Dobór materiałów wiążących w celu poprawy wytrzymałości kamieni cementowych z zaczynów emulsyjnych

• Autorzy: Kut Łukasz

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2020.03.02

Warianty tytułu

EN

Selection of binding materials to improve the mechanical strength of cement stones from emulsion slurry

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Technologia uszczelniania przestrzeni pierścieniowej pomiędzy kolumną rur okładzinowych a ścianą otworu wiertniczego oparta jest głównie na zaczynach cementowych lub cementowo-lateksowych na bazie wody słodkiej lub wody zasolonej. Takie zaczyny uszczelniające sprawdzają się podczas zabiegów cementacyjnych w otworach odwiercanych płuczką wodnodyspersyjną. Jednak coraz częściej otwory wiertnicze wykonywane są przy użyciu płuczki inwersyjnej (olejowodyspersyjnej), np. Kutno, Tyczyn, Kramarzówka. Płuczki te mogą być stosowane do wiercenia otworów w prawie każdych warunkach geologicznych. Użycie tego typu płuczki niesie wiele pozytywnych aspektów, jednak zdarzają się też negatywne. Jedną z niedogodności jest pozostawianie na ścianach otworu wiertniczego trudnego do usunięcia osadu, co w konsekwencji może mieć wpływ na nieskuteczne uszczelnienie kolumny rur okładzinowych. Obecność tego rodzaju płuczki wiertniczej i jej osadów w otworze podczas uszczelniania kolumny rur okładzinowych wymaga zastosowania specjalnie opracowanych zaczynów cementowych z dodatkiem oleju. Pierwsze próby sporządzenia zaczynów cementowych przygotowanych na bazie płynu woda w oleju wykazały, że nie jest to łatwe do osiągnięcia, ale jednak możliwe. Otrzymano zaczyny cementowe o dobrych parametrach reologicznych, natomiast parametry mechaniczne kamieni cementowych były niskie. Celem badań laboratoryjnych było więc opracowanie zaczynów cementowych sporządzonych na bazie różnych spoiw wiążących do uszczelniania kolumn rur okładzinowych po zastosowaniu płuczki inwersyjnej, z których można by uzyskać kamienie cementowe o podwyższonych parametrach wytrzymałościowych. Obecność oleju w składzie zaczynu cementowego może wpłynąć na jego większą kompatybilność z pozostawionymi na ścianach otworu osadami, a co za tym idzie – także na skuteczniejsze uszczelnienie przestrzeni pierścieniowej. Jako cieczy zarobowej użyto wody wodociągowej, do której dodawano kolejno: środek powierzchniowo czynny (SPC) oraz cement, mieszaninę cementów lub cementu z innym spoiwem. Po ujednorodnieniu mieszaniny dodawano do niej olej wymieszany z emulgatorem. Po połączeniu wszystkich składników zaczyn cementowy mieszano przez 30 minut, a następnie wykonywano pomiary laboratoryjne: gęstości, parametrów reologicznych, filtracji, czasu wiązania, elektrycznej stabilności emulsyjnej. Z wybranych zaczynów sporządzono próbki kamieni cementowych. Próbki te utwardzano i przetrzymywano w dwóch różnych temperaturach: 25°C oraz 120°C. Otrzymane kamienie cementowe poddano badaniu: wytrzymałości na ściskanie, przyczepności do rur stalowych, porowatości, przepuszczalności dla gazu. Badania wykazały, że zastosowanie cementów glinowo-wapniowych lub ich mieszanin z innym spoiwem wpłynęło pozytywnie na parametry technologiczne zaczynów i kamieni cementowych. Użycie tego rodzaju cementów i spoiw doprowadziło do obniżenia filtracji oraz wzrostu elektrycznej stabilności emulsyjnej zaczynów cementowych w porównaniu do powszechnie stosowanych cementów portlandzkich. Ujednorodnienie mieszaniny oraz wspólne łączenie się poszczególnych dodatków nie stwarzało większych trudności. Również otrzymane kamienie cementowe odznaczały się dobrymi parametrami mechanicznymi (Maghrabi et al., 2011; Dębińska, 2012; Kremieniewski, 2012, 2013; Vipulanandan i Krishnamoorti, 2013).

