe zarabiano wodą wodociągową z dodatkiem chlorku potasu w ilości 3%, 6% i 10% bwow (w stosunku do ilości wody). Do wody zarobowej dodawano kolejno środki odpieniające, regulujące czas wiązania i gęstnienia, upłynniające i obniżające filtrację. Zaczyny cementowe sporządzono z dodatkiem lateksu w ilości 1–1,2% bwoc (w stosunku do masy suchego cementu). Dla poprawy parametrów mechanicznych zastosowano również dodatek nanorurek węglowych oraz grafenu. Pozostałe składniki – mikrosilikę, hematyt i cement – mieszano ze sobą i wprowadzano następnie do wody zarobowej. Wszystkie zaczyny cementowe sporządzano na bazie cementu wiertniczego G (PN-EN ISO 10426-2). Po połączeniu wszystkich składników zaczyn cementowy mieszano przez 30 minut, a następnie wykonywano pomiary laboratoryjne, takie jak: gęstość, rozlewność, odczyty z aparatu Fann, odstój wody, filtracja, czas gęstnienia. Z opracowanych zaczynów cementowych wybrano te o najlepszych parametrach reologicznych, następnie sporządzono z nich próbki kamieni cementowych. Zaczyny cementowe wiązały przez 48 h w środowisku wysokiej temperatury i ciśnienia (warunki otworopodobne). Otrzymane kamienie cementowe poddano badaniom: wytrzymałości na ściskanie, wytrzymałości na zginanie, przyczepności do rur stalowych, porowatości.

EN

When sealing a casing string, a deep borehole requires the use of a specially developed cement slurry adapted to the specific conditions at its bottom, i.e. temperature often exceeding 100°C and reservoir pressure above 60 MPa. Such difficult downhole conditions often caused many problems in the development of appropriate cement slurry compositions used for sealing casing strings. Drilling companies make deeper and more complicated boreholes, more and more often exceeding 3500 m, which during cementing procedures require the use of specially developed formulas of sealing slurries. During cementation procedures at boreholes of considerable depth, a serious problem is to ensure a long conveying time of the cement slurry, which, moreover, should be characterized by good rheological properties, little or no free water and the lowest possible filtration. Therefore, appropriate retardants that are resistant to high temperatures and additives ensuring the appropriate technological parameters of the cement slurry and stone should be selected. As the depth of the borehole increases, the pressure parameters and temperature also increase. Significant depths exceeding 3500 m are associated not only with high temperatures and pressures, but also with the presence of reservoir waters of various mineralization, which greatly affect the hardened cement slurry. Cement slurries intended for great depths should contain additives increasing thermal resistance, delaying setting, lowering filtration and improving resistance to chemical corrosion caused by the action of reservoir brines. The aim of the laboratory research was to improve current and to develop innovative formulas of cement slurries for sealing oil and geothermal boreholes with a bottomhole temperature of 130°C in the Carpathian region. Laboratory tests were carried out on both cement slurries and cement stones obtained from them. The cement slurries were made using tap water with the addition of potassium chloride in the amount of 3, 6 and 10% bwow (in relation to the amount of water). The defoaming agent was successively added to the mixing water, regulating the setting and thickening time, liquefying and reducing filtration. Cement slurries were made with the addition of 1–1.2% latex bwoc (in relation to the weight of dry cement). To improve the mechanical parameters, the addition of carbon nanotubes and graphene was also used. The other ingredients: microsilica, hematite and cement were mixed together and then added to the mixing water. All cement slurries were prepared on the basis of drilling cement G. After all components had been combined, the cement slurry was mixed for 30 minutes, followed by laboratory measurements such as: density, flow, readings from the Fann apparatus, water retention, filtration, thickening time. From among the developed cement slurries, those with the best rheological parameters were selected, then samples of cement stones were prepared from them and hardened for 48 hours in an environment of high temperature and pressure (borehole-like conditions). The obtained cement stones were tested for: compressive strength, bending strength, adhesion to steel pipes, porosity.

4

Drobnoziarniste materiały wypełniające w technologii zaczynów cementowych

Kremieniewski Marcin

Wiadomości Naftowe i Gazownicze

|

2021

|

R. 24, Nr 5 (270)

4--7

PL

W artykule omówiono wpływ drobnoziarnistego materiału wypełniającego na wybrane parametry technologiczne zaczynu cementowego. Dodatki drobnoziarniste stosuje się w celu doszczelnienia matrycy cementowej. Materiały te są niezbędne podczas projektowaniu zaczynów przeznaczonych do uszczelniania kolumn rur okładzinowych posadowionych na znacznych głębokościach. Jednak również w recepturach przeznaczonych do uszczelniania kolumn rur okładzinowych posadowionych w niewielkich głębokościach stosuje się wypełniacze drobnoziarniste w celu doszczelnienia mikrostruktury płaszcza cementowego. Dodatkową korzyścią ze stosowania tych materiałów jest możliwość skrócenia czasu wiązania. Jest to korzystne w zaczynach do uszczelniania otworów w rejonach ryzyka wystąpienia migracji gazu. Najczęściej do skrócenia czasu wiązania stosuje się chlorek wapnia, ale powoduje on znaczny wzrost parametrów reologicznych zaczynu. Zastosowanie wypełniacza drobnoziarnistego powoduje skrócenie czasu wiązania z pominięciem negatywnego wpływu na reologię zaczynu. Podczas prac, których celem było określanie wpływu drobnoziarnistych materiałów wypełniających na parametry zaczynu cementowego zastosowano wypełniacz w ilości od 1% do 10% (bwoc1), oraz dwa rodzaje najczęściej stosowanych w sektorze naftowym cementów. Następnie wykonano badania parametrów technologicznych zarówno świeżych jak i stwardniałych zaczynów cementowych, badania parametrów reologicznych oraz wykreślono krzywe płynięcia. Na podstawie uzyskanych wyników badań przedstawiono wpływ wypełniaczy drobnoziarnistych na wybrane parametry technologiczne zaczynu cementowego.

EN

The article discusses the influence of fine-grained filling material on selected technological parameters of the cement slurry. Fine-grained additives are used to seal the cement matrix. These materials are necessary when designing cement slurries intended for sealing columns of casing located at considerable depths. However, also in recipes intended for sealing columns of casing installed at shallow depths, fine-grained fillers are used to seal the microstructure of the cement sheath. An additional advantage of using these materials is the possibility of shortening the setting time. This is advantageous in cement slurries for sealing boreholes in areas at risk of gas migration. Calcium chloride is most often used to shorten the setting time, but it causes a significant increase in the rheological parameters of the cement slurry. The use of fine-grained filler shortens the setting time without the negative impact on the rheology of the cement slurry. During the works, the aim of which was to determine the influence of fine-grained filler materials on the parameters of the cement slurry, filler in the amount of 1% to 10% (bwoc1) was used, as well as two types of cements most commonly used in the oil industry. Then, technological parameters of both fresh and hardened cement slurries were tested, rheological parameters were tested, and flow curves were drawn. On the basis of the obtained test results, the influence of fine-grained fillers on selected technological parameters of the cement slurry was presented.

5

Zaczyny o obniżonej gęstości stosowane w warunkach występowania komplikacji w otworze wiertniczym

Kremieniewski Marcin

Nafta-Gaz

|

2021

|

R. 77, nr 11

736--743

PL

Podczas realizacji otworu wiertniczego mogą się pojawić różnego rodzaju problemy, których efektem są komplikacje wiertnicze. Jednym z takich problematycznych aspektów jest wiercenie w strefach anomalnie wysokiego i anomalnie niskiego ciśnienia złożowego. W przypadku występowania takich stref zachodzi ryzyko wtargnięcia medium złożowego w strukturę cieczy wiertniczej lub ucieczki cieczy wiertniczej w strefę warstw chłonnych. Zjawiska takie mogą zachodzić na skutek zaburzenia równowagi ciśnień w otworze. W celu wyeliminowania tych niebezpiecznych sytuacji stosuje się płuczki i zaczyny cementowe o odpowiednio dobranej gęstości i odpowiednich parametrach reologicznych. W celu uszczelnienia kolumn rur posadowionych w strefie anomalnie niskiego ciśnienia złożowego należy stosować receptury zaczynów o obniżonej gęstości. Zaczyny takie otrzymuje się poprzez wprowadzenie do ich objętości lekkich wypełniaczy. Jednak podczas projektowania takiej receptury zaczynu lekkiego często pojawiają się problemy z uzyskaniem odpowiedniej stabilności sedymentacyjnej. Frakcjonowanie lekkich cząsteczek w zaczynie powoduje występowanie anizotropii w strukturze zarówno płynnego, jak i związanego zaczynu. Przejawia się to znacznymi różnicami w uzyskanych wartościach parametrów (m.in. gęstości, przepuszczalności dla gazu, wytrzymałości na ściskanie, porowatości) w zależności od miejsca pobrania próbki. W celu wyeliminowania tego zjawiska badaniom na etapie projektowania danej receptury poddawane są zarówno dodatki i domieszki, jak też same zaczyny sporządzone przy użyciu tych środków. Zaprojektowanie zaczynu cementowego odpowiedniego do danych warunków geologiczno-technicznych pozwala zapobiec wystąpieniu lub wyeliminować wystąpienie w otworze wiertniczym komplikacji, mogących powstać na przykład na skutek rozwarstwienia zaczynu i uzyskania niejednorodnej gęstości na całej długości uszczelnianego interwału. W niniejszym artykule przedstawione zostały wyniki badań dla 5 receptur zaczynów lekkich. Receptura bazowa to zaczyn zawierający 15% mikrosfery glinokrzemianowej, którego matryca cementowa jest doszczelniona dodatkiem mikrocementu. Natomiast pozostałe receptury to zaczyny, które zawierają 40% mikrosfer glinokrzemianowych. W recepturach przeznaczonych do uszczelniania otworów w rejonie możliwości pojawienia się komplikacji wiertniczych zastosowano dodatkowo aktywator wiązania, który spowodował wzrost parametrów reologicznych. Pozwoliło to wyeliminować frakcjonowanie lekkiego dodatku wypełniającego. Działanie takie było niezbędne ze względu na konieczność zainicjowania i przyspieszenia procesu hydratacji w niskiej temperaturze (30°C), ale również wyeliminowania anizotropii mikrostruktury płaszcza cementowego, który mógł się wytworzyć z niejednorodnego zaczynu cementowego. W celu doszczelnienia matrycy płaszcza cementowego zastosowano dodatek lateksu, a ponadto zaprojektowane zostały zaczyny bez domieszki lateksu. Opracowane receptury zaczynów mogą być stosowane w warunkach temperatury od 30°C do ponad 50°C w rejonie wystąpienia ewentualnych komplikacji wiertniczych związanych z anomalnie niskimi ciśnieniami złożowymi.

