Badania statycznej wytrzymałości strukturalnej zaczynów cementowych o obniżonej gęstości przeznaczonych do uszczelniania otworów wiertniczych

• Autorzy: Rzepka Marcin , Kędzierski Miłosz

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG. 2022.03.04

Warianty tytułu

EN

Studies on static structural strength of reduced density cement slurries for sealing boreholes

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Prezentowany artykuł jest rozwinięciem zagadnień z zakresu technologii zaczynów uszczelniających dotyczących tzw. procesów żelowania (tj. narastania w zaczynach cementowych statycznej wytrzymałości strukturalnej w trakcie procesu wiązania). W zdecy- dowanej większości dotychczasowych publikacji w czasopismach naukowych i branżowych omawiano jedynie badania procesów żelowania zaczynów o tzw. normalnej gęstości, wynoszącej około 1800–1900 kg/m3 . W niniejszym artykule skoncentrowano się na zagadnieniu narastania statycznej wytrzymałości strukturalnej zaczynów cementowych, których gęstość kształtuje się na poziomie 1450–1600 kg/m3 . Analizując badania prowadzone na świecie należy podkreślić, że w procesie przeciwdziałania ewentualnym ekshalacjom gazowym z przestrzeni pierścieniowej tempo żelowania zaczynu cementowego odgrywa niezwykle istotną rolę. Dotyczy to zarówno zaczynów o normalnej, jak i o obniżonej gęstości. Po zabiegu wytłoczenia zaczynu poza rury okładzinowe znajduje się on początkowo w stanie płynnym i działa na złoże jako ciecz (poprzez wytworzone ciśnienie hydrostatyczne). Następnie po określonym czasie w zaczynie następuje budowa statycznej wytrzymałości strukturalnej SGS (ang. static gel strength), co powoduje stopniowy spadek ciśnienia hydrostatycznego. Proces ten trwa aż do momentu związania cementu. W Instytucie Nafty i Gazu – Państwowym Instytucie Badawczym opracowano szereg receptur innowacyjnych zaczynów cementowych o obniżonej gęstości, do których wprowadzono dodatki nanokomponentów oraz polimeru wielkocząsteczkowego. Gęstość zaczynów obniżano za pomocą dodatku różnych koncentracji mikrosfer. Receptury lekkich zaczynów, które zawierały w odpowiedniej koncentracji wielkocząsteczkowy polimer o symbolu GS, a także te zawierające nanokomponenty w postaci n-SiO2 i n-Al2O3 cechowały się bardzo korzystnym przebiegiem krzywej żelowania (tj. szybkim narastaniem statycznej wytrzymałości strukturalnej). Lekkie zaczyny cementowe o najkorzystniejszych parametrach, tj. krótkich czasach przejścia TT (ang. transition time), mogą znaleźć zastosowanie w procesie cementowania kolumn rur okładzinowych w otworach wiertniczych – zwłaszcza w warstwach słabo zwięzłych lub horyzontach o obniżonym gradiencie ciśnienia złożowego.

EN

The presented article is an extension of the issues in the field of sealing slurries technology related to the so-called gelling processes (i.e. the build-up of static structural strength in cement slurries during the setting process). The vast majority of papers published in scientific and trade journals discussed only the study of the gelling of slurries with the so-called “normal” density of around 1800–1900 kg/m3 . This article focuses on the issue of the build-up of static structural strength of cement slurries, the densities of which range from 1450–1600 kg/m3 . Based on research conducted around the world, it can be concluded that the rate of gelling of the cement slurry plays an important role in the process of preventing possible gas exhalations from the annular space. This is the case with both normal and reduced density of slurry. The initially liquid cement slurry, when pumped out of the casing, acts as a liquid, creating a certain hydrostatic pressure on the deposit. Then, after some time, the period of building the static gel strength (SGS) starts, causing a gradual drop in hydrostatic pressure. This process continues until the cement sets. The Oil and Gas Institute – National Research Institute has developed a number of innovative recipes for cement slurries with reduced density, with added nanocomponent and high-molecular weight polymer additives. The densities of the slurries were lowered with the addition of various amounts of microspheres. The formulas of light slurries containing the high-molecular weight polymer marked as GS in an appropriate concentration and those containing n-SiO2 and n-Al2O3 nanocomponents were characterized by a very advantageous course of the gelation plot (i.e. rapid static build-up of gel strength). Light cement slurries with the most advantageous parameters, i.e. short Transition Times (TT), can be used in the process of cementing casing columns in boreholes, especially in weakly compact layers or horizons with a reduced formation pressure gradient.

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: 2022
• Tom: R. 78, nr 3
• Strony: 197--207
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys.

Twórcy

autor

Rzepka Marcin

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Kędzierski Miłosz

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• 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, 69(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, 76(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, 75(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, 76(1): 46–56. DOI: 10.18668/NG.2020.01.06.
• Rzepka M., Kędzierski M., 2021. Badania procesu żelowania zaczynów cementowych przeznaczonych do uszczelniania otworów przewiercających płytkie poziomy gazonośne. Nafta-Gaz, 77(4): 235–243. DOI: 10.18668/NG.2021.04.03.
• 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. 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
• 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).
• 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 MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).