Możliwości zastosowania nanotlenku glinu w zaczynach cementowych przeznaczonych do uszczelniania rur okładzinowych w otworach wiertniczych

• Autorzy: Rzepka Marcin , Kędzierski Miłosz

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2020.01.06

Warianty tytułu

EN

The possibility of using of nano aluminum oxide in cement slurries for sealing casing in boreholes

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule zamieszczono składy i wyniki badań receptur zaczynów cementowych zawierających od 1% do 5% nanotlenku glinu (n-Al2O3) przeznaczonych do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w otworach wiertniczych o temperaturach dynamicznych około 30°C oraz około 60°C. Receptury cementowe opracowane zostały w INiG – PIB w Laboratorium Zaczynów Uszczelniających. Zaczyny posiadały gęstość od około 1820 kg/m3 do około 1920 kg/m3 , a ich sporządzanie odbywało się na bazie cementu portlandzkiego CEM I 42,5 oraz wiertniczego klasy G. Czasy wiązania oraz gęstnienia zaczynów dobierane były odpowiednio do danych warunków geologicznotechnicznych. W przypadku zaczynów badanych w niższej temperaturze zwracano szczególną uwagę na proces żelowania i wiązania receptur. Parametry te odgrywają bowiem kluczową rolę w ograniczaniu ewentualnych migracji gazowych z płytkich horyzontów produktywnych. Starano się zatem tak je dobierać, aby proces żelowania i wiązania receptur przebiegał w odpowiednio krótkim czasie. Z kolei w wyższych temperaturach skupiano się na opracowaniu receptur o podwyższonej wytrzymałości mechanicznej, a co za tym idzie – szczelnej i zbitej mikrostrukturze. Opracowano receptury o bardzo dobrych parametrach technologicznych, które po utwardzaniu (po 28 dniach hydratacji) posiadały bardzo wysokie wartości wytrzymałości na ściskanie, dochodzące nawet do 40 MPa. Tak wysokie wartości wytrzymałości są niezwykle trudne do uzyskania w przypadku zastosowania zaczynów konwencjonalnych. Potwierdzeniem wyjątkowo trwałej mikrostruktury próbek zawierających n-Al2O3 są również fotografie próbek zaczynów wykonane za pomocą mikroskopii skaningowej. Obok fotografii bazowych kamieni cementowych, na których widać pory, przedstawiono obrazy mikroskopowe próbek z dodatkiem 3% n-Al2O3, na których obserwujemy zbitą matrycę cementową, cechującą się bardzo małą przepuszczalnością. Ponadto próbki kamieni cementowych uzyskane z zaczynów z n-Al2O3 charakteryzowały się bardzo niską zawartością porów kapilarnych. Zdecydowaną większość ogólnej ilości porów stanowiły pory o najmniejszych rozmiarach (poniżej 100 nm). Poprawa szczelności matrycy cementowej poprzez zredukowanie do wartości około 1,5% porów mogących transportować medium złożowe sprawia, że receptury zaczynów cementowych zawierających dodatek nanotlenku glinu mogą być z powodzeniem używane podczas uszczelniania kolumn rur okładzinowych w otworach wiertniczych wykonywanych na złożach węglowodorów.

EN

The article presents compositions and test results for cement slurries formulations containing from 1% to 5% of nano aluminum oxide (n-Al2O3) for sealing the casing columns in boreholes with dynamic temperatures of about 30°C and 60°C. Laboratory tests of cement slurries were carried out at Oil and Gas Institute - National Research Institute. The densities of tested slurries ranged from 1,820 to 1,920 kg/m3 , and were prepared on the basis of Portland cement CEM I 42,5 and class G oil well cement. Cement slurries had thickening times properly matched to given geological and technical conditions. For slurries tested at lower temperatures, particular attention was paid to the gelling and setting process of cement slurries. These parameters play a key role in limiting possible gas migrations from shallow gas accumulations. They were selected so that the gelling and setting process could be carried out in a sufficiently short time. At higher temperatures, the focus was on developing cement slurry formulations with increased mechanical strength and a tight and compact microstructure. Cement slurry formulations with very good technological parameters were developed, which after curing (after 28 days of hydration) had very high values of compressive strength, reaching up to 40 MPa. Such high compressive strength values are extremely difficult to obtain with conventional cement slurries. Scanning electron microscope images of cement samples also confirm extremely compact microstructure of the samples with nano-SiO2. In addition to the photographs of base cement stones, which show pores, microscopic images of samples with the addition of 3% n-Al2O3 are presented, where we observe a compact cement matrix with very low permeability. Furthermore, samples containing n-Al2O3 were characterized by a very low content of capillary pores. Pores of the smallest size (below 100 nm) constituted the vast majority of the total number of pores. Improvement of cement matrix tightness by reducing the amount of pores that can transport the reservoir medium to approx. 1.5% means that cement slurry formulas containing nano aluminum oxide can be successfully used in the process of cementing casing strings in boreholes.

Słowa kluczowe

PL

nanotlenek glinu; nano-Al2O3; zaczyn cementowy; kamień cementowy; wiązanie zaczynu; wytrzymałość mechaniczna

EN

nano aluminum oxide; nano-Al2O3; cement slurry; cement sheath; cement setting; mechanical strength

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2020
• Tom: R. 76, nr 1
• Strony: 46--56
• 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

• De La Roij R.., Egyed C., Lips J.P., 2012. Nano-Engineered Oil Well Cement Improves Flexibility and Increases Compressive Strength: A Laboratory Study. Society of Petroleum Engineers. DOI: 10.2118/156501-MS.
• Dębińska E., 2014. Wpływ nanokrzemionki na parametry mechaniczne kamienia cementowego. Nafta-Gaz, 4: 229–235.
• Dębińska E., 2015. Niekonwencjonalne zaczyny cementowe z dodatkiem nanokrzemionki. Nafta-Gaz, 5: 290–300.
• Dębińska E., Rzepka M., 2016. Nanocząsteczki – nowa droga w kształtowaniu parametrów świeżych i stwardniałych zaczynów cementowych. Nafta-Gaz, 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.
• Leon N., Massana J., Alonso F., Moragues A., Sanchez-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 H., Xiao H., Yuan J., Ou J., 2004. Microstructure of Cement Mortar with Nano-Particles. Composites Part B: Engineering, 35: 185–189. DOI: 10.1016/S1359-8368(03)00052-0.
• 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: 1480–1488. DOI:10.1016/j.enbuild.2011.02.018.
• Patil R., Deshpande A., 2012. Use of Nanomaterials in Cementing Applications. Society of Petroleum Engineers. DOI: 10.2118/155607-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., Kremieniewski M., Kędzierski M., 2019. Cement slurries for sealing casing in boreholes with increased risk of gas migration. Nafta-Gaz, 9: 562–570. DOI: 10.18668/NG.2019.09.05.
• Santra A., Boul P.J., Pang X., 2012. Influence of Nanomaterials in Oilwell Cement Hydration and Mechanical Properties. Society of Petroleum Engineers. DOI: 10.2118/156937-MS.
• Uliasz M., Zima G., Błaż S., Jasiński B., 2015. Ocena właściwości cieczy wiertniczych w aspekcie zapobiegania migracji gazu w otworach na przedgórzu Karpat. Nafta-Gaz, 1: 11–17.
• Wilk K., Kasza P., Czupski M., 2014. Zastosowanie nanocieczy jako dodatków wspomagających proces wypierania ropy naftowej. NaftaGaz, 1: 14–20.
• Akty prawne i 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.

Uwagi

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