EN

Problems of various kinds may arise during the execution of the borehole, resulting in drilling complications. One such problematic aspect is drilling in anomalously high and anomalously low reservoir pressure zones. In the presence of such zones, there is a risk of the formation medium intrusion into the structure of the drilling fluid or the drilling fluid escaping into the thief zone. Such a phenomenon may occur as a result of an imbalance of pressures in the borehole. In order to eliminate this phenomenon, cement scrubbers and slurries with appropriately selected density and rheological parameters are used. In order to seal columns of pipes located in the zone of anomalously low formation pressure, the formulas for reduced density slurries should be used. Such starters are obtained by introducing light fillers into their volume. However, when designing such a light cement slurry formula, problems often arise in obtaining adequate sedimentation stability. The fractionation of light molecules in the cement slurry causes anisotropy in the structure of both the liquid and the bound cement slurry. It is manifested by significant differences in the obtained parameter values (e.g. density, gas permeability, compressive strength, porosity) depending on the place of sample collection. In order to eliminate this phenomenon, both additives and admixtures, as well as the slurries prepared using these agents, are tested at the stage of designing a given formula. Designing a cement slurry suitable for the given geological and technical conditions allows to prevent or eliminate the occurrence of complications in the borehole, which may arise, for example, as a result of slicing of the slurry, and to obtain a non-uniform density along the entire length of the sealed interval. This article presents the research results for 5 light weight cement slurries. The base formula is a cement slurry containing 15% aluminosilicate microsphere, the cement matrix of which is sealed with the addition of microcement. The other formulas, on the other hand, are slurries that contain 40% of aluminosilicate microspheres. In the formulas intended for sealing boreholes in the area of possible drilling complications, a binding activator was additionally used, which caused an increase in rheological parameters. This allowed the elimination of fractionation of the light filler additive. Such action was necessary due to the need to initiate and accelerate the hydration process at a low temperature of 30°C, but also to eliminate the anisotropy of the microstructure of the cement sheath, which could be produced from the inhomogeneous cement slurry. In order to seal the matrix of the cement mantle, the addition of latex was used, but additionally slurries without the admixture of latex were designed. The developed slurry formulas can be used in temperature conditions from 30°C to over 50°C in the area of possible drilling complications related to anomalously low formation pressures.

6

Wpływ nanorurek węglowych (CNTs) na parametry mechaniczne kamieni cementowych w warunkach HPHT

Kędzierski Miłosz, Rzepka Marcin, Kremieniewski Marcin

Nafta-Gaz

|

2021

|

R. 77, nr 2

106--117

PL

Artykuł przedstawia wyniki badań wpływu nanorurek węglowych (CNTs) na parametry mechaniczne kamieni cementowych w warunkach HPHT. W badaniach zastosowano wielościenne nanorurki węglowe (MWCNTs) o średnicy zewnętrznej 10–20 nm i długości 10–30 µm. Do zaczynów dodawano 0,1% nanorurek węglowych. Receptury cementowe opracowane zostały w Laboratorium Zaczynów Uszczelniających Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego. Badania przeprowadzono w warunkach podwyższonego ciśnienia i temperatury w zakresie temperatur 60–130C i zakresie ciśnień 25–80 MPa. W przypadku temperatury 60C jako spoiwo wiążące zastosowano cement portlandzki CEM I 42,5R oraz cement wiertniczy G. Zaczyny dla temperatur od 80C do 130C sporządzono na osnowie cementu wiertniczego G. Przy opracowywaniu receptur kierowano się wymaganiami, jakie powinien spełniać zaczyn cementowy użyty do cementowania rur okładzinowych w warunkach występowania bardzo wysokich temperatur oraz ciśnień złożowych. Zaczyny po- siadały gęstość od około 1840 kg/m3 (zaczyny dla temperatury 60C) do około 2250 kg/m3 (zaczyny z dodatkiem hematytu). Badania wytrzymałości na ściskanie i przyczepności do rur prowadzono po 2, 7, 14 i 28 dniach. Opracowano receptury o bardzo dobrych parametrach technologicznych, które po utwardzaniu (po okresie 28 dni hydratacji) posiadały bardzo wysokie wartości wytrzymałości na ściskanie, osiągające nawet do 44 MPa. Uzyskano również wysokie wartości przyczepności kamienia cementowego do rur, dochodzące do około 8 MPa po 28 dniach hydratacji, oraz wytrzymałości na zginanie, wynoszące około 11 MPa. Przeprowadzone badania ujawniają pozytywny wpływ dodatku nanorurek węglowych na wytrzymałość kamieni cementowych z ich dodatkiem. Zmodyfikowane w ten sposób kamienie charakteryzują się wysokimi wartościami wytrzymałości na ściskanie oraz wysokimi przyczepnościami do rur stalowych. Konieczne są jednak dalsze badania w kierunku określenia wpływu nanorurek węglowych na mikrostrukturę stwardniałych zaczynów cementowych. Niezbędne jest również kontynuowanie badań nad określeniem optymalnych ilości tych środków oraz doborem najbardziej kompatybilnych dodatków do zaczynów cementowych działających w sposób optymalny w połączeniu z nanocząsteczkami.

EN

The article presents the results of testing the influence of carbon nanotubes on the mechanical parameters of cement stones under HPHT conditions. Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) with an external diameter of 10–20 nm and a length of 10–30 μm were used for testing. 0.1% of carbon nanotubes was added to the cement slurry. Laboratory tests of cement slurries were carried out at Oil and Gas Institute – National Research Institute. The tests were carried out under conditions of increased pressure and temperature in the temperature range of 60–130C and the pressure range of 25–80 MPa. CEM I 42.5R Portland cement and Class G drilling cement were used to make the slurries at temperature of 60o C. Cement slurries for temperatures from 80o C to 130o C were prepared on the basis of class G drilling cement. The recipes were developed on the basis of the requirements to be met by cement slurry for the cementing of casing under conditions of very high temperatures and reservoir pressures. The densities of tested slurries ranged from 1,840 kg/m3 (slurries at a temperature of 60C) to 2.250 kg/m3 (slurries with the addition of hematite).Compressive strength tests and adhesion measurements were carried out after 2, 7, 14 and 28 days. Cement slurry recipes with very good technological parameters were developed, which after curing (after 28 days of hydration) showed very high values of compressive strength, reaching up to 44 MPa. Cements were characterized by high values of adhesion to pipes reaching up 8 MPa after 28 days and flexural strength of about 11 MPa. The test results show that the addition of carbon nanotubes has a positive effect on the mechanical strength of cement stones with their addition. The stones modified in this way are characterized by high compressive strength and high adhesion to steel pipes. Further research is needed to determine the influence of carbon nanotubes on the microstructure of hardened cement slurries. It is also necessary to conduct further research on the determination of the optimal amounts of these agents and the selection of the most compatible additives for cement slurries that work optimally in combination with nanoparticles.

7

Porównanie wyników metod pomiaru skuteczności usuwania osadu płuczkowego

Kremieniewski Marcin

Nafta-Gaz

|

2021

|

R. 77, nr 1

34--46

PL

Odpowiednie oczyszczenie przestrzeni pierścieniowej przed zabiegiem cementowania jest jednym z ważniejszych czynników mających wpływ na prawidłowe uszczelnienie kolumny rur okładzinowych. Nieodpowiednie lub niecałkowite usunięcie płuczki lub pozostałości osadu płuczkowego może skutkować powstawaniem niekontrolowanych wypływów gazu (migracji bądź ekshalacji) na kontakcie płaszcza cementowego z formacją skalną oraz z powierzchnią zapuszczonych rur okładzinowych. Związane jest to z brakiem kompatybilności płuczki i tłoczonego po niej zaczynu cementowego, co objawia się tworzeniem na ścianach otworu żelujących kanalików, umożliwiających przepływ gazu. Dodatkowo brak odpowiedniego oczyszczenia przestrzeni pierścieniowej powodował będzie obniżenie wartości przyczepności płaszcza cementowego do powierzchni styku. Wynikiem powyższego może być brak odpowiedniej stabilizacji kolumny rur poprzez osłabione jej zespolenie w dolnej części ze ścianą otworu, a w górnej części z poprzednią kolumną rur o większej średnicy. W związku z tym w celu poprawy zarówno szczelności odwiertu, jak też jakości stanu zacementowania prowadzi się badania laboratoryjne efektywności oczyszczania przestrzeni pierścieniowej poprzez pomiar skuteczności usuwania osadu płuczkowego. Dotychczas pomiar skuteczności usuwania osadu lub działania cieczy przemywającej prowadzony był przy użyciu wiskozymetru obrotowego. Podczas badania osad płuczkowy wytwarzany jest na powierzchni rotora, a następnie usuwany za pomocą cieczy przemywającej. W ostatnim czasie w INiG – PIB opracowano nową metodę pomiaru skuteczności usuwania osadu płuczkowego przez zastosowanie nowo zaprojektowanego symulatora przepływu cieczy wiertniczych (patent P.423842). Urządzenie pozwala na symulację przepływu cieczy wiertniczej (płuczki, cieczy przemywającej, buforu) w symulowanej przestrzeni pierścieniowej. Możliwy jest dobór parametrów przepływu (wydatku tłoczenia) oraz czasu kontaktu cieczy z badaną powierzchnią. Ze względu na zróżnicowanie zasad pomiaru podczas badań przy użyciu wiskozymetru i symulatora – postanowiono przeprowadzić badania porównawcze w celu określenia stopnia zbieżności omawianych metod. Badania polegały na ocenie skuteczności usuwania tego samego rodzaju osadu przez te same ciecze przemywające, lecz przy użyciu różnych metod pomiaru. Uzyskane wartości skuteczności usuwania osadu poddano analizie korelacyjnej, na podstawie której możliwe było porównanie wyników analizowanych metod pomiaru.

