Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Badania zaczynów cementowych przeznaczonych do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w podziemnych magazynach wodoru w sczerpanych złożach węglowodorów

Rzepka Marcin, Kędzierski Miłosz

Nafta-Gaz

|

2023

|

R. 79, nr 4

244--251

PL

Prezentowany artykuł omawia zagadnienia dotyczące technologii zaczynów cementowych proponowanych do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w podziemnych magazynach wodoru w sczerpanych złożach węglowodorów. Do badań laboratoryjnych wytypowano dziesięć receptur zaczynów zawierających różne dodatki i domieszki (m.in. nanomateriały, tj. nano-SiO2, nano-Al2O3, lateksy, polimery wielkocząsteczkowe). Badania receptur prowadzono w temperaturze 60°C pod ciśnieniem 25 MPa, stosując w składach zaczynów domieszkę odpieniającą, upłynniającą, antyfiltracyjną oraz opóźniacz wiązania. Badania wykonywano na dwóch rodzajach cementów: portlandzkim CEM I 42,5 oraz wiertniczym klasy G. Określano parametry technologiczne świeżych i stwardniałych zaczynów cementowych, badając: gęstość, odstój wody (wolną wodę), reologię, czasy gęstnienia, a także wytrzymałość na ściskanie, porowatość oraz szczelność rdzeni cementowych względem wodoru. Płynne zaczyny cementowe posiadały prawidłowe parametry technologiczne (były dobrze przetłaczalne w warunkach HPHT, a ich gęstości wynosiły 1,80–1,91 g/cm3 ). Wytrzymałości na ściskanie stwardniałych zaczynów cementowych po okresie od 2 dni do 28 dni hydratacji, zwłaszcza w przypadku próbek z dodatkiem nanokomponentów, przyjmowały bardzo wysokie wartości (po 28 dniach przekraczając 40 MPa). Próbki kamieni cementowych posiadały bardzo niską zawartość porów kapilarnych, co ogranicza możliwość tworzenia się kanalików w płaszczu cementowym otworu wiertniczego. W większości próbek pory o najmniejszych rozmiarach (poniżej 100 nm) stanowiły zdecydowaną większość (powyżej 95–97%) ogólnej ilości porów występujących w matrycy cementowej. Najkorzystniejsze parametry technologiczne uzyskano w przypadku próbek zawierających nano-SiO2 (nanokrzemionkę), a optymalny współczynnik wodno-cementowy dla takich zaczynów kształtował się na poziomie około 0,46–0,48 – w zależności od rodzaju zastosowanego cementu. Najniższe wartości przenikalności dla wodoru zanotowano dla receptur zawierających nanokrzemionkę (nano-SiO2). Receptury o najlepszych parametrach technologicznych, zawierające nanokomponenty (po wykonaniu szczegółowych testów), będą mogły znaleźć zastosowanie podczas uszczelniania rur okładzinowych w otworach wierconych w celu magazynowania wodoru.

EN

The article presents issues related to the technology of cement slurries for sealing casing pipes in underground hydrogen storage facilities in depleted hydrocarbon reservoirs. Ten recipes of slurries containing various ingredients (including nanomaterials, i.e. nanoSiO2, nano-Al2O3, latexes, high-molecular polymers) were selected for laboratory tests. The tests were carried out at a temperature of 60°C and a pressure of 25 MPa, using defoaming, fluidizing, antifiltration admixtures and setting time retardant in the slurry compositions. The tests were carried out on two types of cement: Portland CEM I 42.5 and class G drilling cement. Technological parameters of fresh and hardened cement slurries were determined by examining the following: density, water retention (free water), rheology, thickening times as well as compressive strength, porosity and hydrogen tightness of cement cores. The liquid cement slurries had the correct technological parameters (they were well pumpable under HPHT conditions and their densities ranged from 1.80–1.91 g/cm3 ). The compressive strength of cement stones in the period from 2 days to 28 days of hydration, especially for samples with the addition of nanocomponents, was very high (after 28 days exceeding 40 MPa). The samples of cement stones had a very low content of capillary pores, which limits the possibility of forming channels in the cement sheath of the borehole. For most samples, the smallest pores (below 100 nm) accounted for the vast majority (over 95–97%) of the total number of pores in the cement matrix. The most favorable technological parameters were obtained for samples containing nano-SiO2 (nanosilica) and the optimal water-cement ratio for such slurries was around 0.46–0.48, depending on the type of cement used. The lowest hydrogen permeability values were obtained for formulations containing nanosilica (nano-SiO2). Recipes offering the best technological parameters, containing nanocomponents (after detailed tests), may be used when sealing casing pipes in holes drilled for hydrogen storage.

