Zaczyny cementowe z dodatkiem nanorurek węglowych do uszczelniania otworów wiertniczych o wysokiej temperaturze i ciśnieniu złożowym (150C, 90 MPa)

• Autorzy: Kędzierski Miłosz , Rzepka Marcin

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2021.05.05

Warianty tytułu

EN

Cement slurries with the addition of carbon nanotubes for sealing boreholes with high temperature and reservoir pressure (150°C, 90 MPa)

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Artykuł przedstawia wyniki badań wpływu nanorurek węglowych (ang. carbon nanotubes – CNTs) na parametry technologiczne zaczynów i kamieni cementowych w warunkach bardzo wysokiej temperatury i ciśnienia (150C, 90 MPa). W badaniach zastosowano wielościenne nanorurki węglowe (ang. multi-walled carbon nanotubes – MWCNTs) o średnicy zewnętrznej 10–20 nm i długości 10–30 µm. Zaczyny cementowe zawierały 0,1% bwoc (tj. w stosunku do masy suchego cementu) nanorurek węglowych. Receptury cementowe opracowane zostały w INiG – PIB w Laboratorium Zaczynów Uszczelniających. Badania przeprowadzono w warunkach podwyższonego ciśnienia i temperatury: 150C i 90 MPa. Zaczyny sporządzono na osnowie cementu wiertniczego klasy G. Przy opracowywaniu receptur kierowano się wymaganiami, jakie powinien spełniać zaczyn cementowy użyty do cementowania rur okładzinowych w warunkach występowania wysokiej temperatury oraz ciśnienia złożowego. Zaczyny miały gęstość od około 1900 kg/m3 do około 2250 kg/m3 (zaczyn z dodatkiem hematytu). Na zaczynach cementowych wykonano badania gęstości, rozlewności, parametrów reologicznych, filtracji oraz czasu gęstnienia. Badania wytrzymałości na ściskanie i przyczepności do rur prowadzono po 2, 7, 14 i 28 dniach. Opracowano receptury o bardzo dobrych parametrach technologicznych, które po utwardzaniu (po 28 dniach hydratacji) osiągały wyjątkowo wysokie wartości wytrzymałości na ściskanie, nawet 45 MPa. Uzyskano również wysokie wartości przyczepności kamienia cementowego do rur – około 7 MPa po 28 dniach hydratacji. W wyniku przeprowadzonych badań zdobyto istotne informacje o możliwościach zastosowania nanorurek węglowych do modyfikacji zaczynów cementowych w warunkach bardzo wysokiej temperatury i ciśnienia. Przeprowadzone badania potwierdziły, że dodatek nawet niewielkich ilości CNTs poprawia parametry wytrzymałościowe kamienia cementowego w porównaniu z próbką bazową bez takiego dodatku, a także powoduje skrócenie czasu gęstnienia zaczynów cementowych oraz obniżenie filtracji. Ponadto dodatek nanorurek węglowych spowodował wzrost lepkości plastycznej i granicy płynięcia zaczynu cementowego. Sprawia to, że zaczyny z dodatkiem MWCNTs będą skuteczniej wypierać płuczkę z otworu wiertniczego i znacząco wpływać na jakość cementowania.