EN

The proper cleaning of the annular space before cementing is one of the most important factors affecting the proper sealing of the casing column. Inadequate or incomplete removal of the mud cake or residues of the mud may result in the formation of uncontrolled gas outflows (migration or exhalation) at the contact of the cement sheath with the rock formation and with the surface of run-down casing. It is related to the lack of compatibility in the contact of the mud and the cement. Additionally, the lack of proper cleaning of the annular space will reduce the adhesion value of the cement sheath to the contact surface. The result of the above may be the lack of adequate stabilization of the column of pipes due to its weakened connection in the lower part with the wall, and in the upper part with the previous column of larger diameter pipes. Therefore, to improve both the tightness of the borehole as well as the quality of the cementation condition, laboratory tests of the efficiency of cleaning the annular space are carried out by measuring the efficiency of washing mud removal. So far, measuring the efficiency of mud removal or the effect of washing utilization have been done using a rotary viscometer. During the test, a mud cake is produced on the rotor surface and then removed with washing liquid. Recently, the Oil and Gas Institute – National Research Institute developed a new method for measuring the efficiency of drilling mud removal by using a newly developed drilling fluid flow simulator (Patent P.423842). The device enables the simulation of the drilling fluid flow (drilling fluid, washing fluid, spacer) in the simulated annular space. It is possible to select the parameters of the flow (delivery rate) and the contact time of the liquid with the tested surface. Due to the different measurement principles during the tests with the viscometer and the simulator, it was decided to conduct a comparison and determine the degree of convergence of the discussed methods. The same rinsing liquids were tested to remove the same type of mud, but using different measurement methods. The obtained values of mud removal efficiency were subjected to the correlation analysis, which made it possible to compare the results of the analyzed measurement methods.

8

Zmiana wczesnej wytrzymałości na ściskanie pod wpływem wybranych środków poprawiających stabilność sedymentacyjną

Kremieniewski Marcin

Nafta-Gaz

|

2020

|

R. 76, nr 7

466--473

PL

Zaczyny o obniżonej gęstości są najczęściej stosowanymi recepturami w przypadku uszczelniania kolumn rur okładzinowych w warunkach obniżonego ciśnienia złożowego czy w strefach słabozwięzłych. Odpowiednio obniżona gęstość zaczynu pozwala na zredukowanie ciśnienia hydrostatycznego zaczynu cementowego, dzięki czemu nie zachodzi ryzyko ucieczki cementu w strefy słabo zwięzłe. Zaczyny lekkie mogą być również z powodzeniem stosowane do uszczelniania głębokich odwiertów, gdzie zachodzi konieczność wtłoczenia zaczynu na dużą głębokość. Wówczas stosowane są dwie receptury: pierwszym zaczynem jest zaczyn lekki, po którym tłoczony jest zaczyn o większej gęstości. W celu obniżenia gęstości zaczynu stosuje się różnego rodzaju lekkie dodatki wypełniające, których obecność w zaczynie powoduje zmniejszenie jego gęstości. Jednakże po zastosowaniu lekkich materiałów wypełniających zaczyn często ulega frakcjonowaniu, co objawia się oddzielaniem lekkich frakcji w górnej części cementowanej przestrzeni pierścieniowej lub pozarurowej oraz opadaniem w dolne partie ciężkich frakcji zaczynu. W celu wyeliminowania tego niepożądanego zjawiska stosuje się środki, które na skutek zwiększenia lepkości wody zarobowej, a następnie wzrostu wytrzymałości strukturalnej zaczynu powodują poprawę stabilności sedymentacyjnej opracowywanej receptury zaczynu. Jednakże obecność tych środków wpływa na zmianę wartości wczesnej wytrzymałości mechanicznej tworzącego się z zaczynu płaszcza cementowego, a parametr ten jest szczególnie istotny w przypadku tego rodzaju zaczynów. Ponadto środki przeciwsedymentacyjne powodują zmianę czasu wiązania zaczynu, który to parametr jest istotny z technologicznego punktu widzenia (dostosowanie czasu tłoczenia do czasu niezbędnego na przeprowadzenie zabiegu cementowania). W związku z powyższym w niniejszej publikacji poruszono zagadnienie zmiany wartości wczesnej wytrzymałości na ściskanie pod wpływem wybranych środków poprawiających stabilność sedymentacyjną. W artykule omówiono wyniki badań czterech rodzajów środków poprawiających stabilność sedymentacyjną. Przeprowadzone zostały badania dla zaczynów kontrolnych sporządzonych na bazie dwóch rodzajów cementów: cement klasy CEM I 42,5R oraz cement glinowo-wapniowy. Badaniom poddano głównie czas wiązania, czas przejścia od wartości początku wiązania do wartości końca wiązania oraz wytrzymałość na ściskanie po 24 godzinach hydratacji próbki. Na podstawie zrealizowanych badań określono wpływ środków poprawiających stabilność sedymentacyjną na wartość wczesnej wytrzymałości na ściskanie.

EN

Low density cement slurries are the most commonly used formulas for sealing casing pipe columns in conditions of reduced reservoir pressure or in low-density zones. Appropriately reduced cement slurry density allows the hydrostatic pressure of the cement slurry to be reduced, so that there is no risk of cement escaping into areas with poor compactness. Lightweight cement slurries can be also successfully used for sealing deep wells, where it is necessary to press the cement slurry to a great depth. Two recipes are used in such a case: the first cement slurry is lightweight slurry, followed by a cement slurry of higher density. In order to reduce the density of the slurry, various types of light fillers are used, whose presence in the slurry reduces its density. However, when lightweight filler materials are used, the slurry fractionates, which is manifested in the separation of light fractions in the upper part of the cemented annular or space between particular casing and settling to the lower parts of the heavy slurry fractions. In order to eliminate this undesirable phenomenon, agents are used which, due to the increase in the viscosity of the mixing water, followed by an increase in the structural strength of the stone, result in improved sedimentation stability of the developed cement slurry recipe. However, the presence of these agents changes the value of early mechanical strength formed from the cement slurry sheath, and this parameter is particularly important for this type of cement slurries. In addition, antisedimentation agents cause a change in the cement slurry setting time, and this parameter is important from a technological point of view (adjusting the circulating time to the time necessary to carry out the cementing operation). Therefore, this publication discusses the issue of changing the value of early compressive strength under the influence of selected agents improving sedimentation stability. The article discusses the results of testing four types of agents that improve sedimentation stability. Tests were carried out for control cement slurries prepared on the basis of two types of cement, CEM I 42.5R cement and aluminum-calcium cement. The tests included mainly the thickening time, transition time from the value of the thickening start to the value of the thickening end and compressive strength after 24 hours of sample hydration. Based on the research carried out, the impact of agents improving sedimentation stability on the value of early compressive strength was determined.

9

Zmiana parametrów reologicznych zaczynu lateksowego pod wpływem dodatku mikrosfery

Kremieniewski Marcin

Nafta-Gaz

|

2020

|

R. 76, nr 1

37--45

PL

Receptury zaczynów cementowych o niskiej gęstości tzw. lekkich są najczęściej używane do uszczelniania kolumn rur okładzinowych posadowionych w słabozwięzłych formacjach geologicznych i warstwach sypkich. Zastosowanie takiej receptury pozwala obniżyć wartość ciśnienia hydrostatycznego, dzięki czemu zaczyn nie powoduje rozszczelinowania delikatnej struktury ściany otworu. Obniżenie gęstości zaczynu jest możliwe poprzez wprowadzenie lekkich dodatków wypełniających. Najczęściej stosowanym wypełniaczem lekkim są mikrosfery. Jednak zastosowanie tego dodatku powoduje zmianę parametrów reologicznych, co nie pozostaje bez wpływu na przetłaczalność projektowanego zaczynu. W celu uzyskania odpowiedniego wypełnienia zaczynem cementowym przestrzeni pierścieniowej lub pozarurowej należy w taki sposób projektować jego parametry reologiczne, aby uzyskać odpowiednie wyparcie płuczki z otworu oraz jak najlepsze wypełnienie skawernowanej ściany otworu. W tym celu niezbędne jest obniżenie wartości parametrów reologicznych zaczynu. Jednakże niskie wartości lepkości plastycznej i granicy płynięcia mogą skutkować nadmiernym frakcjonowaniem zaczynu zawierającego dodatek mikrosfer, wskutek czego zarówno zaczyn cementowy i powstały z niego w otworze płaszcz cementowy nie będzie wykazywał odpowiedniej jednorodności. W związku z powyższym, aby odpowiednio zaprojektować recepturę zaczynu lekkiego, którego gęstość regulowana jest przez wprowadzenie dodatku mikrosfer należy wcześniej określić zmianę wartości parametrów reologicznych pod wpływem dodatku mikrosfer, co zostało omówione w niniejszym artykule. W publikacji przedstawione zostały wyniki prac dotyczące zmiany parametrów reologicznych zaczynu lateksowego pod wpływem wzrastającej ilości mikrosfer. Zaprojektowano 6 zaczynów, pośród których 3 receptury stanowiły punkty odniesienia, a kolejne trzy to zaczyny modyfikowane 40%-ową ilością mikrosfer. Zaczyny bazowe zawierały 5% mikrosfery w stosunku do masy cementu, a nowo opracowane receptury na podstawie których badano wpływ dodatku mikrosfer zawierały 40% mikrosfer glinokrzemianowych. Projektowane zaczyny przeznaczone były dla warunków otworowych o zakresie temperatur od 30°C do 70°C i odpowiadających im ciśnień złożowych w zakresie od 5 MPa do 20 MPa. W trakcie realizowania prac badawczych skoncentrowano się na wpływie dodatku mikrosfer na parametry reologiczne zaczynu lekkiego ze względu na to, że dodatek ten jest najczęściej stosowanym materiałem wypełniających, a uzyskane wyniki prac mogą być pomocne podczas projektowania kolejnych nowych receptur zaczynów o obniżonej gęstości.

