Doskonalenie zaczynów cementowych przeznaczonych do uszczelniania głębokich otworów wiertniczych w celu poprawy ich parametrów mechanicznych

• Autorzy: Kut Łukasz , Kremieniewski Marcin

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2022.02.03

Warianty tytułu

EN

Improvement of cement slurries intended for sealing deep boreholes in order to improve their mechanical parameters

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Głęboki otwór wiertniczy podczas uszczelniania kolumny rur okładzinowych wymaga użycia specjalnie opracowanego zaczynu cementowego przystosowanego do specyficznych warunków panujących na dnie, tj. temperatury często przekraczającej 100°C oraz ciśnienia złożowego powyżej 60 MPa. Tak trudne warunki otworowe niejednokrotnie przysparzały wielu problemów w czasie opracowywania odpowiednich składów zaczynów cementowych wykorzystywanych podczas uszczelniania kolumn rur okładzinowych. Firmy wiertnicze wykonują coraz głębsze i bardziej skomplikowane otwory, przekraczające coraz częściej 3500 m, które podczas zabiegów cementowania wymagają zastosowania specjalnie opracowanych receptur zaczynów uszczelniających. Jednym z podstawowych problemów podczas zabiegów cementacyjnych w otworach o znacznej głębokości jest zapewnienie długiego czasu przetłaczania zaczynu cementowego, który ponadto powinien charakteryzować się dobrymi właściwościami reologicznymi, niewielkim lub zerowym odstojem wody oraz jak najniższą filtracją. Należy zatem dobierać odpowiednie domieszki opóźniające, odporne na działanie wysokich temperatur, oraz dodatki zapewniające właściwe parametry technologiczne świeżego i stwardniałego zaczynu cementowego. Wraz ze wzrostem głębokości otworu wiertniczego rosną również parametry ciśnienia i temperatury. W głębokich otworach wierconych poniżej 3500 metrów problem stanowią nie tylko wysoka temperatura i ciśnienie, ale również wody złożowe o różnej mineralizacji, które w dużym stopniu oddziałują na stwardniały zaczyn cementowy. Zaczyny cementowe przeznaczone do dużych głębokości powinny zawierać w swoim składzie dodatki lub/i domieszki: podnoszące odporność termiczną, opóźniające wiązanie, obniżające filtrację oraz poprawiające odporność na korozję chemiczną wywołaną działaniem solanek złożowych. Celem badań laboratoryjnych było doskonalenie obecnych oraz opracowanie innowacyjnych receptur zaczynów cementowych do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w otworach o temperaturze dennej 130°C – zarówno naftowych, jak i geotermalnych – w rejonie Karpat. Podczas realizacji tematu wykonywano badania laboratoryjne świeżych oraz stwardniałych zaczynów cementowych. Zaczyny cementowe zarabiano wodą wodociągową z dodatkiem chlorku potasu w ilości 3%, 6% i 10% bwow (w stosunku do ilości wody). Do wody zarobowej dodawano kolejno środki odpieniające, regulujące czas wiązania i gęstnienia, upłynniające i obniżające filtrację. Zaczyny cementowe sporządzono z dodatkiem lateksu w ilości 1–1,2% bwoc (w stosunku do masy suchego cementu). Dla poprawy parametrów mechanicznych zastosowano również dodatek nanorurek węglowych oraz grafenu. Pozostałe składniki – mikrosilikę, hematyt i cement – mieszano ze sobą i wprowadzano następnie do wody zarobowej. Wszystkie zaczyny cementowe sporządzano na bazie cementu wiertniczego G (PN-EN ISO 10426-2). Po połączeniu wszystkich składników zaczyn cementowy mieszano przez 30 minut, a następnie wykonywano pomiary laboratoryjne, takie jak: gęstość, rozlewność, odczyty z aparatu Fann, odstój wody, filtracja, czas gęstnienia. Z opracowanych zaczynów cementowych wybrano te o najlepszych parametrach reologicznych, następnie sporządzono z nich próbki kamieni cementowych. Zaczyny cementowe wiązały przez 48 h w środowisku wysokiej temperatury i ciśnienia (warunki otworopodobne). Otrzymane kamienie cementowe poddano badaniom: wytrzymałości na ściskanie, wytrzymałości na zginanie, przyczepności do rur stalowych, porowatości.

EN

When sealing a casing string, a deep borehole requires the use of a specially developed cement slurry adapted to the specific conditions at its bottom, i.e. temperature often exceeding 100°C and reservoir pressure above 60 MPa. Such difficult downhole conditions often caused many problems in the development of appropriate cement slurry compositions used for sealing casing strings. Drilling companies make deeper and more complicated boreholes, more and more often exceeding 3500 m, which during cementing procedures require the use of specially developed formulas of sealing slurries. During cementation procedures at boreholes of considerable depth, a serious problem is to ensure a long conveying time of the cement slurry, which, moreover, should be characterized by good rheological properties, little or no free water and the lowest possible filtration. Therefore, appropriate retardants that are resistant to high temperatures and additives ensuring the appropriate technological parameters of the cement slurry and stone should be selected. As the depth of the borehole increases, the pressure parameters and temperature also increase. Significant depths exceeding 3500 m are associated not only with high temperatures and pressures, but also with the presence of reservoir waters of various mineralization, which greatly affect the hardened cement slurry. Cement slurries intended for great depths should contain additives increasing thermal resistance, delaying setting, lowering filtration and improving resistance to chemical corrosion caused by the action of reservoir brines. The aim of the laboratory research was to improve current and to develop innovative formulas of cement slurries for sealing oil and geothermal boreholes with a bottomhole temperature of 130°C in the Carpathian region. Laboratory tests were carried out on both cement slurries and cement stones obtained from them. The cement slurries were made using tap water with the addition of potassium chloride in the amount of 3, 6 and 10% bwow (in relation to the amount of water). The defoaming agent was successively added to the mixing water, regulating the setting and thickening time, liquefying and reducing filtration. Cement slurries were made with the addition of 1–1.2% latex bwoc (in relation to the weight of dry cement). To improve the mechanical parameters, the addition of carbon nanotubes and graphene was also used. The other ingredients: microsilica, hematite and cement were mixed together and then added to the mixing water. All cement slurries were prepared on the basis of drilling cement G. After all components had been combined, the cement slurry was mixed for 30 minutes, followed by laboratory measurements such as: density, flow, readings from the Fann apparatus, water retention, filtration, thickening time. From among the developed cement slurries, those with the best rheological parameters were selected, then samples of cement stones were prepared from them and hardened for 48 hours in an environment of high temperature and pressure (borehole-like conditions). The obtained cement stones were tested for: compressive strength, bending strength, adhesion to steel pipes, porosity.

