Rozszerzona metodyka doboru modelu reologicznego zaczynów cementowych stosowanych w wiertnictwie

• Autorzy: Skrzypaszek Krzysztof

Warianty tytułu

EN

Extended methodology for selecting rheological models of cement slurries used in drilling technology

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono rozszerzoną metodykę doboru modelu reologicznego zaczynów cementowych stosowanych w technologiach wiertniczych, bazującą na autorskiej procedurze Rheosolution. Standardowe modele reologiczne zalecane przez normy API (Binghama, Ostwalda de Waele oraz Herschela-Bulkleya) często okazują się niewystarczające do precyzyjnego odwzorowania zachowania współczesnych, chemicznie modyfikowanych zaczynów cementowych. W odpowiedzi na te ograniczenia zaproponowano wdrożenie zaawansowanego, nieliniowego modelu vom Berga, zawierającego funkcję odwrotnego sinusa hiperbolicznego (sinh⁻¹) dotychczas stosowanego głównie w przemyśle budowlanym. Celem przeprowadzonych badań było sprawdzenie skuteczności tego modelu w opisie zależności naprężeń stycznych w funkcji szybkości ścinania oraz porównanie wyników z klasycznym podejściem wg norm API. Przeprowadzono szczegółowe badania laboratoryjne pięciu modyfikowanych chemicznie zaczynów cementowych opartych na cemencie klasy G, różniących się współczynnikiem wodno-cementowym (w/c w zakresie od 0,40 do 0,60). Do badań zastosowano standardowy lepkościomierz rotacyjny typu Fann, a analiza danych oparta została o numeryczne metody regresji najmniejszych kwadratów oraz statystyczne kryteria jakości dopasowania (współczynnik korelacji liniowej Pearsona, test Fishera-Snedecora, suma kwadratów odchyleń). Uzyskane rezultaty jednoznacznie wykazały, że model vom Berga zapewnia najwyższą zgodność z danymi eksperymentalnymi (średni współczynnik korelacji Pearsona ~ 0,999), znacząco przewyższając dokładność tradycyjnie stosowanych modeli zalecanych przez API. Implementacja nowej metodyki w autorskim oprogramowaniu Rheosolution pozwala na dokładniejsze projektowanie i realizację zabiegów cementowania, zmniejszając ryzyko awarii technicznych oraz optymalizując koszty operacyjne. Zaprezentowane wyniki stanowią mocne uzasadnienie dla uwzględnienia modelu Vom Berga w przyszłych normatywnych rekomendacjach branżowych oraz sugerują konieczność dalszych badań w warunkach uwzględniających wpływ temperatury i ciśnienia.

EN

This article presents an extended methodology for selecting rheological models of cement slurries used in drilling technologies, based on the proprietary Rheosolution procedure. Standard rheological models recommended by API standards (Bingham, Ostwald de Waele, and Herschel-Bulkley) often prove insufficient for accurately describing the behavior of modern, chemically modified cement slurries. To address these limitations, the implementation of the advanced nonlinear vom Berg model, incorporating an inverse hyperbolic sine function (sinh‘l), is proposed. The purpose of the research was to evaluate the effectiveness of this model in describing the relationship between shear stress and shear rate and to compare these results with the classical API-standard approaches. Detailed 1a- boratory studies were conducted on five chemically modified cement slurries based on Class G cement, differing in their water-to-cement ratio (w/c ranging from 0.40 to 0.60). A standard Fann rotary viscometer was used for the experiments, and the data analysis employed numerical methods of least-squares regression and statistical criteria for fit quality assessment (Pearson linear correlation coefficient, Fisher-Snedecor test, sum of squared deviations). The obtained results clearly demonstrated that the vom Berg model provides the best conformity with experi- mental data (mean Pearson correlation coefficient exceeding 0.999), significantly outperforming the traditionally used API-recommended models. The implementation of this new methodology within the Rheosolution software enables more precise design and execution of cementing operations, thus reducing technical failure risks and optimizing operational costs. The presented results strongly justify incorporating the vom Berg model into future normative industry recommendations and suggest the necessity for further research considering temperature and pressure effects.