EN

The article presents the results of the influence of carbon nanotubes on the mechanical parameters of cement stones under high temperature and pressure conditions (150C, 90 MPa). The tests used multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) with an external diameter of 10–20 nm and a length of 10–30 μm. Cement slurries contained 0.1% of CNTs bwoc (by the weight of cement). Laboratory tests of cement slurries were carried out at the Oil and Gas Institute – National Research Institute. The tests were carried out under conditions of increased pressure and temperature at 150C, 90 MPa. Cement slurries were prepared on the basis of class G drilling cement. Developing recipes were guided by the requirements to be met by cement slurry for the cementing of casing in the conditions of high temperature and reservoir pressures. The densities of tested slurries ranged from 1900 kg/m3 to 2250 kg/m3 (slurries with the addition of hematite). The cement slurries were tested for density, fluidity, rheological parameters, filtration and thickening time. Compressive strength tests and measuring adhesion were carried out after 2, 7, 14 and 28 days. Cement slurry recipes with very good technological parameters were developed and after curing (after 28 days of hydration) had very high values of compressive strength, reaching up to 45 MPa. Cements were characterized by high values of adhesion to pipes reaching up 7 MPa after 28 days. The research showed significant information about possible applications of carbon nanotubes to modify the cement slurry under conditions of high temperature and pressure. The conducted tests confirmed that the addition of even small amounts of CNTs improves the mechanical parameters of the cement stone compared to the base sample without such addition, and also reduces the thickening time of cement slurries and reduces filtration. It is investigated that CNTs addition increases the viscosity and yield point of cement slurry. As a result, slurries with the addition of MWCNTs will more effectively displace the mud from the borehole and significantly affect the quality of cementation.

Słowa kluczowe

PL

nanorurki węglowe; kamień cementowy; wytrzymałość na ściskanie; zaczyn cementowy; czas gęstnienia

EN

carbon nanotubes (CNTs); cement stone; compressive strength; cement slurry; thickening time

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 77, nr 5
• Strony: 323--331
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz.