XX

Lightweight cement slurry are most often used to seal columns of casing pipes set in weakly compact geological formations and loose layers. By using this cement slurry the hydrostatic pressure can be lowered, so that the slurry does not fracture the delicate structure of the borehole wall. Lowering the slurry density is possible by introducing light fill-up additives. Microspheres are the most commonly used light fillers. However, the use of this additive causes a change in rheological parameters, which has an impact on the transferability of the designed cement slurry. In order to obtain adequate cement slurry filling of the annular space, its rheological parameters should be designed in such a way so as to obtain adequate displacement of the mud from the hole and the best possible filling of the caved wall of the borehole. To this end, it is necessary to lower the rheological parameters of the cement slurry. However, low values of the plastic viscosity and the flow limit may result in excessive fractionation of the slurry containing the addition of microspheres, as a result of which both the cement slurry and the cement sheath resulting from it will not show adequate homogeneity. Therefore, in order to properly design the lightweight slurry recipe, whose density is regulated by the addition of microspheres, one must first determine the change in the value of rheological parameters under the influence of the addition of microspheres, which was discussed in this article. The publication presents the results of works on the change of rheological parameters of latex cement slurry under the influence of increasing number of microspheres. Six slurries were designed, of which three recipes were reference points, and the next three were modified with 40% of the microspheres. The base cement slurries contained 5% microspheres in relation to the mass of cement, and the newly developed recipes on the basis of which the effect of the addition of microspheres was investigated contained 40% aluminosilicate microspheres. The designed slurries were intended for well conditions with a temperature range from 30°C to 70°C and corresponding reservoir pressures in the range from 5 MPa to 20 MPa. During the research, the focus was on the impact of the addition of microspheres on the rheological parameters of lightweight cement slurry, because this addition is the most commonly used filling material, and the results obtained can be helpful when designing, new, reduced density cement slurry recipes.

10

Zaczyny do uszczelniania otworów w warunkach niskich wartości gradientów ciśnienia szczelinowania skał oraz do prac rekonstrukcyjnych

Kremieniewski Marcin

Nafta-Gaz

|

2020

|

R. 76, nr 2

102--109

PL

Receptury o obniżonej gęstości to zaczyny najczęściej stosowane w warunkach występowania niskich wartości gradientów ciśnienia szczelinowania, w rejonie skał słabozwięzłych, chłonnych, lub podczas prowadzenia prac rekonstrukcyjnych odwiertu. Stosowanie zaczynów lekkich zawierających frakcje o wymiarach większych niż średnica ziaren cementu pozwala wyeliminować ewentualność przesiąkania cieczy uszczelniającej przez strukturę skały o znacznej chłonności. Odpowiednio dobrany zaczyn lekki na skutek niskiej wartości ciśnienia hydrostatycznego nie powoduje rozszczelinowania struktury skał słabozwięzłych. Jednak mimo licznych zalet zaczynu lekkiego pojawiają się również negatywne aspekty, do których w pierwszej kolejności można zaliczyć nadmierne frakcjonowanie. Takie zachowanie zaczynu jest niekorzystne, ponieważ powoduje tworzenie się niejednolitej struktury płaszcza cementowego po związaniu. W związku z powyższym głównym parametrem, któremu należy poświęcić najwięcej uwagi podczas projektowania receptury zaczynu lekkiego jest właśnie stabilność sedymentacyjna. W celu wyeliminowania nadmiernego frakcjonowania stosuje się środki, które pozwalają utrzymać w całej objętości cieczy zarobowej cząstki o różnej gęstości. Odpowiedni dobór jakościowy i ilościowy poszczególnych domieszek pozwala na uzyskanie zaczynu cementowego o optymalnych parametrach, dostosowanych do konkretnych warunków geologiczno-technicznych, który nie będzie ulegał sedymentacji, a powstały z takiej receptury płaszcz cementowy będzie posiadał porównywalne wartości badanych parametrów bez względu na miejsce pomiaru. Zagadnienia dotyczące receptur zaczynów o obniżonej gęstości z przeznaczeniem do uszczelniania otworów w warunkach niskich wartości gradientów ciśnienia szczelinowania oraz do prac rekonstrukcyjnych wymagają ciągłego doskonalenia i prowadzenia prac badawczych. W związku z powyższym w niniejszej publikacji omówiono wyniki prac badawczych nad opracowaniem nowych zaczynów przeznaczonych do uszczelniania otworów w warunkach jak wspomniano powyżej. Zaprojektowano 4 receptury zaczynów o obniżonej gęstości, których parametry porównywano do receptury kontrolnej. W trakcie realizacji prac badawczych użyto zarówno dotychczas stosowane, jak również nowe lekkie dodatki wypełniające i środki ograniczające nadmierne frakcjonowanie projektowanych receptur. Opracowano nowe receptury zaczynów dla warunków otworowych o temperaturze około 30°C i ciśnieniu około 5 MPa. Wykonane zostały badania frakcjonowania zaczynów i przeprowadzono badania parametrów decydujących o efektywności uszczelniania. W przypadku próbek stwardniałych zaczynów wykonano badania wytrzymałości na ściskanie oraz określono siłę związania (przyczepności) stwardniałego zaczynu cementowego z powierzchnią rury okładzinowej.

EN

The slurries most commonly used in the conditions of occurrence of low values of fracturing pressure gradients, in the area of weak, porous rocks, or during bore workover operations are reduced density recipes. The use of lightweight slurries containing fractions with dimensions larger than the diameter of cement grains allows to eliminate the possibility of seeping of sealing liquid through the rock struc- ture with significant absorbency. Due to the low value of hydrostatic pressure properly selected, lightweight slurry doesn’t cause fracturing of the structure of weak rocks. However, despite the numerous advantages of lightweight slurry, there are also negative aspects, which may include first of all excessive fractionation. This cement slurry behavior is disadvantageous because it causes the formation of a heterogeneous structure of the cement sheath after setting. Therefore, the main parameter that should be given the most attention when designing a lightweight cement slurry recipe is the sedimentation stability. In order to eliminate excessive fractionation, means that allow particles of different densities to be maintained in the entire volume of the liquid are used. Appropriate qualitative and quantitative selection of individual additives allows to obtain cement slurry with optimal properties, adapted to specific geological and technical conditions, which will not sediment. The resulting cement sheath will have comparable values of tested parameters regardless of the place of measurement. Issues regarding reduced density slurry recipes intended for sealing boreholes under low fracture pressure gradients and for workover operations require continuous improvement and research. Therefore, this publication discusses the results of research work on the development of new cement slurries for sealing holes under conditions mentioned above. Four low density cement slurry recipes were designed, whose parameters were compared with the control recipe. During the implementation of research works, both previously used as well as new lightweight fillers and measures to limit excessive fractionation of designed recipes were used. New slurry recipes have been developed for well conditions with a temperature of about 30°C and a pressure of about 5 MPa. Slurry fractionation were tested and parameters determining the sealing efficiency were studied. In the case of samples of hardened cement slurries, compressive strength tests were performed and the bonding strength (adhesion) of the hardened cement slurry with the surface of the casing pipe was determined.

11

Wpływ wybranych domieszek obniżających gęstość na parametry zaczynu cementowego

Kremieniewski Marcin, Kędzierski Miłosz

Nafta-Gaz

|

2020

|

R. 76, nr 3

143--153

PL

Zaczyny lekkie najczęściej stosowane są podczas uszczelniania kolumn rur okładzinowych w warunkach obniżonego ciśnienia złożowego czy w strefach słabozwięzłych. Odpowiednie zmniejszenie gęstości zaczynu umożliwia obniżenie wartości ciśnienia hydrostatycznego, co zapobiega ucieczce zaczynu cementowego w strefy słabo zwięzłe. Dodatkowo, zaczyny o obniżonej gęstości mogą być stosowane w przypadku konieczności podniesienia cementu w przestrzeni pozarurowej na dużą wysokość (głębokie otwory). Podczas opracowywania receptury lekkiego zaczynu cementowego najczęściej stosuje się lekkiego rodzaju dodatki i domieszki, które określane są mianem wypełniaczy. Środki te pozwalają na obniżenie gęstości zaczynu i tym samym zastosowanie go w określonych warunkach geologicznych. Jednakże stosowanie tego rodzaju dodatków i domieszek wywiera znaczny wpływ na parametry technologiczne zarówno świeżego, jak i stwardniałego zaczynu cementowego. W przypadku płynnego zaczynu – obecność lekkich frakcji powoduje zmianę parametrów reologicznych zaczynu, wzrost filtracji czy zmianę wartości odstoju wody. Natomiast płaszcz cementowy powstały z zaczynu lekkiego może posiadać niższe wartości wytrzymałości na ściskanie czy wyższą porowatość. Należy zauważyć, że receptury zaczynów lekkich są najczęściej stosowane do uszczelniania kolumn rur okładzinowych posadowionych na niewielkich głębokościach. Dlatego też istotne jest również uzyskanie odpowiedniego czasu przejścia od punktu początku wiązania do punktu końca wiązania. Przyczynia się to do wyeliminowania możliwości tworzenia się dróg migracji gazu w wiążącym zaczynie cementowym. W związku z powyższym w niniejszej publikacji omówiony został wpływ wybranych domieszek obniżających gęstość na parametry technologiczne zaczynu cementowego. W artykule badaniom poddano 4 rodzaje wypełniaczy (mikrosferę glinokrzemianową dotychczas stosowaną, mikrosferę glinokrzemianową nowej generacji CSF K, mikrosferę szklaną oraz perlit filtracyjny E100F). Wstępne badania przeprowadzone zostały dla zaczynów bazowych składających się tylko z wody i cementu. Wypełniacze lekkie stosowano jako 5% domieszki do zaczynu. Na tym etapie badaniom poddano czas wiązania płynnego zaczynu oraz wpływ tych domieszek na uzyskane wartości parametrów mechanicznych. W kolejnym etapie przeprowadzono badania dla konkretnego zaczynu cementowego, który zawierał w swoim składzie inne środki, niezbędne do kontrolowania parametrów decydujących o efektywności uszczelniania otworu wiertniczego. W tych recepturach zastosowano 15% dodatku wytypowanych wypełniaczy lekkich i określono wpływ tych materiałów wypełniających na parametry świeżych i stwardniałych zaczynów cementowych.

EN

Lightweight slurries are most commonly used for sealing columns of casing pipes in conditions of reduced reservoir pressure or in low-density zones. Through appropriate reduction of the cement slurry density, the hydrostatic pressure can be lowered, which prevents the cement slurry from escaping into the weakly compacted zones. In addition, cement slurries with reduced density can be used when it is necessary to raise cement in annulus to a large height (deep boreholes). When developing a lightweight cement slurry formula, light additives and admixtures are commonly used as fillers. These measures make it possible to reduce the slurry density and thus to apply it in specific geological conditions. However, the use of such additives and admixtures has a significant impact on the technological parameters of both fresh and hardened cement stone. In the case of fresh cement slurry, the presence of light fractions changes the rheological parameters of the leaven, increases filtration, and changes the water loss value. On the other hand, the cement bond resulting from lightweight slurry may have lower compressive strength values or higher porosity. It should be noted that lightweight slurry formulas are most often used to seal columns of casing pipes installed at small depths. Therefore, it is also important to obtain a proper transition time from the initial setting time to the final setting time. The above contributes to eliminating the possibility of gas migration pathways in the set cement slurry. In connection with the above, the publication discusses the impact of selected density-reducing admixtures on selected technological parameters of cement slurry. In the article, 4 types of fillers were tested (aluminosilicate microsphere used so far, new generation aluminosilicate microsphere CSF K, glass microsphere and filter perlite E100F). Initial tests were carried out for base cement slurries consisting only of water and cement. Lightweight fillers were used as a 5% grout admixture. At this stage, the setting time of fresh cement slurry and the effect of these admixtures on the obtained values of mechanical parameters were tested. In the next stage, tests were carried out for specific cement slurry, which contained other means necessary to control the parameters determining the effectiveness of sealing the borehole. In these recipes, 15% of the addition of selected lightweight fillers was used and the effect of these filling materials on the parameters of fresh and hardened cement slurries was determined.

