Zjawiska chemiczno-technologiczne zachodzące podczas wykonywania operacji zabiegu cementowania otworu w aspekcie wyznaczania obciążeń granicznych w procesie projektowania rur okładzinowych – część I

• Autorzy: Witek Wiesław , Rzepka Marcin

Warianty tytułu

EN

Chemical and technological phenomena occurring during cement operation of borehole in terms of determining the limit loads in casing design process

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Projektowanie otworów wiertniczych jest zagadnieniem kompleksowym i wielowymiarowym tak pod względem liczby kwestii jakie stoją do rozwiązania przed projektantem jak również pod względem wymogów w zakresie inżynierii mechanicznej, środowiskowej oraz bezpieczeństwa publicznego. W pierwszej części artykułu dokonano przeglądu i oceny zjawisk oraz procesów chemicznych (nie zawsze prawidłowo ocenianych) jakie zachodzą w trakcie sporządzania zaczynu cementowego oraz po jego wytłoczeniu w trak cie tworzenia się struktury żelowej cementu i kamienia cementowego. W wyniku skomplikowanego chemicznie przebiegu procesu wiązania zaczynu powstaje nowa struktura rura - kamień cementowy – skała, która w specyficzny sposób tworzy określony rodzaj obciążeń i naprężeń w przestrzeni pierścieniowej i w ten sposób wywiera wpływ na zmianę rozkładu ciśnienia hydrostatycznego. Tego rodzaju zjawiska opisane w części pierwszej artykułu pozwalają na zrozumienie metodycznego podejścia do procesu projektowania rur, w szczególności w aspekcie zgniatania i rozrywania rur o średnicy > 13 3/8” i cienkiej ściance (w IV reżimie obciążeń). Nie znaczy to, że wytrzymałość rur na rozrywanie nie jest istotną kwestią w projektowaniu rur, ale dotyczy to głównie otworów bardzo głębokich, natomiast zgniatanie i rozrywanie rur występuje w szczególnych (często nie przewidywanych) przypadkach pełnego lub częściowego opróżnienia dla małej głębokości posadowienia rur. Artykuł oparty jest na bogatej i cytowanej literaturze fachowej, jak również na licznych badaniach jakie prowadzi się w laboratoriach INIG-PIB Kraków w zakresie zaczynów cementowych i płuczek wiertniczych, a ponadto na stosownych doświadczeniach autorów artykułu, tak w zakresie projektowania zaczynów i nadzoru wykonania zabiegów cementowania, jak również projektowania i nadzoru prac związanych z realizacją wiercenia otworu w tym za puszczania i cementowania rur.

EN

Drilling hole design is a complex issue and multidimensional in terms of the number of issues to be resolved in terms of mechanical, environmental and public safety engineering requirements. In the first part of the article there is a re view and evaluation of chemical phenomena and processes (not always correctly evaluated) that occur during the preparation of cement slurry and after its displacement during the formation of the gel structure of cement and cement sheath. As a result of the chemically complicated process of slurry gelation, a new structure is created i.e. – steel pipe- sheath (cement stone) - a rock which in a specific way produces a specific type of load and stress in the annular space, and thus influences the changes to hydrostatic pressure distribution. These types of phenomena described in the first part of the article allow to understand the methodical approach to the process of designing pipes, especially in the aspect of collapse and burst of pipes with big diameter > 13 3/8” and thin wall (in 4th load regime). This does not mean that the tension strength of pipes is not an important issue in pipe design, but it mainly concerns very deep holes, while collapse and burst of pipes occurs in special (often unforeseen) cases of full or par tial evacuation for shallow depth of the hole. Article is based on rich and quoted professional literature, as well as on numerous tests carried out in the INIG - PIB Krakow on different types cement slurries and drilling muds, and, moreover, on the relevant experience of the authors of the article, both in the field of slurry design and supervision of cement operations, as well as design and supervision of works related to drilling of the different types of the holes, including cement job and running casing.