Twórcy

autor

Kędzierski Miłosz

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Rzepka Marcin

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Al-Saud T.S., Bin Hussain M.A.A., Batyanovskii E.I., Zhdanok S.A., Krauklis A.V., Samtsou P.P., 2011. Influence of carbon nanomaterials on the properties of cement and concrete. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 84(3): 546–553. DOI: 10.1007/s10891-011-0503-y.
• Anjos M.A.S., Martinelli A.E., Melo D.M.A., Renovato T., Souza P.D.P., Freitas J.C., 2013. Hydration of oil well cement containing sugarcane biomass waste as a function of curing temperature and pressure. Journal of Petroleum Science and Engineering, 109, 291–297.DOI: 10.1016/j.petrol.2013.08.016.
• Bensted J., 1991. Retardation of Cement Slurries to 250°F Offshore Europe Conference held Aberdeen, 3–6 September, SPE 23073.
• Chaipanich A., Nochaiya T., Wongkeo W., Torkittikul P., 2010. Compressive strength and microstructure of carbon nanotubes–fly ash cement composites. Materials Science and Engineering, 527(4): 1063–1067. DOI: 10.1016/j.msea.2009.09.039.
• Collins F., Lambert J., Duan W.H., 2012. The influence of admixtures on the dispersion, workability, and strength of carbon nanotube-OPC paste mixtures. Cement and Concrete Composites, 34: 201–207. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2011.09.013.
• 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., Kremieniewski 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.
• El-Gamal S.M.A., Hashem F.S., Amin M.S., 2017. Influence of carbon nanotubes, nanosilica and nanometakaolin on some morphologicalmechanical properties of oil well cement pastes subjected to elevated water curing temperature and regular room air curing temperature. Construction and Building Materials, 146, 531–546. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.04.124.
• Ershadi V., Ebadi T., Rabani A.R., Ershadi L., Soltanian H., 2011. The Effect of Nanosilica on Cement Matrix Permeability in Oil Well to Decrease the Pollution of Receptive Environment. International Journal of Environmental Science and Development, 2(2): 128–132. DOI: 10.7763/IJESD.2011.V2.109.
• Habrat S., Raczkowski J., Zawada S., 1980. Technika i technologia cementowań w wiertnictwie. Wydawnictwo Geologiczne, Warszawa.
• 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.
• Horszczaruk E., Mijowska E., Cendrowski K., Mijowska S., Sikora P., 2013. Wpływ nanokrzemionki o zróżnicowanej morfologii na właściwości mechaniczne zapraw cementowych. Cement Wapno Beton, 1: 24–32.
• Huang X., Qi Y., Boey F., Zhang H., 2012. Graphene based composites. Chemical Society Reviews, 41(2): 666–686. DOI:10.1039/c1cs15078b.
• Kędzierski M., Rzepka M., Kremieniewski M., 2020. Możliwości zastosowania nanorurek węglowych (CNTs) w technologii zaczynów cementowych. Nafta-Gaz, 2: 110–118. DOI: 10.18668/NG.2020.02.05.
• Khan W., Rahman M.K., Mahmoud M.A., Sarmah P., 2016. MWCNT for Enhancing Mechanical Properties of Oil Well Cement for HPHT Applications. Society of Petroleum Engineers. DOI: 10.2118/178175-MS.
• Konsta-Gdoutos M.S., Metaxa Z.S., Shah S.P., 2010. Multi-scale mechanical and fracture characteristics and early-age strain capacity of high performance carbon nanotube/cement nanocomposites. Cement and Concrete Composites, 32(2): 110–115. DOI:10.1016/j.cemconcomp.2009.10.007.
• Li G.Y., Wang P.M., Zhao X., 2005. Mechanical behavior and microstructure of cement composites incorporating surface-treated multiwalled carbon nanotubes. Carbon, 43(6): 1239–1245. DOI: 10.1016/j.carbon.2004.12.017.
• Li H., Xiao H., 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 X., Rafieepour S., Miska S.Z., Takach N.E., Ozbayoglu E., Tu M., Mata C., 2019. Carbon nanotubes reinforced lightweight cement testing under tri-axial loading conditions. Journal of Petroleum Science and Engineering, 174: 663–675. DOI: 10.1016/j.petrol.2018.11.077.
• Musso S., Tulliani J-M., Ferro G., Tagliaferro A., 2009. Influence of carbon nanotubes structure on the mechanical behavior of cement composites. Composites Science and Technology, 69(11–12): 1985–1990. DOI: 10.1016/j.compscitech.2009.05.002.
• Nasibulin A.G., Koltsova T., Nasibulina L.I., Anoshkin I.V., Semencha A., Tolochko O.V., Kauppinen E.I., 2013. A novel approach to composite preparation by direct synthesis of carbon nanomaterial on matrix or filler particles. Acta Materialia, 61(6): 1862–1871. DOI:10.1016/j.actamat.2012.12.007.
• 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.
• Nochaiya T., Chaipanich A., 2011. Behavior of multi-walled carbon nanotubes on the porosity and microstructure of cement-based materials. Applied Surface Science, 257(6): 1941–1945. DOI: 10.1016/j.apsusc.2010.09.030.
• Patil R., Deshpande A., 2012. Use of Nanomaterials in Cementing Applications. Society of Petroleum Engineers. DOI: 10.2118/155607-MS.
• Rahman M.K., Khan W.A., Mahmoud M.A., Sarmah P., 2016. MWCNT for Enhancing Mechanical and Thixotropic Properties of Cement for HPHT Applications. Offshore Technology Conference. DOI: 10.4043/26465-MS.
• Rahman M.K., Murtaza M., 2015. Effect of Nanoclay on Mechanical and Rheological Properties of Oil Well Cement Slurry under HPHT Environment. International Petroleum Technology Conference. DOI: 10.2523/IPTC-18989-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. The Use of Nanomaterials in Shaping the Properties of Cement Slurries Used in Drilling. Energies, 13(12): 3121. DOI: 10.3390/en13123121.
• 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.
• Santra A., Boul P.J., Pang X., 2012. Influence of Nanomaterials in Oilwell Cement Hydration and Mechanical Properties. SPE International Oilfield Nanotechnology Conference and Exhibition. DOI: 10.2118/156937-MS.
• Wang B., Han Y., Liu S., 2013. Effect of highly dispersed carbon nanotubes on the flexural toughness of cement-based composites. Construction and Building Materials, 46: 8–12. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2013.04.014.
• Akty prawne i dokumenty 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 (2021).