Poprawa wczesnej wytrzymałości mechanicznej płaszcza cementowego z zaczynów lekkich

• Autorzy: Kremieniewski Marcin

Warianty tytułu

EN

Improvement of the early mechanical strength of the cement coat with lightweight slurries

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Efektywność uszczelnienia otworu wiertniczego jest w głównej mierze uzależniona od prawidłowo wykonanego zabiegu cementowania i odpowiednio zaprojektowanej receptury zaczynu cementowego. Jest to szczególnie istotne w przypadku zaczynów przeznaczonych do uszczelnienia kolumn rur okładzinowych posadowionych w rejonach niskiego ciśnienia złożowego lub w strefach chłonnych. Na przełomie ostatnich lat technologia cementowania nie uległa większym zmianom, jednak coraz większe wymagania dotyczące jakości uszczelnienia otworu wymusiły wprowadzanie innowacji w składach receptur zaczynów cementowych. Jest to widoczne w przypadku zaczynów o obniżonej gęstości, których stosowanie pozwala zmniejszyć wartość ciśnienia hydrostatycznego w czasie cementowania, dzięki czemu można zapobiec ucieczce cementu w strefy chłonne. Jednak opracowanie tego rodzaju zaczynu jest problematyczne ze względu na konieczność uzyskania wymaganej wytrzymałości po krótkim czasie wiązania. W początkowym okresie hydratacji płaszcz cementowy posiada niskie wartości parametrów mechanicznych i nabiera odpowiedniej wytrzymałości dopiero w późniejszym czasie wiązania. Obecnie widoczny jest trend do skracania czasu oczekiwania na pomiary geofizyczne po zatłoczeniu i związaniu cementu, co przede wszystkim dyktowane jest względami ekonomicznymi (skrócenie czasu oczekiwania na realizację kolejnych etapów wiercenia). Zbyt wczesne wykonanie pomiarów stanu zacementowania może skutkować uzyskaniem niemiarodajnego obrazu stanu zacementowania otworu. Ponadto płaszcz cementowy powstały z zaczynu lekkiego może ulec mikrodestrukcji podczas realizacji dalszych prac po cementowaniu, w efekcie czego mogą pojawić się mikroprzepływy mediów gazowych w przestrzeni pierścieniowej. Przedstawione w niniejszej pracy receptury zaczynów lekkich o podwyższonej wczesnej wytrzymałości mechanicznej charakteryzują się wysoką wartością wytrzymałości na ściskanie w początkowym okresie hydratacji, co przyczynia się zarówno do poprawy efektywności uszczelniania, jak również do uzyskania faktycznego obrazu stanu zacementowania podczas pomiarów geofizycznych, co było kwestią dyskusyjną podczas stosowania dotychczasowych receptur. W publikacji zaprezentowano wyniki badań nad poprawą i zwiększeniem wczesnej wytrzymałości mechanicznej płaszcza cementowego powstałego z lekkich zaczynów cementowych. W trakcie realizacji pracy wykorzystano zarówno dotychczas stosowane, jak i nowe dodatki i domieszki pozwalające na skrócenie czasu hydratacji zaczynu oraz na wzrost wczesnej wytrzymałości mechanicznej tworzącego się płaszcza cementowego. Badania czasu wiązania i wczesnej wytrzymałości mechanicznej otrzymanego stwardniałego zaczynu cementowego przeprowadzono dla zaczynów przeznaczonych do stosowania w określonych warunkach otworowych. Wykonano również badania parametrów świeżego zaczynu, które wpływają na efektywność uszczelniania kolumn rur okładzinowych. Opracowano grupę nowych receptur zaczynów lekkich, charakteryzujących się podwyższonymi wartościami wytrzymałości mechanicznej po krótkim czasie wiązania. Dzięki temu możliwe jest prowadzenie pomiarów geofizycznych po znacznie krótszym czasie niezbędnym do związania zaczynu, przy jednoczesnym utrzymaniu na wymaganym poziomie pozostałych parametrów technologicznych, co przyczynia się do poprawy stanu uszczelnienia otworu wiertniczego.

