Badania zaczynów cementowych przeznaczonych do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w podziemnych magazynach wodoru w sczerpanych złożach węglowodorów

• Autorzy: Rzepka Marcin , Kędzierski Miłosz

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2023.04.02

Warianty tytułu

EN

Research of cement slurries for sealing casing strings in underground hydrogen storage facilities in depleted hydrocarbon reservoirs

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Prezentowany artykuł omawia zagadnienia dotyczące technologii zaczynów cementowych proponowanych do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w podziemnych magazynach wodoru w sczerpanych złożach węglowodorów. Do badań laboratoryjnych wytypowano dziesięć receptur zaczynów zawierających różne dodatki i domieszki (m.in. nanomateriały, tj. nano-SiO2, nano-Al2O3, lateksy, polimery wielkocząsteczkowe). Badania receptur prowadzono w temperaturze 60°C pod ciśnieniem 25 MPa, stosując w składach zaczynów domieszkę odpieniającą, upłynniającą, antyfiltracyjną oraz opóźniacz wiązania. Badania wykonywano na dwóch rodzajach cementów: portlandzkim CEM I 42,5 oraz wiertniczym klasy G. Określano parametry technologiczne świeżych i stwardniałych zaczynów cementowych, badając: gęstość, odstój wody (wolną wodę), reologię, czasy gęstnienia, a także wytrzymałość na ściskanie, porowatość oraz szczelność rdzeni cementowych względem wodoru. Płynne zaczyny cementowe posiadały prawidłowe parametry technologiczne (były dobrze przetłaczalne w warunkach HPHT, a ich gęstości wynosiły 1,80–1,91 g/cm3 ). Wytrzymałości na ściskanie stwardniałych zaczynów cementowych po okresie od 2 dni do 28 dni hydratacji, zwłaszcza w przypadku próbek z dodatkiem nanokomponentów, przyjmowały bardzo wysokie wartości (po 28 dniach przekraczając 40 MPa). Próbki kamieni cementowych posiadały bardzo niską zawartość porów kapilarnych, co ogranicza możliwość tworzenia się kanalików w płaszczu cementowym otworu wiertniczego. W większości próbek pory o najmniejszych rozmiarach (poniżej 100 nm) stanowiły zdecydowaną większość (powyżej 95–97%) ogólnej ilości porów występujących w matrycy cementowej. Najkorzystniejsze parametry technologiczne uzyskano w przypadku próbek zawierających nano-SiO2 (nanokrzemionkę), a optymalny współczynnik wodno-cementowy dla takich zaczynów kształtował się na poziomie około 0,46–0,48 – w zależności od rodzaju zastosowanego cementu. Najniższe wartości przenikalności dla wodoru zanotowano dla receptur zawierających nanokrzemionkę (nano-SiO2). Receptury o najlepszych parametrach technologicznych, zawierające nanokomponenty (po wykonaniu szczegółowych testów), będą mogły znaleźć zastosowanie podczas uszczelniania rur okładzinowych w otworach wierconych w celu magazynowania wodoru.

EN

The article presents issues related to the technology of cement slurries for sealing casing pipes in underground hydrogen storage facilities in depleted hydrocarbon reservoirs. Ten recipes of slurries containing various ingredients (including nanomaterials, i.e. nanoSiO2, nano-Al2O3, latexes, high-molecular polymers) were selected for laboratory tests. The tests were carried out at a temperature of 60°C and a pressure of 25 MPa, using defoaming, fluidizing, antifiltration admixtures and setting time retardant in the slurry compositions. The tests were carried out on two types of cement: Portland CEM I 42.5 and class G drilling cement. Technological parameters of fresh and hardened cement slurries were determined by examining the following: density, water retention (free water), rheology, thickening times as well as compressive strength, porosity and hydrogen tightness of cement cores. The liquid cement slurries had the correct technological parameters (they were well pumpable under HPHT conditions and their densities ranged from 1.80–1.91 g/cm3 ). The compressive strength of cement stones in the period from 2 days to 28 days of hydration, especially for samples with the addition of nanocomponents, was very high (after 28 days exceeding 40 MPa). The samples of cement stones had a very low content of capillary pores, which limits the possibility of forming channels in the cement sheath of the borehole. For most samples, the smallest pores (below 100 nm) accounted for the vast majority (over 95–97%) of the total number of pores in the cement matrix. The most favorable technological parameters were obtained for samples containing nano-SiO2 (nanosilica) and the optimal water-cement ratio for such slurries was around 0.46–0.48, depending on the type of cement used. The lowest hydrogen permeability values were obtained for formulations containing nanosilica (nano-SiO2). Recipes offering the best technological parameters, containing nanocomponents (after detailed tests), may be used when sealing casing pipes in holes drilled for hydrogen storage.

Słowa kluczowe

PL

zaczyn cementowy; kamień cementowy; magazynowanie wodoru

EN

cement slurry; cement stone; hydrogen storage

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 79, nr 4
• Strony: 244--251
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz.

