Badania procesu żelowania zaczynów cementowych przeznaczonych do uszczelniania otworów przewiercających płytkie poziomy gazonośne

• Autorzy: Rzepka Marcin , Kędzierski Miłosz

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2021.04.03

Warianty tytułu

EN

Research on the gelling process of cement slurries for sealing boreholes drilling through shallow gasbearing levels

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Niniejszy artykuł przedstawia zagadnienia z zakresu technologii zaczynów uszczelniających dotyczące tzw. procesów żelowania (tzn. narastania statycznej wytrzymałości strukturalnej zaczynów cementowych). Na podstawie badań prowadzonych na świecie można stwierdzić, że tempo żelowania zaczynu cementowego odgrywa istotną rolę w procesie przeciwdziałania ewentualnym ekshalacjom gazowym z przestrzeni pierścieniowej. Po wtłoczeniu zaczynu do otworu (zwłaszcza w strefach, w których występują płytko zalegające horyzonty gazowe) może dojść do tzw. migracji (ekshalacji) medium złożowego (tj. niekontrolowanego wypływu np. gazu z przestrzeni pierścieniowej otworu wiertniczego). Do najważniejszych przyczyn powstawania zjawiska migracji gazu z płytkich horyzontów po zabiegu cementowania rur zalicza się niezdolność do utrzymania określonego nadciśnienia przez kolumnę wiążącego zaczynu cementowego oraz zbyt długie wiązanie zaczynu cementowego po zatłoczeniu go do otworu. Zaczyn cementowy po wytłoczeniu poza rury okładzinowe, będący początkowo w stanie płynnym, działa jako ciecz, wywołując określone ciśnienie hydrostatyczne na złoże, np. gazowe. Jednakże po pewnym czasie rozpoczyna się okres budowy statycznej wytrzymałości strukturalnej (SGS, ang. static gel strength), aż do momentu związania cementu. Proces budowy SGS, czyli tzw. żelowania zaczynu cementowego, powoduje ograniczenie zdolności do transmisji (przekazywania) ciśnienia hydrostatycznego na złoże. W Instytucie Nafty i Gazu – Państwowym Instytucie Badawczym przetestowano szereg receptur zaczynów cementowych charakteryzujących się różnym czasem żelowania i wiązania. Zaczyny sporządzane były na bazie m.in.: trzech rodzajów lateksów (o symbolach L1, L2, L3), dwóch rodzajów szkła wodnego (o symbolach S1, S2), krzemionki bezpostaciowej (o symbolu CB), nanokomponentów na bazie n-SiO2 i n-Al2O3 (o symbolach NS i NA) oraz polimeru wielkocząsteczkowego (o symbolu GS). Do testowanych zaczynów stosowano przyspieszacz wiązania w różnych ilościach. Łącznie wykonano badania dla 18 receptur cementowych, co pozwoliło na wytypowanie optymalnych składów zaczynów o krótkich czasach żelowania i wiązania. Próbki zawierające w odpowiedniej koncentracji jeden z rodzajów lateksu, polimer GS, jak i te zawierające n-SiO2 i n-Al2O3 cechowały się bardzo korzystnym przebiegiem krzywej żelowania (narastania statycznej wytrzymałości strukturalnej). Ich czasy przejścia (TT, ang. transition time), odzwierciedlające przebieg żelowania, wynosiły od kilkunastu do kilkudziesięciu minut (co świadczy o ich wysokiej zdolności do zapobiegania migracji gazu z płytkich horyzontów produktywnych). Opracowane w INiG – PIB zaczyny cementowe, z uwagi na ich dobre parametry technologiczne, mogłyby znaleźć zastosowanie w procesie cementowania kolumn rur okładzinowych w otworach wiertniczych, zwłaszcza w przypadkach spodziewanego płytkiego zalegania poziomów gazonośnych.

EN

The article presents issues related to the sealing slurry technology concerning gelling processes (i.e., static built-up of gel strength of cement slurries). Based on research conducted around the world, it can be concluded that the rate of gelling of the cement slurry has an important role in the process of preventing possible gas exhalations from the annular space. After the cement slurry is pumped into the borehole (especially in zones with shallow gas horizons), the so-called migration (exhalation) of the formation medium (i.e. uncontrolled outflow of e.g. gas from the annular space) may occur. The most important caused of gas migration from the shallow horizons after casings cementation are the inability to maintain a certain overpressure by the column of the binding cement slurry and too long binding of the cement slurry after pumping into the borehole. The initially liquid cement slurry, when pumped out of the casing, acts as a liquid, creating a certain hydrostatic pressure on the deposit. e.g. gas. However, after some time, the period of building the static gel strength (SGS) starts until the cement sets. The SGS building process, i.e. gelling of the cement slurry, reduces the ability to transmit hydrostatic pressure to the reservoir. The Oil and Gas Institute – National Research Institute has tested a number of cement slurry formulations characterized by different gelling and bonding times. Slurries were made on the basis of three typed of latex with the symbols L1, L2, L3, two types of water glass with symbols S1, S2, amorphous silica with the symbol CB, nano-components based on n-SiO2 and n-Al2O3 with the symbols NS and NA as well as high-molecular weight polymer with the symbol GS. Different amounts of setting accelerator were used with the tested slurries. Tests were carried out for eighteen cement recipes, which made it possible to select the optimal compositions of slurries with short gelling and setting times. The samples containing one of the types of latex in the appropriate concentration, the GS polymer, as well as those containing n-SiO2 and n-Al2O3, showed a very advantageous course of the gelation plot (static build-up of gel strength). Their TT transition times, reflecting the course of gelation, ranged from several to several tens of minutes (which is a proof of high ability to prevent gas migration from shallow gas accumulations). The cement slurries developed at the Oil and Gas Institute – National Research Institute, due to their good technological parameters, could be used in the process of cementing casing strings.