12

Receptura zaczynu lekkiego do uszczelniania otworów w strefie niskich ciśnień złożowych

Kremieniewski Marcin, Pikłowska Anna

Nafta-Gaz

|

2020

|

R. 76, nr 9

577--584

PL

W technologii uszczelniania kolumn rur okładzinowych w otworze wiertniczym zachodzi niekiedy potrzeba zastosowania zaczynu o obniżonej gęstości. Najczęściej ma to miejsce w przypadku uszczelniania otworu wierconego w strefie niskiego ciśnienia złożowego. Aby zaprojektować recepturę zaczynu lekkiego, stosuje się dodatek materiału wypełniającego, którego gęstość jest znacznie niższa niż gęstość cementu. Jednak obecność takiego dodatku w strukturze płynnego zaczynu cementowego może niekiedy powodować destabilizację układu objawiającą się nadmiernym frakcjonowaniem, w wyniku czego lekkie cząsteczki migrują w górne partie zaczynu, a ciężkie ziarna cementu opadają na dno. Ponadto zaczyny zawierające dodatki lekkie wykazują również obniżone wartości parametrów mechanicznych, większą porowatość i przepuszczalność dla gazu. Cechy te mogą dyskwalifikować dany zaczyn pod kątem zastosowania go w warunkach otworowych. W celu wyeliminowania tych niekorzystnych zmian zachodzących w strukturze zarówno płynnego, jak i stwardniałego zaczynu lekkiego, stosuje się domieszki pozwalające na znaczną poprawę parametrów technologicznych projektowanej receptury. Odpowiedni dobór zarówno ilościowy, jak i jakościowy wybranych środków umożliwia wyeliminowanie frakcjonowania zaczynu, w wyniku czego możliwe jest uzyskanie homogenicznej struktury płynnego zaczynu, a powstały po związaniu płaszcz cementowy będzie wykazywał izotropię badanych parametrów. Ponadto dodatki i domieszki drobnocząsteczkowe pozwalają doszczelnić matrycę płaszcza cementowego w taki sposób, że wytrzymałość na ściskanie ulega znacznej poprawie i zredukowana zostaje wartość przepuszczalności i porowatości. W artykule zostały omówione wyniki badań nad opracowaniem receptur zaczynów lekkich przeznaczonych do uszczelniania otworów w strefie niskich ciśnień złożowych. Jako próbkę kontrolną przyjęto recepturę, która była stosowana w warunkach otworowych. Zaczyn ten ze względu na brak stabilności sedymentacyjnej został wytypowany do modyfikacji. Kolejne receptury zawierały zróżnicowane ilości materiałów wypełniających. Jako dodatki lekkie użyto: perlit filtracyjny, mikrosferę glinokrzemianową oraz mikrosferę szklaną. Natomiast w celu poprawy stabilności sedymentacyjnej i uzyskania odpowiednich wartości parametrów mechanicznych użyto dwie formy krzemionki: koloidalny roztwór krzemianu sodu oraz nanokrzemionkę hydrofilową. Zaprojektowane receptury zaczynów charakteryzowały się odpowiednimi wartościami parametrów technologicznych i stabilnością sedymentacyjną. Wprowadzone modyfikacje w recepturach zaczynów pozwoliły na osiągnięcie homogenicznej mikrostruktury stwardniałego zaczynu oraz uzyskanie wzrostu wartości parametrów mechanicznych. Opracowana grupa receptur może być stosowana do uszczelniania w strefie niskich ciśnień złożowych w warunkach temperatury około 30°C i w ciśnieniu około 3 MPa.

EN

In the technology of sealing casing columns in a borehole, sometimes it is necessary to use cement slurry with reduced density. This occurs most often during sealing of the borehole in the low reservoir pressure zone. To design lightweight cement slurry, an addition of filler material is used, the density of which is much lower than the density of cement. However, the presence of such an additive in the structure of fresh cement slurry may sometimes cause destabilization of the system manifested by excessive fractionation, as a result of which light particles migrate to the upper parts of the cement slurry and heavy cement grains sink to the bottom. In addition, cement slurries containing light additives also show reduced values of mechanical parameters, greater porosity and capacity for gas migration, which may disqualify a given cement slurry for use in borehole conditions. In order to eliminate these adverse changes occurring in the structure of both fresh and hardened lightweight cement slurry, admixtures are used to significantly improve the technological parameters of the designed recipe. Appropriate selection, both quantitative and qualitative, of selected agents makes it possible to eliminate the cement slurry fractionation, as a result of which it is possible to obtain a homogeneous structure of the fresh cement slurry, and the cement sheath formed after setting will demonstrate the isotropic properties of the tested mechanical parameters. In addition, additives and low molecular weight admixtures allow sealing of the cement sheath matrix in such a way that the compressive strength is significantly improved and the value of permeability and porosity is reduced. The article discusses the results of research on the development of lightweight cement slurry recipes intended for scaling of openings in the zone of low reservoir pressures. As a control sample, a recipe was selected that had been used in well conditions. This cement slurry was selected for modification due to the lack of sedimentation stability. The following recipes contained various amounts of filling materials. As light additives, filter perlite, aluminosilicate microsphere and glass microsphere were used. However, two forms of silica were used to improve sedimentation stability and obtain appropriate mechanical parameters: a colloidal sodium silicate solution and hydrophilic nanosilica. The designed cement slurry recipes were characterized by appropriate technological parameters and sedimentation stability. The modifications introduced to the cement slurries allowed to achieve a homogeneous microstructure of the hardened cement slurry and an increase in the value of mechanical parameters was obtained. The developed group of recipes can be used to seal openings in the low reservoir pressure zone at a temperature of about 30°C and a pressure of about 3 MPa.

13

Możliwości zastosowania nanorurek węglowych (CNTs) w technologii zaczynów cementowych

Kędzierski Miłosz, Rzepka Marcin, Kremieniewski Marcin

Nafta-Gaz

|

2020

|

R. 76, nr 2

110--118

PL

Artykuł przedstawia wyniki badań wpływu nanorurek węglowych (CNTs) na parametry reologiczne zaczynu cementowego oraz mechaniczne kamienia cementowego. Do zaczynów dodawano 0,1% i 0,2% nanorurek węglowych. Receptury cementowe opracowane były w Instytucie Nafty i Gazu – Państwowym Instytucie Badawczym, w Laboratorium Zaczynów Uszczelniających. Zaczyny posiadały gęstość od około 1830 kg/m3 do około 1870 kg/m3 , a ich sporządzanie odbywało się na bazie cementu portlandzkiego CEM I 42,5. Badania wytrzymałości na ściskanie i przyczepności do rur prowadzono po 2, 7, 14 i 28 dniach, pomiar porowatości wykonano po 28 dniach hydratacji. Opracowano receptury o bardzo dobrych parametrach technologicznych, które po utwardzaniu (po okresie 28 dni hydratacji) posiadały bardzo wysokie wartości wytrzymałości na ściskanie, dochodzące nawet do 51 MPa (dla zaczynu z dodatkiem 0,1% nanorurek węglowych) oraz 36,8 MPa (dla zaczynu z dodatkiem 0,2% nanorurek węglowych). Tak wysokie wartości wytrzymałości są niezwykle trudne do uzyskania w przypadku zastosowania zaczynów konwencjonalnych. Optymalną ilością CNTs jest dodatek 0,1%. Po dodaniu 0,2% CNTs otrzymano niższe wartości wytrzymałości na ściskanie, co może być spowodowane niedostatecznym rozproszeniem nanocząsteczek w zaczynie. Uzyskano wysokie wartości przyczepności kamienia cementowego do rur oraz zaobserwowano zmniejszenie filtracji zaczynu w porównaniu z zaczynem bazowym. Otrzymane kamienie cementowe posiadały niską porowatość, a rozkład ich porów charakteryzował się niewielką ilością porów o średnicach powyżej 100 nm (średnio w granicach 1,3–2,8%), co świadczy o ich zwartej strukturze. W wyniku przeprowadzonych badań można zauważyć pozytywny wpływ dodatku nanorurek węglowych na wytrzymałość oraz mikrostrukturę kamieni cementowych z ich dodatkiem. Uzyskane wyniki umożliwiają określenie wpływu dodatku nanorurek węglowych na zaczyn i kamień cementowy i są wstępem do dalszych badań w tym kierunku.

EN

The article presents the results of testing the influence of carbon nanotubes on the mechanical and rheological properties of cement slurry and stone. 0.1 and 0.2% carbon nanotubes were added to the cement slurry. Laboratory tests of cement slurries were carried out at Oil and Gas Institute – National Research Institute. The densities of tested slurries ranged from 1830 to 1870 kg/m3 , and were prepared on the basis of CEM I 42.5 Portland cement. Compressive strength tests and adhesion measurements were carried out after 2, 7, 14 and 28 days, while porosity after 28 days. Cement slurry recipes with very good technological parameters were developed, with very high compressive strength values after curing (after 28 days of hydration), reaching up to 51 MPa (for slurry with the addition of 0.1% CNTs) and 36.8 MPa (for slurry with the addition of 0.2% CNTs). Such high compressive strength values are extremely difficult to obtain with conventional cement slurries. When 0.2% CNTs was added, lower compressive strength values were obtained, which may be due to difficulty in uniform distribution of large quantities of nanoparticles in the slurry. Cements were characterized by high values of adhesion to pipes and smaller fluid loss – compared to basic cement slurry. The obtained set cement slurries had low porosity and their pore distribution was characterized by a small number of pores with diameters greater than 100 nm, within the range of 1.3–2.8%, which prove their compact structure. As a result of the research, it can be stated that the addition of carbon nanotubes has a positive effect on the mechanical strength and microstructure of cement stones. The obtained results allow to determine the influence of carbon nanotubes on the cement slurry and stone and are initial research in this direction.

