Opracowanie receptur zaczynów cementowych do uszczelniania otworów o podwyższonych temperaturach w rejonie Karpat

• Autorzy: Kut Łukasz

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2021.03.06

Warianty tytułu

EN

Development of cement slurries for sealing boreholes with elevated temperatures in the Carpathian region

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Prace związane z wykonywaniem otworu wiertniczego o dużej głębokości (przekraczającej 3000 m) muszą uwzględnić specyficzne warunki panujące na jego spodzie, tj. temperaturę przekraczającą 90°C oraz ciśnienie powyżej 60 MPa. Tak trudne warunki otworowe nieraz przysparzały wiele problemów w czasie opracowywania odpowiednich składów zaczynów cementowych stosowanych podczas uszczelniania kolumn rur okładzinowych. Z roku na rok firmy wiertnicze wykonują coraz głębsze i bardziej skomplikowane otwory, przekraczające 3000 m, które podczas uszczelniania kolumny rur okładzinowych wymagają zastosowania specjalnie opracowanych receptur zaczynów uszczelniających. W przypadku znacznej głębokości otworu (na której panuje bardzo wysoka temperatura i ciśnienie) poważnym problemem jest zapewnienie długiego czasu przetłaczania zaczynu cementowego, który powinien charakteryzować się niską lepkością, niewielkim lub zerowym odstojem wody oraz jak najniższą filtracją. Należy zatem dobierać odpowiednie środki opóźniające, które są odporne na działanie wysokich temperatur, oraz dodatki zapewniające właściwe parametry technologiczne zaczynu i kamienia cementowego. Wraz ze wzrostem głębokości otworu wiertniczego wzrastają również parametry ciśnienia i temperatury. Wody złożowe (solanki o różnej mineralizacji) w dużym stopniu oddziałują na stwardniały zaczyn cementowy, dlatego zaczyny cementowe przeznaczone do dużych głębokości powinny zawierać w swoim składzie dodatki: podnoszące odporność termiczną, opóźniające wiązanie, obniżające filtrację oraz poprawiające odporność na korozję chemiczną wywołaną działaniem solanek złożowych. Celem badań laboratoryjnych było opracowanie innowacyjnych receptur zaczynów cementowych do uszczelniania otworów o podwyższonych temperaturach (do około 130°C), zarówno naftowych, jak i geotermalnych, w rejonie Karpat. Podczas realizacji tego tematu wykonywano badania laboratoryjne zaczynów cementowych oraz otrzymanych z nich kamieni cementowych. W związku z zainteresowaniem przemysłu pozyskiwaniem energii z innych źródeł niż ropa naftowa i gaz ziemny szerszym zakresem badań laboratoryjnych objęte zostały zaczyny cementowe do uszczelniania otworów geotermalnych o regulowanych parametrach reologicznych, które mogą być użyte w wysokich temperaturach złożowych do uszczelniania głębokich otworów wiertniczych. 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 środek odpieniający, regulujący czas wiązania i gęstnienia, upłynniający i obniżający filtrację. Zaczyny cementowe sporządzono z dodatkiem lateksu w ilości 10% i stabilizatora lateksu w ilości 1% bwoc (oba składniki w stosunku do masy suchego cementu). Pozostałe składniki: mikrocement (nanocement), mikrosilikę, hematyt i cement mieszano ze sobą i wprowadzano następnie do wody zarobowej. Wszystkie zaczyny cementowe sporządzano na bazie cementu wiertniczego G. 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, filtrację, 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 badaniu: wytrzymałości na ściskanie, wytrzymałości na zginanie, przyczepności do rur stalowych oraz porowatości.

