Wpływ korozji węglanowej na szczelność kamieni cementowych w otworach przeznaczonych do sekwestracji

• Autorzy: Kut Łukasz

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2024.01.02

Warianty tytułu

EN

The influence of carbonate corrosion on the tightness of cement stones intended for sequestration wells

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Od kilku lat na całym świecie bardzo często poruszane są zagadnienia dotyczące emisji dwutlenku węgla do środowiska oraz problemów z tym związanych. Niektóre kraje postanowiły stanąć do walki i szukać sposobów na zmniejszenie ilości produkowanego dwutlenku węgla i ewentualnej możliwości jego bezpiecznego składowania. Zanieczyszczenie środowiska oraz wzrost emisji dwutlenku węgla do atmosfery stanowią obecnie główne problemy dotyczące gospodarki światowej, a w szczególności krajowej. Jednym ze sposobów składowania CO2 jest jego sekwestracja, czyli podziemne składowanie i deponowanie w strukturach geologicznych, między innymi w wyeksploatowanych złożach ropy i gazu oraz poziomach solankowych. Kolejnym sposobem może być zatłaczanie dwutlenku węgla do złoża ropy, co stanowi jedną z efektywniejszych metod wspomagania wydobycia. W naszym kraju na najbliższe lata planuje się wiercenia otworów przeznaczonych do sekwestracji dwutlenku węgla. Do cementowania tych otworów powinny być użyte zaczyny uszczelniające, które wykazują podwyższoną odporność na działanie CO2 oraz odpowiednio niskie porowatość i przepuszczalność. Przemysł naftowy w Polsce do uszczelniania kolumn rur okładzinowych stosuje konwencjonalne zaczyny cementowe na bazie cementu portlandzkiego A-42,5R lub wiertniczego „G” wraz z innymi składnikami regulującymi parametry zaczynów i stwardniałych zaczynów cementowych. Powszechnie stosowane w otworach wiertniczych zaczyny uszczelniające mogą ulegać korozji węglanowej, dlatego konieczne jest prowadzenie badań oraz analiza oddziaływania CO2 nie tylko na zmianę parametrów mechanicznych stwardniałych zaczynów, ale również na zmiany struktury porowej stwardniałych zaczynów i ich szczelności w czasie. Celem badań była analiza wpływu korozji węglanowej na zmianę struktury porowej oraz przepuszczalności dla gazu stwardniałych zaczynów cementowych w funkcji czasu ich sezonowania. Badaniom laboratoryjnym poddano stwardniałe zaczyny cementowe wykonane według receptur powszechnie stosowanych w przemyśle naftowym podczas uszczelniania kolumn rur okładzinowych w temperaturach od 60°C do 80°C. Próbki stwardniałych zaczynów cementowych przetrzymywano w wodzie wodociągowej i analogicznie sezonowano w wodzie nasyconej CO2 oraz poddawano badaniom po upływie założonego czasu. Analizowany był wpływ dwutlenku węgla na zmiany przepuszczalności dla gazu i porowatości stwardniałych zaczynów cementowych w funkcji czasu ich sezonowania. Przeprowadzone badania ukazały wpływ korozji węglanowej na strukturę stwardniałych zaczynów cementowych oraz na zmiany szczelności płaszcza cementowego w czasie oraz możliwości ich zastosowania w wyeksploatowanych złożach ropy i gazu przeznaczonych do składowania dwutlenku węgla. Z wybranych receptur zaczynów cementowych sporządzono próbki stwardniałych zaczynów cementowych. Zaczyny cementowe wiązały przez 48 godzin w ustalonej temperaturze i ciśnieniu (warunki otworopodobne). Otrzymane próbki stwardniałego zaczynu cementowego poddano badaniu porowatości oraz przepuszczalności dla gazu.

EN

For several years, discussions about carbon dioxide emissions and related environmental issues have been prevalent worldwide. Some countries have e committed to addressing this issue by seeking methods to reduce carbon dioxide production and ensure its safe storage. Environmental pollution and the increase in carbon dioxide emissions into the atmosphere are currently the main problems affecting not only the global economy, but domestic economies in particular. One of the methods of storing CO2 is sequestration, i.e., underground storage and depositing in geological structures, including depleted oil and gas reservoirs and aquifers. Another approach involves injecting carbon dioxide into oil reservoirs, which is considered one of more effective methods of enhancing oil recovery. In Poland, drilling boreholes for carbon dioxide sequestration is planned in the coming years. To cement these boreholes, sealing slurries that exhibit increased resistance to CO2, low porosity and permeability should be used. The oil industry in Poland uses conventional cement slurries based on Portland A-42.5R or class G oil-well cement, along with other ingredients that regulate the parameters of slurries and hardened cement slurries, to seal casing strings. Sealing slurries typically used in drilling boreholes may be susceptible to carbonate corrosion, therefore it is necessary to conduct research and analyze the impact of CO2 not only on changes in the mechanical parameters of hardened slurries but also in the pore structure of stones and their tightness over time. The aim of the research was to analyze the impact of carbonate corrosion on the change in the pore structure and gas permeability of hardened cement slurries as a function of their seasoning time. Laboratory tests were conducted on hardened cement slurries, prepared using compositions typically used in the petroleum industry for sealing casing strings at temperatures ranging from 60 to 80°C. Samples of hardened cement slurries were kept in tap water, while analogous samples were seasoned in CO2-saturated water and tested after specific periods. The influence of carbon dioxide on changes in gas permeability and porosity of hardened cement slurries as a function of their seasoning time was analyzed. The study revealed the impact of carbonate corrosion on the structure of hardened cement slurries and changes in the tightness of the cement sheath over time, as well as the possibility of their use in depleted oil and gas reservoirs intended for carbon dioxide storage. Samples of hardened cement slurries were prepared from selected cement slurry compositions. The slurries were allowed to set for 48 hours under controlled temperature and pressure conditions, simulating borehole environments. The obtained samples of hardened cement slurry were then tested for porosity and gas permeability.