EN

The effectiveness of sealing the borehole is mainly dependent on properly carried out cementing and a properly designed cement slurry recipe. This is particularly important in the case of slurries intended for sealing columns of casing pipes mounted in areas of low reservoir pressure or in absorbent zones. Cement technology hasn’t changed much in recent years, but the increasing demand for borehole seal quality has forced the introduction of continuous innovations in cement slurry recipes. This is visible in the case of slurries with reduced density, the use of which reduces the value of hydrostatic pressure during cementation, so that cement slurry can escape into absorbent zones. However, the development of this type of cement slurry is problematic due to the need to obtain the required compressive strength after a short setting time. In the initial hydration period, the cement sheath has low mechanical parameters and acquires adequate strength only at a later setting time. Currently, there is a trend to shorten the waiting time for geophysical measurements after cement slurry crowding and setting, which is primarily dictated by economic considerations (shortening the waiting time for subsequent drilling stages). Too early cement bond logging may result in not obtaining a reliable picture of the cement state of the borehole. In addition, the cement sheath resulting from lightweight cement slurry may undergo micro-destruction during the implementation of further works after cementing, the result of which may be the occurrence of micro-flows of gaseous media through the cement sheath. The lightweight cement slurry recipes presented in the paper have an increased early mechanical strength and characterized by a high value of compressive strength in the initial hydration period, which contributes both to improving the sealing efficiency as well as to obtaining an actual picture of the cement state during geophysical measurements, which was a questionable issue when used existing recipes. The publication presents the results of research on improving and increasing the early mechanical strength of a cement sheath formed from lightweight cement slurries. During the implementation of the work, both previously used and new additions and admixtures were used, which allowed to reduce the hydration time of the cement slurry and to increase the early mechanical strength of the cement sheath. Tests for setting time and early mechanical strength of the obtained hardened cement slurry were carried out for slurries intended for use in specific well conditions. Tests for fresh cement slurry parameters that affect the sealing efficiency of the casing pipe columns were also carried out. A group of new lightweight cement slurry recipes was developed, characterized by increased values of mechanical strength after a short setting time. Thanks to this, it is possible to conduct geophysical measurements after a much shorter time necessary to bind the cement slurry, while maintaining the required level of other technological parameters, which helps to improve the sealing condition of the borehole.

Słowa kluczowe

PL

cementowanie otworu wiertniczego; zaczyn cementowy; zaczyn lekki; wczesna wytrzymałość na ściskanie; parametry mechaniczne; pomiar stanu cementowania

EN

well cementing; cement slurry; lightweight cement slurry; early compressive strength; mechanical parameters; cement bond logging

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu
• Rocznik: 2019
• Tom: nr 227
• Strony: 1--286
• Opis fizyczny: Bibliogr. 59 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Kremieniewski Marcin