EN

Works related to the drilling of a deep borehole must take into account the specific conditions at its bottom. This applies especially to high temperatures, exceeding 90–100°C, and pressures of 60–80 MPa. Such difficult downhole conditions have often posed many problems when developing appropriate compositions of cement slurries used for sealing columns of casing pipes. With each passing year, drilling companies make deeper and more complicated boreholes, more and more often exceeding 3000 m, which require the use of specially developed recipes of cement slurries when sealing the casing column. In deep boreholes (with very high temperature and pressure), a serious problem is to ensure a long pumping time of the cement slurry, which should be characterized by low viscosity, little or no free water and the lowest filtration possible. Therefore, it is necessary to select appropriate retardants that are resistant to high temperatures and additives ensuring the appropriate technological parameters of the slurries and cement stone. Pressure and temperature parameters increase with the depth of the borehole. Reservoir waters (brines of different mineralization) largely affect the hardened cement slurry, therefore cement slurries intended for deep boreholes should contain in their composition additives that increase thermal resistance, delay setting, lower filtration and improve resistance to chemical corrosion caused by the action of brines reservoir. The aim of the laboratory research was to develop innovative formulas of cement slurries for sealing boreholes, both crude oil and geothermal, with increased temperatures (up to about 130°C) located in the Carpathian region. During the implementation of the topic, laboratory tests were carried out on both cement slurries and cement stones obtained from them. Due to the industry’s interest in acquiring energy from sources other than crude oil and natural gas, a broader scope of laboratory tests covered cement slurries for sealing geothermal boreholes with controlled rheological parameters, which can be used at high reservoir temperatures to seal deep boreholes. The cement slurries were prepared with 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 following agents were successively added to the mixing water: defoaming, adjusting the setting and thickening time, plasticizing and reducing filtration. Cement slurries were made with the addition of 10% latex and a latex stabilizer in the amount of 1% bwoc (both components in relation to the weight of dry cement). The other ingredients: microcement (nanocement), 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. When all components blended, the cement slurry was mixed for 30 minutes followed by laboratory measurements such as: density, fluidity, 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. Cement slurries were cured for 48 hours in an environment of high temperature and pressure (downhole conditions). The obtained cement stones were tested for: compressive strength, bending strength, porosity, adhesion of cement stone to steel pipes.

Słowa kluczowe

PL

zaczyn cementowy; otwór geotermalny; kamień cementowy; parametry reologiczne; parametry mechaniczne; parametry technologiczne

EN

cement slurry; geothermal well; cement stone; rheological parameters; mechanical parameters; technological parameters

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 77, nr 3
• Strony: 200--207
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz.

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, 4: 225–232.
• Hodne H., 2007. Rheological performance of cementitious materials used in well cementing. Faculty of Science and Technology Department of Petroleum Engineering, Stavanger.
• Kremieniewski M., 2012. Modyfikacja przestrzeni porowej kamieni cementowych. Nafta-Gaz, 3: 165–170.
• Kremieniewski M., 2013. Wpływ warunków hydratacji na strukturę przestrzenną kamieni cementowych. Nafta-Gaz, 1: 51–56.
• Kremieniewski M., Rzepka M., 2009. Wpływ procesu ogrzewania na reologię modyfikowanych zaczynów cementowych. Nafta-Gaz, 10: 775–781.
• Kut Ł., 2011. Wpływ mikrocementu na parametry zaczynu i kamienia cementowego. Nafta-Gaz, 12: 903–908.
• Machowski W., Machowski G., Białecka K., 2013. Ocena możliwości pracy dubletu geotermalnego na strukturze Wiśniowej koło Strzyżowa jako wynik modelowań dynamicznych. Technika Poszukiwań Geologicznych, 2: 95–104.
• Nalepa J., 2001. Problemy związane z cementowaniem głębokich otworów wiertniczych. Sympozjum Naukowo-Techniczne, Cementy w budownictwie, robotach wiertniczych i inżynieryjnych oraz hydrotechnice, Piła–Płotki.
• Rzepka M., 2010. Zaczyny cementowe do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w głębokich otworach wiertniczych w temperaturze dynamicznej do ok. 120°C. Nafta-Gaz, 4: 274–279.
• Rzepka M., Kątna Z., 2006. Zaczyny cementowe z dodatkiem mikrocementu do uszczelniania rur okładzinowych w warunkach wysokich temperatur i ciśnień złożowych. Nafta-Gaz, 7–8: 364–369.
• Rzepka M., Kremieniewski M., 2017. Zaczyny cementowe do uszczelniania głębokich otworów wiertniczych. Oil and Gas Engineering, Poltava National Technical University, 2: 43–56.
• Sokołowski J., 1999. Możliwości zagospodarowania wód geotermalnych w trzech prowincjach Europy północno-zachodniej i centralnej stykających się w rejonie Krakowa. Technika Poszukiwań Geologicznych, 4–5: 77–97.
• Akty prawne i dokumenty normatywne
• PN-EN ISO 10426-2 Przemysł naftowy i gazowniczy. Cementy i materiały do cementowania otworów wiertniczych. Część 2: Badania cementów wiertniczych.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).