Słowa kluczowe

PL

zaczyn cementowy; stwardniały zaczyn cementowy; parametry reologiczne; parametry technologiczne; dwutlenek węgla; otwory sekwestracyjne; porowatość; przepuszczalność

EN

cement slurry; hardened cement slurry; rheological parameters; technological parameters; carbon dioxide; sequestration; boreholes; porosity; permeability

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2024
• Tom: R. 80, nr 1
• Strony: 12--18
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys.

Twórcy

autor

Kut Łukasz

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Dębińska E., 2012. Ocena działania dodatków opóźniających czas wiązania zaczynów cementowych na podstawie badań laboratoryjnych. Nafta-Gaz, 68(4): 225–232.
• Kremieniewski M. (kierownik projektu), 2011. Badania porowatości stwardniałych zaczynów cementowych. Praca statutowa INiG – PIB, nr zlec. 0025/KW/2011. Archiwum Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego, Kraków.
• Kremieniewski M., Rzepka M., 2009. Wpływ procesu ogrzewania na reologię modyfikowanych zaczynów cementowych. Nafta-Gaz, 65(10): 775–781.
• Kurdowski W., 2010. Chemia cementu i betonu. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
• Kut Ł. (kierownik projektu), 2011. Opracowanie zaczynów cementowych o podwyższonej odporności na działanie CO2. Praca statutowa INiG – PIB, nr zlec. 0025/KW/2011. Archiwum Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego, Kraków.
• Lubaś J., Krępulec P., 2005. Polski przemysł naftowy pionierem sekwestracji CO2 w Europie. Konferencje i referaty, Szejk.
• Raczkowski J., Stryczek F., Fugiel K., Kraj Ł., Wilk S., 1978. Zaczyny do uszczelniania w otworach wiertniczych. Skrypty Uczelniane AGH, 612.
• Rzepka M., Kremieniewski M., 2017. Zaczyny cementowe do uszczelniania głębokich otworów wiertniczych. Oil and Gas Engineering, Poltava National Technical University, 2: 43–56.
• Rzepka M., Kątna Z., 2006. Zaczyny cementowe z dodatkiem mikrocementu do uszczelniania rur okładzinowych w warunkach wysokich temperatur i ciśnień złożowych. Nafta-Gaz, 62(7–8):364–369.
• Salam K.K., Arinkoola A.O, Ajagbe B.M, Sanni O., 2015. Modeling of rheological properties of class G cement slurry. Petroleum & Coal, 57(5): 447–465.
• Stryczek S., Gonet A., 2001. Wymagania odnośnie zaczynów uszczelniających stosowanych w technologiach wiertniczych. Sympozjum Naukowo-Techniczne „Cementy w budownictwie, robotach wiertniczych i inżynieryjnych oraz hydrotechnice”, Piła-Płotki.
• Sweatman R.E., Santra A., Kulakofsky D.S., Calvert D.G.J., 2009. Effective zonal isolation for CO2 sequestration wells. SPE International Conference on CO2 Capture, Storage, and Utilization, San Diego, California, USA. DOI: 10.2118/126226-MS.
• Tarkowski R., Stopa J., 2007. Szczelność struktury geologicznej przeznaczonej do podziemnego składowania dwutlenku węgla. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 23(1): 129–137.
• Uliasz-Bocheńczyk A. i in., 2012. Zaczyny cementowe w technologiach wiertniczych geologicznego składowania CO2. Wydawnictwo Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią, Kraków.
• Akty prawne i dokumenty normatywne
• PN-EN ISO 10426-1 Przemysł naftowy i gazowniczy – Cementy i materiały do cementowania otworów – Część 1: Specyfikacja.
• PN-EN ISO 10426-2 Przemysł naftowy i gazowniczy – Cementy i materiały do cementowania otworów – Część 2: Badania cementów wiertniczych.