EN

Sealing technology during the sealing of the annular space between the casing column and the borehole wall mainly used cement slurries or latex cement slurries based on freshwater or brackish water. Such cement slurries work well during cementation operations in holes drilled with water-based drilling mud. In the oil industry, more and more often boreholes are drilled using inversion mud (oil-based mud), e.g. Kutno, Tyczyn, Kramarzówka. These muds can be used to drill holes in almost any geological conditions. The use of this type of mud has many advantages and benefits, however, there are also negative aspects. One of the disadvantages is the difficulty of removing mud cake on the walls of the borehole, which may affect the ineffective sealing of the casing column. The presence of this type of drilling mud and its filter cakes in the hole, when sealing the column of casing pipes, requires the use of specially developed cement slurries with the addition of oil. First attempts to prepare cement slurries based on liquid water-in-oil showed that this is not easy to achieve but not impossible. Cement slurries with good technological parameters were obtained, however, the mechanical parameters of cement stones were low. The aim of the presented research was to develop cement slurries based on various binders, used to seal the casing columns after the use of an invert emulsion drilling mud, from which we will obtain stones with increased strength parameters. The presence of oil in the composition of the cement slurry may affect its greater compatibility with mud cake on the walls of the borehole and more effective sealing of the annular space. The freshwater played the role of the slurry. The dispersant, surfactant, cement, a mixture of types of cement or cement with another binder were then added. The oil mixed with the emulsifier was added after homogenizing the mixture. Once all the components were combined, the cement slurry was mixed for 30 minutes and their technological parameters such as density, rheological parameters, filtration, setting time and electrical stability were examined. Cement stone test samples were prepared from selected cement slurries. These samples were cured and hydrated at two different temperatures: 25°C and 120°C. The compressive strength and adhesion to steel pipes tests, porosity and gas permeability were performed for the obtained cement stones. The tests showed that the use of calcium-aluminum types of cement or their mixtures with other binders had a positive effect on the technological parameters of the slurries and cement stones. The use of this type of cement and binders resulted in a decrease of filtration and an increase in the electrical emulsion stability of cement slurries compared to the Portland types of cement. The homogeneity of the mixture and the combination of additives did not pose major difficulties. The obtained cement stones had good mechanical parameters (Maghrabi et al., 2011; Dębińska, 2012; Kremieniewski, 2012, 2013; Vipulanandan and Krishnamoorti, 2013).

Słowa kluczowe

PL

zaczyn cementowy; zaczyn emulsyjny; emulsja typu W/O; płuczka inwersyjna; cement glinowo-wapniowy; kamień cementowy; parametry mechaniczne; parametry technologiczne

EN

cement slurry; emulsion slurry; W/O emulsion; invert emulsion drilling mud; calcium-aluminum cement; cement stone; mechanical parameters; technological parameters

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2020
• Tom: R. 76, nr 3
• Strony: 154--161
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz.

Twórcy

autor

Kut Łukasz

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Alford P., Anderson D., Bishop M., Goldwood D., Stouffer C., Watson E., Karonka M., Moore R., 2014. Novel Oil Based Mud Additive Decreases HTHP Fluid Loss and Enhances Stability. American Association of Drilling Engineers: AADE-14-FTCE-18.
• Demirdal B., Cunha J.C., 2007. Olefin Based Synthetic Drilling Fluids Volumetric Behavior Under Downhole Conditions. Society of Petroleum Engineers. DOI: 10.2118/108159-PA.
• Dębińska E., 2012. Ocena działania dodatków opóźniających czas wiązania zaczynów cementowych na podstawie badań laboratoryjnych. Nafta-Gaz, 4: 225–232.
• Fernandez J., Sharp K., Plummer D., 2014. Enhanced Fluid Viscosity Using Novel Surfactant Chemistry Purposely Designed for LowAromatic Mineral and Synthetic Base Fluids. American Association of Drilling Engineers: AADE-14-FTCE-15.
• Giergiczny Z., 2003. Cementy w ofercie handlowej Górażdże Cement S.A. Chorula, październik.
• Jasiński B., 2012. Badania nad zastosowaniem emulsji olejowo-wodnych jako cieczy roboczych o obniżonej gęstości. Nafta-Gaz, 12: 1155–1164.
• Kırca O., Yaman İ.Ö., Tokyay M., 2013. Compressive strength development of calcium aluminate. Cement and Concrete Composites, 35(1): 163–170. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2012.08.016.
• 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.
• Kurdowski W., 2010. Chemia cementu i betonu. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
• Kut Ł., 2011. Wpływ mikrocementu na parametry zaczynu i kamienia cementowego. Nafta-Gaz, 12: 903–908.
• Li Z., Cheng X., Zhang M., Wu X., Wu S., Wu D., Xiao Y., 2016. The Research and Application about Aluminate Cement Slurry in Heavy Oil Thermal Well. Society of Petroleum Engineers. DOI: 10.2118/182514-MS.
• Maghrabi S., Wagle V., Teke K., Kulkarni D., Kulkarni K., 2011. Low Plastic Viscosity Invert Emulsion Fluid System for HPHT Wells. American Association of Drilling Engineers: AADE-11-NTCE-15.
• Vipulanandan C., Krishnamoorti R., 2013. Smart cementing materials and drilling muds for real time monitoring of deepwater wellbore enhancement. CIGMAT University of Houston.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).