Słowa kluczowe

PL

zaczyn cementowy; otwór geotermalny; kamień cementowy; parametry reologiczne; parametry mechaniczne; parametry technologiczne

EN

cement slurry; geothermal well; cement stone; rheological parameters; mechanical parameters; technological parameters

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 78, nr 2
• Strony: 110--119
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz.

Twórcy

autor

Kut Łukasz

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Kremieniewski Marcin

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Dębińska E., 2012. Ocena działania dodatków opóźniających czas wiązania zaczynów cementowych na podstawie badań laboratoryjnych. Nafta-Gaz, 68(4): 225–232.
• Dobrzańska-Danikiewicz A., Łukowiec D., Cichocki D., Wolany W., 2015. Nanokompozyty złożone z nanorurek węglowych pokrytych nanokryształami metali szlachetnych. Open Access Library, Annal 5(2): 1–131.
• Hodne H., 2007. Rheological performance of cementitious materials used in well cementing. Faculty of Science and Technology Department of Petroleum Engineering, Stavanger.
• Kremieniewski M., 2012. Modyfikacja przestrzeni porowej kamieni cementowych. Nafta-Gaz, 68(3): 165–170.
• Kremieniewski M., 2013. Wpływ warunków hydratacji na strukturę przestrzenną kamieni cementowych. Nafta-Gaz, 69(1): 51–56.
• Kremieniewski M., Rzepka M., 2009. Wpływ procesu ogrzewania na reologię modyfikowanych zaczynów cementowych. Nafta-Gaz, 65(10):775–781.
• Kremieniewski M., Stryczek S., Wiśniowski R., Gonet A., 2016. Zmniejszanie porowatości stwardniałych zaczynów wiertniczych poprzez wprowadzenie dodatków drobnoziarnistych. Cement Wapno Beton, 5: 325–335.
• Kut Ł., 2011. Wpływ mikrocementu na parametry zaczynu i kamienia cementowego. Nafta-Gaz, 67(12): 903–908.
• Liu Y., Xie B., Zhang Z., Zheng Q., Xu Z., 2012. Mechanical properties of graphene papers. J. Mech. Phys. Solids, 60: 591–605.DOI.org/10.1016/j.jmps.2012.01.002.
• Machowski W., Machowski G., 2013. Ocena możliwości pracy dubletu geotermalnego na strukturze Wiśniowej koło Strzyżowa, jako wynik modelowań dynamicznych. Technika Poszukiwań Geologicznych Geotermia, Zrównoważony Rozwój, 52(2): 95–104.
• Nalepa J., 2001. Problemy związane z cementowaniem głębokich otworów wiertniczych. Sympozjum Naukowo-Techniczne „Cementy w budownictwie, robotach wiertniczych i inżynieryjnych oraz hydrotechnice”, Piła–Płotki: 95–103.
• Rzepka M., 2010. Zaczyny cementowe do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w głębokich otworach wiertniczych, w temperaturze dynamicznej do ok. 120°C. Nafta-Gaz, 66(4): 274–279.
• Rzepka M., Kątna Z., 2006. Zaczyny cementowe z dodatkiem mikrocementu do uszczelniania rur okładzinowych w warunkach wysokich temperatur i ciśnień złożowych. Nafta-Gaz, 62(7–8): 364–369.
• Rzepka M., Kremieniewski M., 2017. Zaczyny cementowe do uszczelniania głębokich otworów wiertniczych. Oil and Gas Engineering, Poltava National Technical University, 2: 43–56.
• Sokołowski J., 1999. Możliwości zagospodarowania wód geotermalnych w trzech prowincjach Europy północno-zachodniej i centralnej stykających się w rejonie Krakowa. Technika Poszukiwań Geologicznych, Geosynoptyka i Geotermia, 4–5: 77–97.
• Stryczek S., Wiśniowski R., Gonet A., Złotkowski A., Ziaja J., 2013. Wpływ superplastyfikatorów z grupy polikarboksylanów na właściwości reologiczne zaczynów cementowych stosowanych w technologiach wiertniczych. Archives of Mining Sciences, 58(3): 719–728.
• Akty prawne i dokumenty normatywne
• PN-EN ISO 10426-2:2006 Przemysł naftowy i gazowniczy. Cementy i materiały do cementowania otworów wiertniczych. Część 2: Badania cementów wiertniczych.