Badania laboratoryjne przyczepności stwardniałych zaczynów cementowych z dodatkiem nanotlenku glinu do wybranych formacji skalnych

• Autorzy: Rzepka Marcin , Kędzierski Miłosz

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2022.01.03

Warianty tytułu

EN

Laboratory tests of adhesion of hardened cement slurries with an addition of aluminum nanoxide to various rock formation

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Artykuł przedstawia wyniki badań laboratoryjnych przyczepności zaczynów cementowych do trzech formacji skalnych, tj. rdzeni powstałych z piaskowca, mułowca oraz węgla kamiennego. Przygotowane rdzenie skalne (przed zalaniem zaczynem cementowym) poddawane były procesowi przemywania w różnych cieczach (prowadzono też badania dla tzw. rdzeni suchych). Do badań przyczepności wytypowano recepturę zaczynu cementowego zawierającą 1% nanotlenku glinu (n-Al2O3) oraz recepturę konwencjonalną (porównawczą, tj. bez udziału nanokomponentu). Badane zaczyny cementowe miały dobre parametry technologiczne, umożliwiające ich zastosowanie do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w otworach wiertniczych o temperaturze dynamicznej około 35°C oraz ciśnieniu około 15 MPa. Po wykonaniu szeregu badań laboratoryjnych stwierdzono, że zaczyn zawierający dodatek 1% n-Al2O3 w wyraźny sposób podnosił przyczepność kamienia cementowego do formacji skalnej. Uzyskane wartości przyczepności dla zaczynu z n-Al2O3 w porównaniu z wartościami otrzymanymi dla zaczynu konwencjonalnego są około 30–40% wyższe. Analizując przyczepność kamienia cementowego (z dodatkiem i bez dodatku nanokomponentu) do różnego rodzaju formacji skalnych, należy zaznaczyć, że: najwyższą przyczepność zanotowano w przypadku piaskowca, nieco niższą – mułowca (około 80–85% wartości przyczepności uzyskanej dla piaskowca), a najniższą – węgla (około 70–75% wartości przyczepności uzyskanej dla piaskowca). Zależność ta zachodzi w podobny sposób w przypadku rdzeni „suchych”, jak i przemytych płuczką, buforem oraz cieczą przemywającą. Należy podkreślić niezwykle istotną rolę odpowiedniego procesu przemywania otworu wiertniczego przed wykonaniem zabiegu cementowania rur okładzinowych. Zastosowanie samego buforu może okazać się niewystarczające. Dodatkowe użycie odpowiednio dobranej cieczy przemywającej pozwala skutecznie usunąć resztki osadu filtracyjnego pozostającego na powierzchni formacji skalnej po jej przewierceniu, co powinno znacznie poprawić stan zacementowania otworu wiertniczego.

EN

The article presents the results of laboratory tests of adhesion of cement slurries to three rock formations, i.e. sandstone, mudstone and hard coal cores. The prepared rock cores (before being poured over with cement slurry) were washed in various fluids (tests were also conducted for the so-called “dry” cores). The adhesion tests were carried out for two selected cement slurries recipes: cement slurry containing 1% aluminum nanoxide (n-Al2O3) and conventional cement slurry (comparative, i.e. without the addition of nanocomponents). The tested cement slurries had good technological parameters, enabling their use for sealing casing columns in boreholes with a dynamic temperature of approx. 35°C and a pressure of approx. 15 MPa. After a series of laboratory tests, it was found that the slurry containing the addition of 1% n-Al2O3 significantly increased the adhesion of the cement stone to the rock formation. The obtained values of adhesion for the n-Al2O3 slurry, compared to the values obtained for the conventional slurry, are about 30–40% higher. When analyzing the results of adhesion of cement stone (with and without the addition of a nanocomponent) to various types of rock formations, it is stated that the highest values of adhesion was obtained for sandstone, slightly lower for mudstone (about 80–85% of the adhesion value obtained for sandstone) and the lowest for coal (about 70–75% of the adhesion value obtained for sandstone). This dependence is similar in the case of “dry” cores and those washed with mud, spacer fluid and washing fluid. It should be emphasized that the proper process of washing the borehole is very important prior to cementing the casing. The use of a spacer fluid alone may not be sufficient. The additional use of a properly selected washing liquid increases the mud-cake removal efficiency, which should significantly improve the quality of borehole cementing.