Bibliografia

• [1] Barron A.R., 2010: Hydration of Portland Cement, http://cnx.org/content/ ml6447/latest/ (dostęp: 26.01.2010).
• [2] Barvinok M.S., Komokhov P.S., Bondareva N.F., 1976: Effect of Temperature and Additives on the Early Hardening Stage. Proc. Sixth Intl. Congr. Chem. Cement. Paris, s. 151-155.
• [3] Bensted J., 1978: Effect of Accelerator Additives on the Early Hydration of Portland Cement. II Cemento, s. 13-20.
• [4] Bentur A., Berger R.L., Kung J.H., Milestone N.B., Young J.F., 1979: Structural Properties of Calcium Silicate Pastes. II: Effect of Curing Temperature. J. Amer. Ceramic Soc., vol. 62. s. 362-366.
• [5] Carathers K„ Crook R„ 1987: Surface Pipe Cement Gives High Early Strength With New Cement Additive. Proc. South-Western Petroleum Short Course, Lubbock, TX, s. 12-19.
• [6] Collepardi M„ Marchese В., 1972: Morphology and Surface Properties of Hydrated Tricalcium Silicate Pastes. Cement and Concrete Res. vol. 2, no. 1, s. 57-65.
• [7] Crook R., Heathman J., 1998: Predicting potential gas-flow rates to help determine the best cementing practices. Drilling Contractor, vol. 11, no. 12, s. 40-43.
• [8] Dana J.D., Hurlbut C.S., Clain C., 1993: Manual of Mineralogy. International Edition, July 6.
• [9] Filipczyński L., Pawłowski Z., Wer J., 1959: Ultradźwiękowe metody badań materiałów. Państwowe Wydawnictwa Techniczne, Warszawa.
• [10] Habrat S., Raczkowski J., Zawada S., 1980: Technika i technologia cementowań w wiertnictwie. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa.
• [11] Herman Z., 2005: Problemy migracji i ekshalacji gazu w odwiertach. Technicke univerzity, Ostrava, http://www.inig.pl/hercules/reports/ thirdyear/files/3WP2-3.3.pdf (dostęp: 16.08.2016).
• [12] Khatri D., 2013: Occidental Oil and Gas Corporation: Global Cementing Best Practices, http://dea-global.org/wp-content/uploads/2012/! 1/4.pdf (dostęp:.2019).
• [13] Krzemiany i glinokrzemiany. http://karnet.up.wroc.pl/~weber/krzem.htm (dostęp: 2019).
• [14] Jordan A., Pernites R., Albrighton L„ 2018: Low-density, lightweight cement tested as alternative to reduce lost circulation, achieve desired top of cement in long horizontal wells. Drilling Contactor, September/ October, s. 62-64.
• [15] Kondo R., Daimon M., Sakai E., 1978: Interaction Between Cement and Organic Poly electrolytes. II Cemento, vol. 75, no. 3, s. 225-229.
• [16] Kremieniewski M., 2011: Proces migracji gazu w trakcie wiązania zaczynu cementowego. Nafta-Gaz, nr 3, s. 175-181.
• [17] Kremieniewski M., 2012: Modyfikacja przestrzeni porowej kamieni cementowych. Nafta-Gaz, nr 3, s. 165-170.
• [18] Kremieniewski M., 2014: Ocena przepuszczalności kamieni cementowych pod kątem ograniczenia migracji gazu. Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu - Państwowego Instytutu Badawczego nr 196, INiG - PIB, Kraków.
• [19] Kremieniewski M., Rzepka M., Stryczek S., Wiśniowski R., Kotwica Ł., Zlotkowski A., 2015: Korelacja przepuszczalności i parametrów opisujących strukturę stwardniałych zaczynów cementowych stosowanych do uszczelniania otworów w rejonie Basenu Pomorskiego. DOI: 10.18668/ NG2015.10.04. Nafta-Gaz, nr 10, s. 737-746.
• [20] Kremieniewski M., Rzepka M., 2016: Przyczyny i skutki przepływu gazu w zacementowanej przestrzeni pierścieniowej otworu wiertniczego oraz metody zapobiegania temu zjawisku. DOI: 10.18668/NG.2016.09.06. Nafta-Gaz, nr 9, s. 722-728.