14

Korelacja skuteczności działania środków dyspergujących o różnym mechanizmie upłynniania

Kremieniewski Marcin

Nafta-Gaz

|

2020

|

R. 76, nr 11

816--826

PL

Efektywne uszczelnienie otworu wiertniczego zależy od wielu właściwości zaczynu cementowego. Do ważniejszych należą parametry reologiczne. Zaprojektowanie zaczynu o wymaganych wartościach lepkości plastycznej, granicy płynięcia czy współczynnika konsystencji przyczynia się do sprawnego przeprowadzenia zabiegu cementowania i pozwala efektywnie wypełnić cementowaną przestrzeń pozarurową. W celu dostosowania parametrów reologicznych do wymagań technologicznych wykorzystuje się środki dyspergujące. Działanie tych upłynniaczy bądź superplastyfikatorów związane jest z ich budową chemiczną, która ma wpływ na mechanizm upłynniania. Dlatego też w celu odpowiedniego doboru środka upłynniającego korzystne jest zaznajomienie się z jego mechanizmem działania, dzięki czemu możliwe będzie zastosowanie optymalnych ilości dla danej receptury zaczynu. W publikacji omówiona została skuteczność działania środków dyspergujących w zależności od ich mechanizmu upłynniania. Realizowane prace badawcze polegały na modyfikacji zaczynu cementowego za pomocą soli sodowych polikondensatów formaldehydowych kwasów naftalenosulfonowych oraz dyspergatora polimerowego na bazie karboksylanów. Zastosowano ilości środka dyspergującego w zakresie od 0,05% (bwoc1 ) do 1,0% (bwoc). Przeprowadzono badania parametrów reologicznych opisywanych za pomocą pięciu modeli reologicznych, tj. Newtona, Binghama, Ostwalda de Waele’a, Cassona, Herschela-Bulkleya. Głównym celem prac opisanych w artykule było przeprowadzenie analizy korelacyjnej zmiany parametrów reologicznych zaczynów modyfikowanych środkami dyspergującymi należącymi do różnych grup w zależności od ich mechanizmu upłynniania. Dzięki temu możliwe było wskazanie efektywności działania dodatków dyspergujących w zależności od zastosowanej ilości upłynniacza należącego do danej grupy. Zrealizowane prace są pomocne przy określeniu optymalnej ilości środka dyspergującego danego rodzaju (o danym mechanizmie działania).

EN

Effective borehole sealing depends on many properties of the cement slurry. The rheological parameters are the most important. Designing the cement slurry with the required values of plastic viscosity, yield point or consistency coefficient contributes to the efficient performance of the cementing procedure and allows for effective filling of the cemented space outside the tubing. In order to adjust rheological parameters to technological requirements, dispersants are used. The operation of these plasticizers or superplasticizers is related to their chemical structure, which determines their liquefaction mechanism. Therefore, in order to properly select a fluidizing agent, it is beneficial to become familiar with its mechanism of operation, thanks to which it will be possible to use the optimal amounts for a given cement slurry recipe. The publication discusses the effectiveness of dispersing agents depending on their liquefaction mechanism. The research work carried out consisted in the modification of the cement slurry with the use of sodium salts of polycondensates of naphthalene sulfonic acids and a polymer dispersant based on carboxylates. Amounts of dispersant ranging from 0.05% (bwoc) to 1.0% (bwoc) were used. The rheological parameters described by means of five rheological models, i.e. Newton, Bingham, Ostwald de Waele, Casson and Herschele-Bulkley, were tested for the cement slurries. The main goal of the work presented in the article was to conduct a correlation analysis of the change in rheological parameters of slurries modified with dispersants belonging to different groups depending on their liquefaction mechanism. Thanks to this, it was possible to indicate the effectiveness of the dispersing additives depending on the amount of the fluid used belonging to a specific group. The work carried out is helpful in determining the optimal amount of dispersing agent depending on its type (mechanism of action).

15

Badania środków poprawiających stabilność sedymentacyjną zaczynów cementowych

Kremieniewski Marcin

Nafta-Gaz

|

2020

|

R. 76, nr 6

387--395

PL

Podczas projektowania zaczynów o obniżonej gęstości, jedną z większych trudności jest uzyskanie homogenicznej struktury zaczynu zarówno w stanie płynnym, jak i po związaniu. Problem ten wynika głównie z obecności lekkich dodatków wypełniających w objętości zaczynu. Materiały te na skutek frakcjonowania unoszą się w górnych partiach cementowanej przestrzeni pierścieniowej. Z kolei ziarna cementu, które charakteryzują się większą gęstością, w wyniku sedymentacji osiadają w dolnej części otworu. Takie zachowanie zaczynu jest niekorzystne. Powstały z tak niejednorodnego zaczynu płaszcz cementowy będzie wykazywał bardzo niskie wartości wytrzymałości na ściskanie w górnych partiach uszczelnianej kolumny rur, co wpływa na słabą ich stabilizację. Dodatkowo płaszcz cementowy posiadał będzie dużą przepuszczalność, co skutkuje brakiem skuteczności uszczelnienia poszczególnych sekcji rur. W celu wyeliminowania tego niepożądanego zjawiska nadmiernego frakcjonowania i sedymentacji zaczynu lekkiego stosuje się różnego rodzaju środki poprawiające stabilność sedymentacyjną. Środki tego typu są poddawane badaniom w zaczynie cementowym. Jednak znacznie dokładniejszym pomiarem możliwości przeciwdziałania frakcjonowania danego środka przeciwsedymentacyjnego jest badanie go w wodzie. Związane jest to z faktem, iż zaczyn cementowy ze względu na obecność w nim dodatkowych środków i domieszek wykazuje wyższą lepkość plastyczną. W związku z tym w niniejszej publikacji przedstawiono wyniki badań środków poprawiających stabilność sedymentacyjną poprzez określanie wpływu ich działania na mikrosferę w cieczy niskolepkiej, jaką jest woda. W artykule przedstawiono metodykę pomiaru frakcjonowania wypełniacza lekkiego i działania przeciwsedymentacyjnego wybranych środków poprawiających stabilność sedymentacyjną zaczynów cementowych. Podczas realizacji prac badawczych skoncentrowano się głównie na określeniu frakcjonowania mikrosfer w wodzie zarobowej o określonym stężeniu środków poprawiających stabilność sedymentacyjną. Do badań wytypowano 6 rodzajów środków, które użyto w koncentracji od 0,5% do 10%. Wykonane zostały badania frakcjonowania mikrosfer w jednostce czasu, na podstawie czego możliwe było określenie skuteczności działania danego środka ograniczającego frakcjonowanie w celu sporządzenia zaczynu lekkiego o odpowiedniej stabilności sedymentacyjnej.

EN

When designing slurries with reduced density, one of the biggest difficulties is obtaining a homogeneous slurry structure both in liquid state and after setting. This problem is mainly due to the presence of light fillers in the slurry volume. Due to fractionation, these materials float in the upper parts of the cemented annular space. In turn, cement grains, which are characterized by higher density, as a result of sedimentation settle in the bottom of the hole. This cement slurry behavior is unfavorable. The cement sheath resulting from such heterogeneous cement slurry will show very low values of compressive strength in the upper parts of the sealed column of pipes, yielding poor stabilization. In addition, the cement sheath will have high permeability, which results in the lack of sealing efficiency of individual pipe sections. In order to eliminate this undesirable phenomenon of excessive fractionation and sedimentation of lightweight cement slurry, various agents are used to improve sedimentation stability. Agents of this type are tested in cement slurry. However, a much more accurate measurement of the possibility of counteracting the fractionation of a given anti-sedimentation agent is testing it in water. This is due to the fact that the presence of additional additives and admixtures in the cement slurry results in its higher plastic viscosity. Therefore, this publication presents the results of research on agents that improve sedimentation stability by determining their impact on the microsphere in a low-viscous liquid, which is water. The article presents the methodology for measuring light filler fractionation and anti-sedimentation effect of selected agents improving the sedimentation stability of cement slurries. During the implementation of research, the focus was mainly on determining the fractionation of microspheres in mixing water with a specific concentration of agents that improve sedimentation stability. Six types of agents were selected for research, which were used in concentrations from 0.5% to 10%. Microsphere fractionation tests were performed per unit of time, based on which it was possible to determine the effectiveness of a given fractionation limiting agent in order to prepare a lightweight cement slurry with appropriate sedimentation stability.

16

Badania nad opracowaniem hybrydowej cieczy buforowej

Kremieniewski Marcin, Kędzierski Miłosz

Nafta-Gaz

|

2020

|

R. 76, nr 8

517--526

PL

W trakcie tłoczenia zaczynu cementowego w wypełnianej nim przestrzeni pierścieniowej usuwana jest płuczka wiertnicza. Tłoczony po płuczce zaczyn cementowy usuwa pozostałości osadu płuczkowego. W celu dobrego uszczelnienia otworu zaczynem, który po związaniu uniemożliwi przepływ gazu, niezbędne jest dokładne oczyszczenie przestrzeni pierścieniowej z osadu płuczkowego poprzez przetłoczenie sekwencji cieczy wyprzedzających. W pierwszej kolejności tłoczona jest ciecz przemywająca, następnie ciecz buforowa, a po niej tłoczony jest zaczyn cementowy. Uzyskanie odpowiednio oczyszczonej przestrzeni pierścieniowej przed zabiegiem cementowania niewątpliwie wpływa na poprawę uszczelnienia i pozwala wyeliminować lub ograniczyć ewentualności zachodzenia niepożądanego zjawiska mikroprzepływów gazu w przestrzeni pierścieniowej. Jednak tłoczenie cieczy przemywającej w celu zdyspergowania pozostałości osadu płuczkowego, a następnie tłoczenie po niej cieczy buforowej, która wyrównuje parametry reologiczne pomiędzy tłoczonymi cieczami wiertniczymi (niskolepka przemywka – zaczyn cementowy o znacznie większej lepkości plastycznej), powoduje wzrost kosztów zabiegu cementowania. W związku z powyższym postanowiono przeprowadzić prace badawcze nad opracowaniem hybrydowej cieczy buforowej. Zamysł prac badawczych był taki, aby ciecz buforowa posiadała dwufunkcyjny charakter. Z jednej strony hybrydowa ciecz buforowa miała spełniać rolę cieczy buforowej (odpowiednio dobrana gęstość, lepkość i wytrzymałość strukturalna), a z drugiej strony zawarte w cieczy buforowej środki powierzchniowo czynne miały za zadanie oczyszczać przygotowywaną do cementowania przestrzeń pierścieniową. Zastosowanie takiej cieczy powoduje obniżenie kosztów oraz skrócenie czasu przygotowania do zabiegu cementowania. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań nad opracowaniem hybrydowej cieczy buforowej. Przeprowadzone zostały badania oczyszczania przestrzeni pierścieniowej w symulowanych warunkach otworowych. Uzyskane wyniki badań pozwoliły stwierdzić, że opracowana hybrydowa ciecz buforowa wykazuje dwufunkcyjne właściwości i widoczna jest poprawa oczyszczenia powierzchni formacji skalnej w porównaniu do dotychczas stosowanych cieczy przemywających. Niestety stwierdzono również problem dotyczący znacznego żelowania płuczki podczas kontaktu z obecnym w cieczy buforowej cementem. Należy zaznaczyć, iż były to badania pilotażowe, w których osiągnięto tylko częściowe rozwiązanie problemu. Opracowana hybrydowa ciecz buforowa wymaga dalszych badań, które pozwolą wyeliminować żelowanie płuczki podczas kontaktu z tą cieczą. Omówione zagadnienie pozwala przybliżyć badaczom poruszaną problematykę, dzięki czemu w przyszłości możliwe będzie dokładniejsze rozpracowanie danego zagadnienia.