Słowa kluczowe

PL

otwory wiertnicze; cement; hydratacja cementu; zaczyn cementowy

EN

drilling holes; cement; cement hydration

• Wydawca: Stowarzyszenie Naukowo-Techniczne Inżynierów i Techników Przemysłu Naftowego i Gazowniczego
• Czasopismo: Wiadomości Naftowe i Gazownicze
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 24, Nr 10 (275)
• Strony: 4--14
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Witek Wiesław

autor

Rzepka Marcin

Bibliografia

• 1. Cooke C.E. Field Measurements of Annular Pressure and Temperature During Primary Cementing. https://doi.org/10.2118/11206- -PA, SPE-11206-PA, Aug. 1983.
• 2. Cooke C.E. Annular Pressure and Temperature Measurements Diagnose Cementing Operations, https://doi.org/10.2118/11416- PA, SPE-11416-PA, Dec. 1984.
• 3. Dębińska E. Wyznaczanie statycznej wytrzymałości strukturalnej i wczesnej wytrzymałości mechanicznej zaczynów cementowych, Nafta-Gaz, 2013 nr 2 s. 134-142.
• 4. Kurdowski W. Chemia cementu i betonu, Wydawnictwo Polski Cement i Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2010.
• 5. Kurdowski W. Cement and concrete chemistry.; Springer Science & Business: New York. 2014.
• 6. Levine D. C., Thomas E. W., Bezner H. P., Talle G. C.: Annular Gas Flow After Cement ing: A Look at Practical Solutions. Paper SPE 8255, 1979.
• 7. Morgan D.R. Field Measurement of Strain and Temperature While Running and Cementing Casing, (Phillips Petroleum Co.), https://doi.org/10.2118/SPE-19552-MS, SPE-19552-MS, San Antonio, Texas, 1989.
• 8. Nelson E. B. Well Cementing, Schlumberger Educational Service, Houston, Teksas, USA, 1990.
• 9. Neville A. M. Właściwości betonu, Wydawnictwo Polski Cement Sp z.o.o. Kraków 2000.
• 10. Pour M. M., Moghadasi J., New Cement For mulation that Solves Gas Migration Problems in Iranian South Pars Field Condition, DOI: 10.2118/105663-MS, https://www. researchgate.net/publication/241787657_ New_Cement_Formulation_that_Solves_ Gas_Migration_Problems_in_Iranian_ South_Pars_Field_Condition, (dostęp 09.10.2020), March 2007.
• 11. Radecki S., Witek W. Dobór technik i technologii cementowania w aspekcie występowania migracji gazu, Nafta-Gaz, 2000, nr 9, s. 487 – 497.
• 12. Ridi F. Hydration of cement: Still a lot to be understood, Dipartimento di Chimica & CSGI Università di Firenze, La Chimica L’Industria, https://www.semanticscholar.org/paper/ HYDRATION-OF-CEMENT%3A-STILL-A-LOT TO-BE-UNDERSTOOD-Ridi/057c087d7949 ab2a8b6259a973db236372efefa7 (dostęp 09.20.2020), pp. 110-117, April 2010.
• 13. Rzepka M. i in. Cement slurries for sealing casing in boreholes with increased risk of gas migration Nafta-Gaz, 2019, no. 9, pp. 562–570, DOI: 10.18668/NG.2019.09.05.
• 14. Sabins F.L. Transition Time of Cement Slurries Between the Fluid and Set States, https://doi. org/10.2118/9285-PA, SPE-9285-PA, Dec. 1982.
• 15. Tinsley J.M. Study of Factors Causing Annular Gas Flow Following Primary Cementing, https://doi.org/10.2118/8257-PA, SPE 8257-PA, Aug. 1980. Akty prawne i normatywne
• 16. PN-EN ISO 10426-1 Przemysł naftowy i gazowniczy - Cementy i materiały do cementowania otworów. Część 1:Specyfikacja. Warszawa 2013.
• 17. PN-EN ISO 10426-2 Przemysł naftowy i gazowniczy - Cementy i materiały do cementowania otworów. Część 2: Badania cementów wiertniczych. Warszawa 2006.
• 18. PN-EN ISO 10426-6 Przemysł naftowy i gazowniczy - Cementy i materiały do cementowania otworów. Część 6: Metody określania statycznej wytrzymałości strukturalnej zaczynów cementowych, Warszawa 2012. Materiały zamieszczone w Internecie
• 19. Cement Sheath Evaluation - API Technical Report 10 TR1 Second Edition September 2008, https://global.ihs.com/doc_detail.cfm?document_name=API%20TR%20 10TR1&item_s_key=00237621 (dostęp 09.10.2020)
• 20. Directive 010: Minimum Casing Design Requirements Dec 22 2009 Eff. June 2013 Alberta Energy Regulator - Canada, https://www.scribd.com/document/381260963/Directive-010-Minimum-Casing-Design Requirements-June-20-2008-pdf, (dostęp 09.10.2020)
• 21. Isolating Potencial Flow Zones During Well Construction - API STANDARD 65 - Part 2 Reafirmed November 2016, https://www.api.org/~/media/Files/Policy/Exploration/Stnd_65_2_e2.pdf (dostęp 09.10.2020)