Twórcy

autor

Rzepka Marcin

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Kędzierski Miłosz

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Bayanak M., Zarinabadi S., Shahbazi K., Azimi A., 2020. Reduction of fluid migration in well cement slurry using nanoparticles. Oil Gas Science and Technology – Rev. IFP Energies nouvelles, 75(67): 15. DOI: 10.2516/ogst/2020044.
• Biricik I.H., Sarier N., 2014. Comparative study of the characteristics of nano silica-, silica fume- and fly ash-incorporated cement mortars. Materials Research, 17: 570–582. DOI: 10.1590/s1516-14392014005000054.
• Dębińska E., Rzepka M., Kremieniewski M., 2016. Nanocząsteczki – nowa droga w kształtowaniu parametrów świeżych i stwardniałych zaczynów cementowych. Nafta-Gaz, 72(12): 1084–1091. DOI: 10.18668/NG.2016.12.11.
• Flesch S., Pudlo D., Albrecht D., Jacob A., Enzmann F., 2018. Hydrogen underground storage – Petrographic and petrophysical variations in reservoir sandstones from laboratory experiments under simulated reservoir conditions. International Journal of Hydrogen Energy, 43(45): 20822–20835. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.09.112.
• Hadi H.A., Ameer H.A., 2017. Experimental Investigation of Nano Alumina and Nano Silica on Strength and Consistency of Oil Well Cement. Journal of Engineering, 23(12): 51–69.
• Kędzierski M., Rzepka M., 2022. Wstępne badania nad opracowaniem zaczynów cementowych przeznaczonych do podziemnego magazynowania wodoru w kawernach solnych. Nafta-Gaz, 78(2): 120–127. DOI: 10.18668/NG.2022.02.04.
• Li L., Yuan X., Sun J., Xu X., Li S., Wang L., 2013. Vital role of nanotechnology and nanomaterials in the field of oilfield chemistry. International Petroleum Technology Conference, Beijing, China. DOI: 10.2523/IPTC-16401-MS.
• Lord A.S., Kobos P.H., Borns D.J., 2014. Geologic storage of hydrogen: Scaling up to meet city transportation demands. International Journal of Hydrogen Energy, 39(28): 15570–15582. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.07.121.
• Lysyy M., Fernø M., Ersland G., 2021. Seasonal hydrogen storage in a depleted oil and gas field. International Journal of Hydrogen Energy,46(49): 25160–25174. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.05.030.
• Miziołek M., Filar B., Kwilosz T., 2022. Magazynowanie wodoru w sczerpanych złożach gazu ziemnego. Nafta-Gaz, 78(3): 219–239.DOI: 10.18668/NG.2022.03.06.
• Patil R., Deshpande A., 2012. Use of Nanomaterials in Cementing Applications. SPE International Oilfield Nanotechnology Conference and Exhibition, Noordwijk, The Netherlands. DOI: 10.2118/155607-MS.
• Rzepka M., Kędzierski M., 2019. Zaczyny cementowe z dodatkiem nanokomponentów do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w otworach wiertniczych o głębokości końcowej około 1000–2000 metrów. Nafta-Gaz, 75(11): 674–682. DOI: 10.18668/NG.2019.11.02.
• Rzepka M., Kędzierski M., 2020. Możliwości zastosowania nanotlenku glinu w zaczynach cementowych przeznaczonych do uszczelniania rur okładzinowych w otworach wiertniczych. Nafta-Gaz, 76(1): 46–56. DOI: 10.18668/NG.2020.01.06.
• Such P., 2020. Magazynowanie wodoru w obiektach geologicznych. Nafta-Gaz, 76(11): 794–798. DOI: 10.18668/NG.2020.11.04.
• Tavares F., Rocha J.S., Calado V., 2013. Study of the Influence of Cement Slurry Composition in the Gas Migration. OTC Brasil, Rio de Janeiro, Brazil. DOI: 10.4043/24420-MS.
• Velayati A., Kazemzadeh E., Soltanian H., Tokhmechi B., 2015. Gas migration through cement slurries analysis: A comparative laboratory study. Internal Journal of Mining and Geo-Engineering, 49(2): 281–288. DOI: 10.22059/ijmge.2015.56113.
• Akty prawne i dokumenty normatywne
• Patent EP 1 939 264 B1 Low permeability cement systems for steam injection application z dnia 27.12.2006.
• Patent US 2015/0152314 A1 Cement Composition Comprising Nano-Platelets z dnia 4.06.2015.
• PN-EN ISO 10426-1:2010 Przemysł naftowy i gazowniczy – Cementy i materiały do cementowania otworów wiertniczych – Część 1: Specyfikacja.
• PN-EN ISO 10426-2:2006 Przemysł naftowy i gazowniczy – Cementy i materiały do cementowania otworów wiertniczych – Część 2: Badania cementów wiertniczych.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).