2

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

Kut Łukasz, Kremieniewski Marcin

Nafta-Gaz

|

2022

|

R. 78, nr 2

110--119

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.

3

Badania laboratoryjne przyczepności stwardniałych zaczynów cementowych z dodatkiem nanotlenku glinu do wybranych formacji skalnych

Rzepka Marcin, Kędzierski Miłosz

Nafta-Gaz

|

2022

|

R. 78, nr 1

22--30

PL

Artykuł przedstawia wyniki badań laboratoryjnych przyczepności zaczynów cementowych do trzech formacji skalnych, tj. rdzeni powstałych z piaskowca, mułowca oraz węgla kamiennego. Przygotowane rdzenie skalne (przed zalaniem zaczynem cementowym) poddawane były procesowi przemywania w różnych cieczach (prowadzono też badania dla tzw. rdzeni suchych). Do badań przyczepności wytypowano recepturę zaczynu cementowego zawierającą 1% nanotlenku glinu (n-Al2O3) oraz recepturę konwencjonalną (porównawczą, tj. bez udziału nanokomponentu). Badane zaczyny cementowe miały dobre parametry technologiczne, umożliwiające ich zastosowanie do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w otworach wiertniczych o temperaturze dynamicznej około 35°C oraz ciśnieniu około 15 MPa. Po wykonaniu szeregu badań laboratoryjnych stwierdzono, że zaczyn zawierający dodatek 1% n-Al2O3 w wyraźny sposób podnosił przyczepność kamienia cementowego do formacji skalnej. Uzyskane wartości przyczepności dla zaczynu z n-Al2O3 w porównaniu z wartościami otrzymanymi dla zaczynu konwencjonalnego są około 30–40% wyższe. Analizując przyczepność kamienia cementowego (z dodatkiem i bez dodatku nanokomponentu) do różnego rodzaju formacji skalnych, należy zaznaczyć, że: najwyższą przyczepność zanotowano w przypadku piaskowca, nieco niższą – mułowca (około 80–85% wartości przyczepności uzyskanej dla piaskowca), a najniższą – węgla (około 70–75% wartości przyczepności uzyskanej dla piaskowca). Zależność ta zachodzi w podobny sposób w przypadku rdzeni „suchych”, jak i przemytych płuczką, buforem oraz cieczą przemywającą. Należy podkreślić niezwykle istotną rolę odpowiedniego procesu przemywania otworu wiertniczego przed wykonaniem zabiegu cementowania rur okładzinowych. Zastosowanie samego buforu może okazać się niewystarczające. Dodatkowe użycie odpowiednio dobranej cieczy przemywającej pozwala skutecznie usunąć resztki osadu filtracyjnego pozostającego na powierzchni formacji skalnej po jej przewierceniu, co powinno znacznie poprawić stan zacementowania otworu wiertniczego.