Słowa kluczowe

PL

reologia; wiertnictwo; zaczyn cementowy; cementowanie; RheoSolution; Vom Berg; Bingham; Herschel-Bulkley

EN

bakery oven; cyclothermic tunnel oven; energy recovery; energy efficiency

• Wydawca: KAPRINT
• Czasopismo: Rynek Energii
• Rocznik: 2025
• Tom: Nr 3
• Strony: 52--60
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Skrzypaszek Krzysztof

• Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

• https://orcid.org/0000-0003-2358-7361

Bibliografia

• [1] Nelson E.B., D. Guillot: Well Cementing, Schlumberger Educational Services, Texas 2006.
• [2] Bourgoyne A.T., K.K. Millheim, M.E. Chenevert, F.S. Young: Applied Drilling Engineering, SPE Text-book Series Vol. 2, SPE, Richardson 1986
• [3] Wiśniowski R., K. Skrzypaszek, T. Małachowski: Selection of a Suitable Rheological Model for Drilling Fluid Using Applied Numerical Methods, ,,Energies” 2020, 13(l2), s. 3192, DOI: 10.3390/en13123192
• [4] API Recommended Practice ZOB—2. Recommended Practice for Testing Well Cements, American Petroleum Institute, Waszyngton 2019.
• [5] API Recommended Practice I3B-I/13B—2. Recommended Practice for Field Testing Water-based Drilling * Fluids, American Petroleum Institute, Waszyngton 2019.
• [6] Mezger T.G.: The Rheology Handbook, Vincentz Network, Hannover 2006.
• [7] Chhabra R.P., J .F. Richardson: Non-Newtonian Flow and Applied Rheology, Butterworth-Heinemann, Oxford, 2008
• [8] Bird R.B., R.C. Armstrong, O. Hassager: Dynamics of Polymeric Liquids, Wiley—Interscience, Nowy Jork, 1987
• [9] Dvoynikov M.V., V.I. Nikitin, A.I. Kopteva: Analysis of Methodology for Selecting Rheological Model of Cement Slurry for Determining Technological Parameters of Well Casing, „International Journal of Engineering” 2024, 37(10), s. 2042—2050, DOI: 10.5829/ije.2024.37.10a.15.
• [10] Tariq Z., M. Murtaza, M. Mahmoud: Development of New Rheological Models for Class G Cement with Nanoclay as an Additive Using Machine Learning Techniques, „ACS Omega” 2020, 5(28), 3. 17646— 17657, DOI: 10.1021/acsomega.0c02122.
• [11] Bu Y., J. Du, S. Guo, H. Liu, C. Huang: Properties of Oil Well Cement with High Dosage of Metakaolin, „Construction and Building Materials” 2016, 112, s. 39—48, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.02.173.
• [12] de Paula J.N., J.M. Calixto, L.O. Ladeira, P. Ludvig, T.C.C. Souza, J.M. Rocha, A.A.V. de Melo: Mechanical and Rheological Behavior of Oil-Well Cement Slurries Produced with Clinker Containing Carbon Nanotubes, „Journal of Petroleum Science and Engineering” 2014, 122, s. 274—279, DOI: 10.1016/j.petrol.2014.07.020.
• [13] Wiśniowski R., K. Skrzypaszek, P. Toczek: Vom Berg and Hahn—Eyring Drilling Fluid Rheological Models, „Energies” 2022, 15(15), s. 5583, DOI: 10.3390/en15155583.
• [14] Strona internetowa Serwisu Płuczkowego PSPW Krosno -‘ https://pspw—krosno.com.pl/#oferta (dostęp 28.04.2025).
• [15] Montgomery D.C., G.C. Runger: Applied Statistics and Probability for Engineers, John Wiley & Sons, New York 2018.
• [16] Malik U.J., R.D. Riaz, S.U. Rehman, M. Usman, R.E. Riaz, R. Hamza: Advancing mix design prediction in 3D printed concrete: Predicting anisotropic compressive strength and slump flow, ,,Case Studies in Construction Materials” 2024, 21, e03510, DOI: 10.1016/j.cscm.2024.e03510.
• [17] Wang Z., J. Sun, K. Zhang, K. Lv, X. Huang, J. Wang, R. Wang, X. Meng: A Temperature-Sensitive Polymeric Rheology Modifier Used in Water-Based Drilling Fluid for Deepwater Drilling, ,,Gels” 2022, 8(6), s. 338, DOI: 10.3390/gels8060338.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki (2025).