Słowa kluczowe

PL

nanotlenek glinu; zaczyn cementowy; kamień cementowy; przyczepność; cement; skała

EN

nano aluminum oxide; cement slurry; cement stone; cement; formation; bonding

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 78, nr 1
• Strony: 22--30
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz.

Twórcy

autor

Rzepka Marcin

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Kędzierski Miłosz

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Al-Awad M.N.J., 1997. A Laboratory Study of Factors Affecting Primary Cement Sheath Strength. Journal of King Saud University – Engineering Sciences, 9(1): 113–127. DOI: 10.1016/S1018-3639(18)30670-6.
• Dębińska E., 2016. Wpływ nanotlenków glinu i cynku na parametry świeżego i stwardniałego zaczynu cementowego. Nafta-Gaz, 72(4): 251–261. DOI: 10.18668/NG.2016.04.04.
• Dębińska E., Rzepka 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.
• 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.
• Ladva H.K.J., Craster B., Jones T.G.J., Goldsmith G., Scott D., 2005. The Cement-to-Formation Interface in Zonal Isolation. SPE Drill & Compl., 20(03): 186–197. DOI: 10.2118/88016-PA.
• León N., Massana J., Alonso F., Moragues A, Sánchez-Espinosa A., 2014. Effect of nano-Si2O and nano-Al2O3 on cement mortars for use in agriculture and livestock production. Biosystems Engineering, 123: 1–11. DOI: 10.1016/j.biosystemseng.2014.04.009.
• Li Z., Wang H., He S., Lu Y., Wang M., 2006. Investigations on the preparation and mechanical properties of the nano-alumina reinforced cement composite. Materials Letters, 60(3): 356–359. DOI: 10.1016/j.matlet.2005.08.061.
• Nazari A., Riahi S., 2011. Al2O3 nanoparticles in concrete and different curing media. Energy and Buildings, 43(6): 1480–1488. DOI:10.1016/j.enbuild.2011.02.018.
• Opedal N., Todorovic J., Torsæter M., Vrålstad T., Mushtaq W., 2014. Experimental Study on the Cement-Formation Bonding. Society of Petroleum Engineers. DOI: 10.2118/168138-MS.
• Patil R., Deshpande A., 2012. Use of Nanomaterials in Cementing Applications. Society of Petroleum Engineers. DOI: 10.2118/155607-MS.
• Radonjic M., Oyibo A., 2014. Experimental Evaluation of Wellbore Cement-Formation Shear Bond Strength in Presence of Drilling Fluid Contamination. 5 th International Conference on Porous Media and Their Applications in Science, Engineering and Industry, Kona, Hawaii, USA. <https://dc.engconfintl.org/porous_media_V/17/> (dostęp: 05.09.2021).
• Rueda F., Heathman J., Serrano M., 2003. Hole Cleaning and Cement Design for Specific Formation Types. SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Denver, Colorado. DOI: 10.2118/84560-MS.
• 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.
• Santra A., Boul P.J., Pang X., 2012. Influence of Nanomaterials in Oilwell Cement Hydration and Mechanical Properties. SPE International Oilfield Nanotechnology Conference and Exhibition. DOI: 10.2118/156937-MS.
• Wilk K., Kasza P., Czupski M., 2014. Zastosowanie nanocieczy jako dodatków wspomagających proces wypierania ropy naftowej. Nafta-Gaz, 70(1): 14–20.
• Akty prawne i dokumenty normatywne
• PN-EN ISO 10426-1:2009 Przemysł naftowy i gazowniczy – Cementy i materiały do cementowania otworów – Część 1: Specyfikacja.
• PN-EN ISO 10426-2:2003 Przemysł naftowy i gazowniczy – Cementy i materiały do cementowania otworów wiertniczych – Część 2: Badania cementów wiertniczych.