EN

While the cement slurry is being pumped, the drilling mud is removed in the annular space filled with it. The cement slurry pressed after the mud removes residues of mud sludge. In order to properly seal the borehole with cement slurry, which will prevent gas flow after binding, it is necessary to thoroughly clean the annular space from the mud sludge by pumping the sequence of preflush. First, the washing liquid is pumped, then the spacer, followed by the cement slurry. Obtaining a properly cleaned annular space before cementing undoubtedly improves sealing and allows to eliminate or reduce the possibility of the undesirable phenomenon of gas micro flows in the annular space. However, pressing the washing liquid to disperse the residue of the sludge and then pressing the spacer after it, which equalizes the rheological parameters between the pressed drilling fluids (low-viscous washing - cement slurry with much higher plastic viscosity) causes an increase in the costs of cementing. Therefore, it was decided to carry out research on the development of a hybrid spacer. The idea of research was that the spacer had a dual-purpose nature. On the one hand, the hybrid liquid was to act as a spacer (properly selected density, viscosity and structural strength), and on the other hand, the surfactants contained in the spacer were to clean the annular space prepared for cementation. The use of such a liquid reduces costs and shortens the preparation time for cementing. This article presents the results of research on the development of a hybrid spacer. Annular space purification studies were performed under simulated borehole conditions. The obtained research results allowed to state that the developed hybrid spacer has bifunctional properties and an improvement in the cleaning of the rock formation surface is visible compared to the washing liquids used so far. Unfortunately, a problem was also found regarding significant gelation of the mud during contact with the cement present in the spacer. It should be noted that these were pilot studies in which only a partial solution to the problem was achieved. The developed hybrid spacer requires further research to eliminate gelation of the mud during contact with the hybrid spacer. The discussed issue allows researchers themselves to familiarize themselves with the discussed subject, thanks to which in the future it will be possible to further develop given issues.

17

Analiza parametrów technologicznych wybranych zaczynów lekkich stosowanych do uszczelniania płytkich otworów o temperaturze do 45°C

Kremieniewski Marcin

Nafta-Gaz

|

2020

|

R. 76, nr 10

710--718

PL

Projektowane do uszczelnienia płytkich otworów lekkie zaczyny cementowe, jak również powstałe z tych zaczynów stwardniałe zaczyny powinny spełniać wymagania odpowiednich norm. W ostatnich latach widoczne jest znaczne nasilenie prac wiertniczych w rejonie przedgórza Karpat i w Karpatach, gdzie stosowane są zaczyny o obniżonej gęstości. Aby zaprojektować recepturę takiego zaczynu, najczęściej stosuje się lekki dodatek wypełniający, który pozwala obniżyć gęstość zaczynu. Jednak obecność takiego wypełniacza w strukturze zarówno płynnego, jak i stwardniałego zaczynu skutkuje pojawianiem się problemów w uzyskaniu wymaganych parametrów technologicznych zaczynu. Do testów świeżych zaczynów używa się takich urządzeń, jak np.: konsystometry ciśnieniowe, prasy filtracyjne, lepkościomierze. Natomiast struktura powstałego stwardniałego zaczynu analizowana jest za pomocą następujących urządzeń: porozymetr rtęciowy, ultradźwiękowy analizator cementu, maszyna wytrzymałościowa. Prowadzone badania zaczynów cementowych mają na celu opracowanie grupy receptur przeznaczonych do uszczelnienia kolumn rur okładzinowych w otworach wierconych na danym obszarze geologicznym. Jednakże równie istotne jest wykonanie analizy parametrów technologicznych dla zaczynów stosowanych dotychczas w perspektywicznym rejonie. Na podstawie uzyskanych wyników i interpretacji składów zaczynów możliwe jest wprowadzenie takich modyfikacji, które mają na celu poprawę parametrów w nowo opracowywanych bądź modyfikowanych zaczynach. W artykule omówiono parametry technologiczne zaczynów lekkich stosowanych do uszczelniania płytkich otworów o temperaturze do 45°C. Na potrzeby artykułu wytypowano 5 receptur zaczynów, które były stosowane w rejonie Karpat w otworach o głębokości od 1000 m do 1500 m. Temperatura panująca w tych otworach, na określonych głębokościach wynosiła od 35°C do 45°C, a ciśnienia denne od 7 do 15 MPa. Receptury zaczynów zostały wykonane zgodnie z projektem cementowania. Następnie wykonano badania parametrów technologicznych zarówno dla świeżych zaczynów, jak i dla próbek powstałych po związaniu zaczynu. Przeprowadzona analiza parametrów technologicznych dla wybranej grupy zaczynów stosowanych do uszczelniania płytkich otworów o temperaturze do 45°C pozwala na podjęcie dalszych prac mających na celu wprowadzenie modyfikacji zaczynów stosowanych obecnie bądź zaprojektowania nowych receptur przeznaczonych do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w płytkich otworach.

EN

Light cement slurries designed for sealing shallow boreholes, as well as hardened cement slurries derived from these slurries should meet the requirements of relevant standards. In recent years, there has been a significant increase in drilling work in the Carpathian Foreland and in the Carpathians where low density cement slurry is used. To design the recipe for such slurry, a lightweight filler is most often used to reduce the slurry density. However, the presence of such a filler in the structure of both liquid and hardened cement slurry results in problems in obtaining the required technological parameters of the slurry. Therefore, research is necessary. For testing fresh cement slurry, devices such as pressure consistometers, filter presses, and viscometers are used. However, the structure of the resulting hardened slurries is analyzed using the following devices: mercury porosimeter, ultrasonic cement analyzer, strength testing machine. The research carried out on cement slurries is aimed at developing a group of recipes for sealing columns of casing pipes in boreholes in a given geological area. However, it is equally important to perform an analysis of technological parameters for slurries used so far in the perspective area. Based on the results obtained and the interpretation of slurry compositions, it is possible to introduce such modifications that will result in improved parameters in newly developed or modified slurries. The article discusses the technological parameters of lightweight cement slurries used for sealing shallow boreholes in the temperature range up to 45°C. For the purposes of the article, five cement slurry recipes were selected, which were used in the Carpathian region in boreholes with a depth of 1000 m to 1500 m. The temperature prevailing in these boreholes at specific depths ranged from 35°C to 45°C, and pressures ranged from 7 to 15 MPa. The slurry recipes were made in accordance with the cementing design. Then, technological parameters were tested for both fresh slurries and samples obtained after slurry binding. An analysis of technological parameters was carried out for a selected group of slurries used for sealing shallow boreholes at temperatures up to 45°C. This analysis allows for further work to be carried out to modify the slurries used currently or to design new recipes for sealing columns of casing pipes in shallow boreholes.

18

Serwisowe badania zaczynów cementowych jako droga do poprawy efektywności uszczelniania otworów wiertniczych

Kremieniewski Marcin

Wiadomości Naftowe i Gazownicze

|

2019

|

R. 22, Nr 3 (245)

4--8

PL

W artykule omówiono serwisowe badania parametrów technologicznych zaczynów cementowych, które są realizowane przez Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy. Płaszcz cementowy, szczególnie z zaczynu lekkiego, może niekiedy wymagać dłuższego czasu oczekiwania na związanie, dlatego też ważne jest określenie, po jakim czasie można będzie przystąpić do dalszych prac po cementowaniu. Prowadzone w trakcie zabiegu cementowania pomiary parametrów technologicznych zaczynu pozwalają określić szereg istotnych parametrów i dają możliwość wprowadzenia korekty w składzie receptury. W publikacji omówiono wyniki badań zaczynów, które zostały użyte do uszczelnienia kolumn rur okładzinowych dwóch otworów wiertniczych. Jedna receptura zaczynu nie została poddana poprzedzającym testom kontrolno-korygującym, natomiast drugi zaczyn został uprzednio zweryfikowany w laboratorium Instytutu Nafty i Gazu - Państwowego Instytutu Badawczego. Przedstawiony przykład potwierdza, że brak testów kontrolno-korygujących może skutkować nieskutecznym uszczelnieniem kolumny rur okładzinowych. W oparciu o wieloletnią współpracę PGNiG oraz INiG - PIB prowadzone badania parametrów zaczynów cementowych przyczyniają się do poprawy efektywności uszczelniania otworów wiertniczych. Jest to możliwe poprzez modyfikowanie obecnych i projektowanie nowych receptur zaczynów. Na poprawę skuteczności uszczelnienia niewątpliwie wpływa monitorowanie oraz korygowanie parametrów technologicznych zaczynów sporządzanych w warunkach otworowych podczas zabiegu cementowania oraz wymiana doświadczeń z Serwisem Cementacyjnym.