• [21] Kremieniewski M., 2016: Ograniczenie ekshalacji gazu w otworach wiertniczych poprzez modyfikację receptur oraz kształtowanie się struktury stwardniałych zaczynów uszczelniających. Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu - Państwowego Instytutu Badawczego nr 199. INiG - PIB, Kraków.
• [22] Kremieniewski M., 2017: Poprawa stabilności sedymentacyjnej zaczynów cementowych. Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego nr 216. INiG - PIB, Kraków.
• [23] Kremieniewski M., 2017b: Poprawa stabilności sedymentacyjnej zaczynu cementowego. DOI: 10.18668/NG.2017.04.04. Nafta-Gaz, nr 4, s. 242-249.
• [24] Kremieniewski M., Rzepka M„ 2017: Celowość prowadzenia prac badawczych nad nowymi środkami obniżającymi filtrację zaczynów cementowych. DOI: 10.18668/NG.2017.08.05. Nafta-Gaz, nr 8, s. 583-590.
• [25] Kremieniewski M., Rzepka M., 2018: Poprawa szczelności płaszcza cementowego za pomocą innowacyjnych dodatków antymigracyjnych. DOI:10.18668/NG.2018.06.06. Nafta-Gaz, nr 6, s. 8-15.
• [26] Kremieniewski M., 2018: Poprawa wczesnej wytrzymałości mechanicznej płaszcza cementowego powstałego z zaczynu lekkiego. DOI: 10.18668/NG.2018.08.06. Nafta Gaz, nr 8, s. 599-605.
• [27] Kunert A., Zaborski M., 2006: Budowa, właściwości i zastosowanie minerałów warstwowych. Przemysł Chemiczny 85/11, s. 1510-1517
• [28] Kurczyk H.G., Schwiete H.E., 1960: Elektronenmikroskopische und Thermochemische Untersuchungen über die Hydration der Calciumsilikate 3Ca0 Si02 und ß-2Ca0 Si02 und den Einflub von Calciumchlorid und Gips auf den Hydrationsvorgang. Tonind-Zeit und Keramische Rundsch, Nr 24, s. 585-597.
• [29] Kurdowski W., 2010: Chemia cementu i betonu. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
• [30] Labibzadeh M., Zahabizadeh В., Khajehdezfuly A., 2010: Early-age compressive strength assessment of oil well class G cement due to borehole pressure and temperature changes. Journal of American Science, vol. 6, no. 7, s. 38-45.
• [31] Lea F.M., 1971: The Chemistry of Cement and Concrete. Chemical Publishing Co. Inc., New York.
• [32] Łukowski P., 2002: Nowe osiągnięcia w dziedzinie domieszek do betonu. Budownictwo Technologie Architektura, nr 1, s. 38.
• [33] Mammadbayli R., Greener J., 2006: Foamed cement successfully applied in shallow water environment in Caspian Sea. Drilling Contractor, vol. 9, no. 10, s. 64-69.
• [34] Michaux M., Fletcher P., Vidick В., 1989: Evolution at Early Hydration Times of the Chemical Composition of Liquid Phase on Oilwell Cement Pastes with and without Additives. I. Additive Free Cement Pastes. Cement and Concrete Res., vol. 19, no. 3, s. 443-456.
• [35] Murray S.J., 2009: Determination of strength and stiffness of calcium silicate hydrate using molecular dynamics, http://www.grin.com/en/doc/241967/ determination-of-strength-and-stiffness-of-calcium-silicate-hydrate- using (dostęp: 2009) https://search.proquest.com/openview/247545000 52da46ebe91 ЬеЗ 153da8502/1 ?pq-origsite=gscholar&cbl= 18750&diss=y (ograniczony dostęp 2019).
• [36] Nelson E.B. et al., 1990: Well Cementing. Schlumberger Educational Service, Houston, Texas, USA.
• [37] Older I., Skalny J., 1971: Influence of Calcium Chloride on Paste Hydration of Tricalcium Silicate. J. Amer. Ceramic Soc., no. 54, s. 362-363.
• [38] Oskarsen R.T., Wright J.W., Walzel D.,2010: Analysis of gas flow yields recommendations for best cementing practices. World Oil, no. 1, s. 33-39.