Słowa kluczowe

PL

zaczyn cementowy; czas przejścia; migracja gazu; wiązanie cementu

EN

cement slurry; transition time; gas migration; cement setting

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 77, nr 4
• Strony: 235--243
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz.

Twórcy

autor

Rzepka Marcin

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Kędzierski Miłosz

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Literatura
• ASTM International, 2010. Standard Test Method for Time of Setting of Hydraulic Cement by Vicat Needle: <http://share.its.ac.id/pluginfile.php/19645/mod_folder/content/0/CON013_C191.pdf> (dostęp: 02.02.2018).
• Bybee K., 2005. Transition Time of Cement Slurries. J. Pet. Technol., 57(8): 45–70. DOI: 10.2118/0805-0045-JPT.
• Crook R., Heathman J., 1998. Predicting potential gas-flow rates to help determine the best cementing practices. Drilling Contractor, November–December: 40–43.
• Dębińska E., 2013. Wyznaczanie statycznej wytrzymałości strukturalnej i wczesnej wytrzymałości mechanicznej zaczynów cementowych. Nafta-Gaz, 2: 134–142.
• Kurdowski W., 2010. Chemia cementu i betonu. Wydawnictwo Naukowe PWN/Polski Cement, Warszawa.
• Kurdowski W., 2014. Cement and concrete chemistry. Springer Science & Business, New York.
• Mohammadi M., Moghadasi J., 2007. New cement formulation that solves gas migration problems in Iranian South Pars Field condition.
• SPE Middle East Oil and Gas Show and Conference, Manama, Bahrain. DOI: 10.2118/105663-MS.
• Neville A.M., 2000. Właściwości betonu. Wydawnictwo Polski Cement, Kraków.
• Radecki S., Witek W., 2000. Dobór technik i technologii cementowania w aspekcie występowania migracji gazu. Nafta-Gaz, 9: 487–497.
• Ridi F., 2010. Hydration of Cement: Still a Lot to Be Understood. Dipartimento di Chimica & CSGI Università di Firenze, La Chimica L’Industria, 3: 110–117.
• Rogers M.J., Dillenbeck R.L., Eid R.N., 2004. Transition Time of Cement Slurries, Definitions and Misconceptions, Related to Annular Fluid Migration. Society of Petroleum Engineers. DOI: 10.2118/90829-MS.
• Rzepka M., Kędzierski M., 2019. Zaczyny cementowe z dodatkiem nanokomponentów do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w otworach wiertniczych o głębokości końcowej około 1000–2000 metrów. Nafta-Gaz, 11: 674–682. DOI: 10.18668/NG.2019.11.02.
• Rzepka M., Kędzierski M., 2020. Możliwości zastosowania nanotlenku glinu w zaczynach cementowych przeznaczonych do uszczelniania rur okładzinowych w otworach wiertniczych. Nafta-Gaz, 1: 46–56. DOI: 10.18668/NG.2020.01.06.
• Rzepka M., Stryczek S., 2008. Laboratoryjne metody określania parametrów technologicznych świeżych zaczynów uszczelniających przed zabiegiem związanym z procesem uszczelniania kolumn rur okładzinowych w otworach wiertniczych. Wiertnictwo, Nafta, Gaz, 25(2): 625–636.
• Scott S.J., Adel A.A., Abdullah S.A., 2003. Gas migration after cementing greatly reduced. Society of Petroleum Engineers. DOI:10.2118/81414-MS.
• Stryczek S., Gonet A., 2001. Wymagania odnośnie zaczynów uszczelniających stosowanych w technologiach wiertniczych. Sympozjum
• Naukowo-Techniczne „Cementy w budownictwie, robotach wiertniczych i inżynieryjnych oraz hydrotechnice”, Piła-Płotki 23.05.2001. Materiały konferencyjne: 31–41.
• Velayati A., Kazemzadeh E., Soltanian H., Tokhmechi B., 2015. Gas migration through cement slurries analysis: A comparative laboratory study. Int. J. Min. & Geo-Eng., 49(2): 281–288. DOI: 10.22059/ijmge.2015.56113.
• Akty prawne i dokumenty normatywne
• PN-EN ISO 10426-2 Przemysł naftowy i gazowniczy. Cementy i materiały do cementowania otworów. Część 2: Badania cementów wiertniczych.
• PN-EN ISO 10426-6 Przemysł naftowy i gazowniczy. Cementy i materiały do cementowania otworów. Część 6: Metody określania statycznej wytrzymałości strukturalnej zaczynów cementowych.

Uwagi

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