19

Poprawa wczesnej wytrzymałości mechanicznej płaszcza cementowego z zaczynów lekkich

Kremieniewski Marcin

Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu

|

2019

|

nr 227

1--286

PL

Efektywność uszczelnienia otworu wiertniczego jest w głównej mierze uzależniona od prawidłowo wykonanego zabiegu cementowania i odpowiednio zaprojektowanej receptury zaczynu cementowego. Jest to szczególnie istotne w przypadku zaczynów przeznaczonych do uszczelnienia kolumn rur okładzinowych posadowionych w rejonach niskiego ciśnienia złożowego lub w strefach chłonnych. Na przełomie ostatnich lat technologia cementowania nie uległa większym zmianom, jednak coraz większe wymagania dotyczące jakości uszczelnienia otworu wymusiły wprowadzanie innowacji w składach receptur zaczynów cementowych. Jest to widoczne w przypadku zaczynów o obniżonej gęstości, których stosowanie pozwala zmniejszyć wartość ciśnienia hydrostatycznego w czasie cementowania, dzięki czemu można zapobiec ucieczce cementu w strefy chłonne. Jednak opracowanie tego rodzaju zaczynu jest problematyczne ze względu na konieczność uzyskania wymaganej wytrzymałości po krótkim czasie wiązania. W początkowym okresie hydratacji płaszcz cementowy posiada niskie wartości parametrów mechanicznych i nabiera odpowiedniej wytrzymałości dopiero w późniejszym czasie wiązania. Obecnie widoczny jest trend do skracania czasu oczekiwania na pomiary geofizyczne po zatłoczeniu i związaniu cementu, co przede wszystkim dyktowane jest względami ekonomicznymi (skrócenie czasu oczekiwania na realizację kolejnych etapów wiercenia). Zbyt wczesne wykonanie pomiarów stanu zacementowania może skutkować uzyskaniem niemiarodajnego obrazu stanu zacementowania otworu. Ponadto płaszcz cementowy powstały z zaczynu lekkiego może ulec mikrodestrukcji podczas realizacji dalszych prac po cementowaniu, w efekcie czego mogą pojawić się mikroprzepływy mediów gazowych w przestrzeni pierścieniowej. Przedstawione w niniejszej pracy receptury zaczynów lekkich o podwyższonej wczesnej wytrzymałości mechanicznej charakteryzują się wysoką wartością wytrzymałości na ściskanie w początkowym okresie hydratacji, co przyczynia się zarówno do poprawy efektywności uszczelniania, jak również do uzyskania faktycznego obrazu stanu zacementowania podczas pomiarów geofizycznych, co było kwestią dyskusyjną podczas stosowania dotychczasowych receptur. W publikacji zaprezentowano wyniki badań nad poprawą i zwiększeniem wczesnej wytrzymałości mechanicznej płaszcza cementowego powstałego z lekkich zaczynów cementowych. W trakcie realizacji pracy wykorzystano zarówno dotychczas stosowane, jak i nowe dodatki i domieszki pozwalające na skrócenie czasu hydratacji zaczynu oraz na wzrost wczesnej wytrzymałości mechanicznej tworzącego się płaszcza cementowego. Badania czasu wiązania i wczesnej wytrzymałości mechanicznej otrzymanego stwardniałego zaczynu cementowego przeprowadzono dla zaczynów przeznaczonych do stosowania w określonych warunkach otworowych. Wykonano również badania parametrów świeżego zaczynu, które wpływają na efektywność uszczelniania kolumn rur okładzinowych. Opracowano grupę nowych receptur zaczynów lekkich, charakteryzujących się podwyższonymi wartościami wytrzymałości mechanicznej po krótkim czasie wiązania. Dzięki temu możliwe jest prowadzenie pomiarów geofizycznych po znacznie krótszym czasie niezbędnym do związania zaczynu, przy jednoczesnym utrzymaniu na wymaganym poziomie pozostałych parametrów technologicznych, co przyczynia się do poprawy stanu uszczelnienia otworu wiertniczego.

EN

The effectiveness of sealing the borehole is mainly dependent on properly carried out cementing and a properly designed cement slurry recipe. This is particularly important in the case of slurries intended for sealing columns of casing pipes mounted in areas of low reservoir pressure or in absorbent zones. Cement technology hasn’t changed much in recent years, but the increasing demand for borehole seal quality has forced the introduction of continuous innovations in cement slurry recipes. This is visible in the case of slurries with reduced density, the use of which reduces the value of hydrostatic pressure during cementation, so that cement slurry can escape into absorbent zones. However, the development of this type of cement slurry is problematic due to the need to obtain the required compressive strength after a short setting time. In the initial hydration period, the cement sheath has low mechanical parameters and acquires adequate strength only at a later setting time. Currently, there is a trend to shorten the waiting time for geophysical measurements after cement slurry crowding and setting, which is primarily dictated by economic considerations (shortening the waiting time for subsequent drilling stages). Too early cement bond logging may result in not obtaining a reliable picture of the cement state of the borehole. In addition, the cement sheath resulting from lightweight cement slurry may undergo micro-destruction during the implementation of further works after cementing, the result of which may be the occurrence of micro-flows of gaseous media through the cement sheath. The lightweight cement slurry recipes presented in the paper have an increased early mechanical strength and characterized by a high value of compressive strength in the initial hydration period, which contributes both to improving the sealing efficiency as well as to obtaining an actual picture of the cement state during geophysical measurements, which was a questionable issue when used existing recipes. The publication presents the results of research on improving and increasing the early mechanical strength of a cement sheath formed from lightweight cement slurries. During the implementation of the work, both previously used and new additions and admixtures were used, which allowed to reduce the hydration time of the cement slurry and to increase the early mechanical strength of the cement sheath. Tests for setting time and early mechanical strength of the obtained hardened cement slurry were carried out for slurries intended for use in specific well conditions. Tests for fresh cement slurry parameters that affect the sealing efficiency of the casing pipe columns were also carried out. A group of new lightweight cement slurry recipes was developed, characterized by increased values of mechanical strength after a short setting time. Thanks to this, it is possible to conduct geophysical measurements after a much shorter time necessary to bind the cement slurry, while maintaining the required level of other technological parameters, which helps to improve the sealing condition of the borehole.

20

Wpływ temperatury na skuteczność działania cieczy przemywającej stosowanej w zabiegu cementowania otworu wiertniczego

Kędzierski Miłosz, Rzepka Marcin, Kremieniewski Marcin

Nafta-Gaz

|

2019

|

R. 75, nr 4

205--213

PL

W artykule przestawiono wyniki badania wpływu temperatury na skuteczność działania cieczy przemywającej. W wyniku przeprowadzonych badań uzyskano istotne informacje o oddziaływaniu cieczy wiertniczych na rdzeń skalny w warunkach podwyższonej temperatury. Badania zostały przeprowadzone dla dwóch wydatków tłoczenia cieczy przemywającej: 10,0 i 11,2 l/min przy czasie kontaktu cieczy ze skałą wynoszącym 4 i 6 minut. W celu realizacji badań przeprowadzono modyfikację symulatora przepływu cieczy wiertniczych dodając do niego płaszcz grzewczy umożliwiający podgrzanie cieczy wiertniczych do danej temperatury. Badania wykonano dla różnych temperatur: 25°C, 40°C, 60°C.. Do przeprowadzenia badań laboratoryjnych zostały wykorzystane trzy rodzaje płuczek wiertniczych (beziłowa z blokatorami, polimerowo-chlorkowa, solno-barytowa) i zaczynów cementowych stosowanych w warunkach przemysłowych oraz ciecz przemywająca sporządzona w Instytucie Nafty i Gazu – Państwowym Instytucie Badawczym z nowego rodzaju środków. Stopień oczyszczenia przestrzeni pierścieniowej określono za pomocą przyczepności na kontakcie kamień cementowy–skała. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, iż wraz ze wzrostem temperatury płuczki wiertniczej maleje skuteczność wymywania osadu za pomocą cieczy przemywającej. Skuteczność usuwania osadu płuczkowego uzależniona jest również od wydatku tłoczenia cieczy przemywającej oraz od czasu kontaktu tej cieczy z oczyszczaną powierzchnią. W przypadku każdej z płuczek wiertniczych największą skuteczność działania cieczy przemywającej uzyskano dla wydatku tłoczenia 11,2 l/min przy czasie kontaktu wynoszącym 6 minut w temperaturze 25°C. Najniższy stopnień wymywania osadów płuczkowych po dwudniowym sezonowaniu próbek uzyskano dla wydatku tłoczenia cieczy przemywającej wynoszącym 10,0 l/min i czasie kontaktu 4 minuty w temperaturze 60°C. Uzyskane wyniki przyczepności dla temperatury 25°C zawierały się w przedziale 60–90% wartości bazowej. Wartości przyczepności dla temperatury 40°C mieściły się w zakresie 45–60% przyczepności bazowej, zaś dla temperatury 60°C uzyskane wyniki zawierały się w przedziale 35–45% przyczepności bazowej.

EN

The article presents the results of investigation into the impact of temperature on the effectiveness of preflush fluid. The research showed significant information about the influence of drilling fluids on the rock core in conditions of elevated temperature. The testing was performed for two preflush fluid pumping rate: 10.0 and 11.2 l/min at the fluid contact time of 4 and 6 minutes. In order to carry out the tests, a modification of the drilling fluids flow simulator was made by adding a heating mantle to it, allowing the heating of drilling fluids to a given temperature. The tests were carried out at various temperatures: 25°C, 40°C, 60°C. For laboratory tests various types of drilling muds (non-bentonite drilling mud, potassium chloride-polymer drilling mud, NaCl-barite drilling mud) were used, and cement slurries used in industrial conditions, as well as preflush fluid prepared from a new type of the additives in Oil and Gas Institute – National Research Institute. The degree of cleaning of the annular space was determined by the adhesion on the contact between the cement stone and the rock. Based on the analysis of the obtained results, it was found that the effectiveness of the filter cake removal decreased with the increase of temperature. The effectiveness of the mud cake removal depends on the preflush fluid pumping rate and the contact time of this fluid with the surface being cleaned. For each of the drilling muds, the highest efficiency of the preflush fluid was obtained for a pumping rate of 11.2 l/min with a contact time of 6 minutes at 25°C. The lowest degree of filter cake removal after two-day hydration of the samples was obtained for a preflush fluid pumping rate of 10.0 l/min with a contact time of 6 minutes at 60°C. Obtained adhesion results for the temperature of 25°C were in the range of 60–90% of the base adhesion. The adhesion values for 40°C were in the range of 45–60% of the basic adhesion, while for the temperature of 60°C, the obtained results were in the range of 35–45% of the basic adhesion.