• [39] Pedam S.K., 2007: Determining the strength parameters of oil well cement. University of Texas at Austin, May.
• [40] Peng Y., Jacobsen S., 2013: Influence of water/cement ratio, admixtures and filler on sedimentation and bleeding of cement paste. Cement and Concrete Research, vol. 54, s. 133-142.
• [41] Pilkington P.E., 1988: Pressure Needed to Reduce Microannulus Effect on CBL. Oil and Gas J., s. 68-74.
• [42] Raczkowski J., Stryczek S., Fugiel K., Kraj Ł., Wilk S., 1978: Zaczyny do uszczelniania w otworach wiertniczych. Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków.
• [43] Radecki S., Witek W., 1999: Zapobieganie migracji gazu. Dobór technik i technologii cementowania. Nafta i Gaz, nr 4.
• [44] Rogers M.J., Dillenbeck R.L., Eid R.N., 2004: Transition Time of Cement Slurries, Definitions and Misconceptions, Related to Annular Fluid Migration. SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Houston, Texas, 26-29 September.
• [45] Sabins F.L. et al., 1999: Acoustic method for determining the static gel strength of a cement slurry. United States Patent no. 5992223, data wydania: 30.11.
• [46] Skalny J. Maycock J.N., 1975: Mechanisms of Acceleration by Calcium Chloride: A Review. J. Testing and Evaluation, no. 4, s. 303-311.
• [47] Slagle К. A., Carter L.G., 1959: Gilsonite - A Unique Additive for Oil-well Cements. Drill and Prod. API, s. 318-328.
• [48] Stryczek S., Gonet A., 2005: Kierunki ograniczania migracji gazu z przestrzeni pierścieniowej otworu wiertniczego. WUG, nr 3.
• [49] Stryczek S., Wiśniowski R., Gonet A., Ferens W., 2009: Parametry reologiczne świeżych zaczynów uszczelniających w zależności od czasu ich sporządzania. Wiertnictwo Nafta Gaz, tom 26, zeszyt 1-2, s. 369-382.
• [50] Stryczek S., Wiśniowski R., Gonet A., Złotkowski A., 2014: The influence of time of rheological parameters of fresh cement slurries. AGH Drilling, Oil, Gas, vol. 31, no. l,s. 123-132.
• [51] Stryczek S. i in., 2016: Studia nad doborem zaczynów uszczelniających w warunkach wierceń w basenie pomorskim. Wydawnictwo AGH, Kraków.
• [52] Stadelmann C., Wieker W., 1985: On the Influence of Inorganic Salts on the Hydration of Tricalcium Silicate. II Cemento, no. 4, s. 203-210.
• [53] Śliwiński A., 2001: Ultradźwięki i ich zastosowanie. WNT, Warszawa.
• [54] Tenoutsasse N., 1978: The Hydration Mechanism of CiA and CtS in the Presence of Calcium Chloride and Calcium Sulphate. Proc. Fifth Intl. Cong. Chem. Cement, Paris, pt. 2, s. 372-378.
• [55] Traetteberg A., Ramachandran V.S., Grattan-Bellew P.E., 1974: A Study of the Microstructure of Tricalcium Silicate in the Presence of Calcium Chloride. Cement and Concrete Res., vol. 4, no. 2, s. 203-221.
• [56] Wojtanowicz A.K., Manowski W., Nishikawa S., 2000: Final Report: Gas flow in wells after cementing. Louisiana State University, Louisiana.
• [57] Wu Z.Q., Young J.F., 1984: Formation of Calcium Hydroxide from Aqueous Suspensions of Tricalcium Silicate. J. Amer. Ceramic Soc., no. 67. s. 48-51.
• [58] Yariv S., Michaelian K.H., 2002: Organo-clay complexes and interactions (red. S. Yariv, H. Cross). Marcel Dekker, New York.
• [59] Young J.F., Berger R.L., Lawrence F.V. Jr., 1973: Studies on the Hydration of Tricalcium Silicate Pastes. III. Influence of Admixtures on Hydration and Strength Development. Cement and Concrete Res., vol. 3, no. 6, s. 689-700.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).