EN

The article presents the results of laboratory tests of adhesion of cement slurries to three rock formations, i.e. sandstone, mudstone and hard coal cores. The prepared rock cores (before being poured over with cement slurry) were washed in various fluids (tests were also conducted for the so-called “dry” cores). The adhesion tests were carried out for two selected cement slurries recipes: cement slurry containing 1% aluminum nanoxide (n-Al2O3) and conventional cement slurry (comparative, i.e. without the addition of nanocomponents). The tested cement slurries had good technological parameters, enabling their use for sealing casing columns in boreholes with a dynamic temperature of approx. 35°C and a pressure of approx. 15 MPa. After a series of laboratory tests, it was found that the slurry containing the addition of 1% n-Al2O3 significantly increased the adhesion of the cement stone to the rock formation. The obtained values of adhesion for the n-Al2O3 slurry, compared to the values obtained for the conventional slurry, are about 30–40% higher. When analyzing the results of adhesion of cement stone (with and without the addition of a nanocomponent) to various types of rock formations, it is stated that the highest values of adhesion was obtained for sandstone, slightly lower for mudstone (about 80–85% of the adhesion value obtained for sandstone) and the lowest for coal (about 70–75% of the adhesion value obtained for sandstone). This dependence is similar in the case of “dry” cores and those washed with mud, spacer fluid and washing fluid. It should be emphasized that the proper process of washing the borehole is very important prior to cementing the casing. The use of a spacer fluid alone may not be sufficient. The additional use of a properly selected washing liquid increases the mud-cake removal efficiency, which should significantly improve the quality of borehole cementing.

4

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

Kędzierski Miłosz, Rzepka Marcin

Nafta-Gaz

|

2021

|

R. 77, nr 5

323--331

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.

5

Wpływ nanorurek węglowych (CNTs) na parametry mechaniczne kamieni cementowych w warunkach HPHT

Kędzierski Miłosz, Rzepka Marcin, Kremieniewski Marcin

Nafta-Gaz

|

2021

|

R. 77, nr 2

106--117

PL

Artykuł przedstawia wyniki badań wpływu nanorurek węglowych (CNTs) na parametry mechaniczne kamieni cementowych w warunkach HPHT. W badaniach zastosowano wielościenne nanorurki węglowe (MWCNTs) o średnicy zewnętrznej 10–20 nm i długości 10–30 µm. Do zaczynów dodawano 0,1% nanorurek węglowych. Receptury cementowe opracowane zostały w Laboratorium Zaczynów Uszczelniających Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego. Badania przeprowadzono w warunkach podwyższonego ciśnienia i temperatury w zakresie temperatur 60–130C i zakresie ciśnień 25–80 MPa. W przypadku temperatury 60C jako spoiwo wiążące zastosowano cement portlandzki CEM I 42,5R oraz cement wiertniczy G. Zaczyny dla temperatur od 80C do 130C sporządzono na osnowie cementu wiertniczego G. Przy opracowywaniu receptur kierowano się wymaganiami, jakie powinien spełniać zaczyn cementowy użyty do cementowania rur okładzinowych w warunkach występowania bardzo wysokich temperatur oraz ciśnień złożowych. Zaczyny po- siadały gęstość od około 1840 kg/m3 (zaczyny dla temperatury 60C) do około 2250 kg/m3 (zaczyny z dodatkiem hematytu). 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 okresie 28 dni hydratacji) posiadały bardzo wysokie wartości wytrzymałości na ściskanie, osiągające nawet do 44 MPa. Uzyskano również wysokie wartości przyczepności kamienia cementowego do rur, dochodzące do około 8 MPa po 28 dniach hydratacji, oraz wytrzymałości na zginanie, wynoszące około 11 MPa. Przeprowadzone badania ujawniają pozytywny wpływ dodatku nanorurek węglowych na wytrzymałość kamieni cementowych z ich dodatkiem. Zmodyfikowane w ten sposób kamienie charakteryzują się wysokimi wartościami wytrzymałości na ściskanie oraz wysokimi przyczepnościami do rur stalowych. Konieczne są jednak dalsze badania w kierunku określenia wpływu nanorurek węglowych na mikrostrukturę stwardniałych zaczynów cementowych. Niezbędne jest również kontynuowanie badań nad określeniem optymalnych ilości tych środków oraz doborem najbardziej kompatybilnych dodatków do zaczynów cementowych działających w sposób optymalny w połączeniu z nanocząsteczkami.

EN

The article presents the results of testing the influence of carbon nanotubes on the mechanical parameters of cement stones under HPHT conditions. Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) with an external diameter of 10–20 nm and a length of 10–30 μm were used for testing. 0.1% of carbon nanotubes was added to the cement slurry. Laboratory tests of cement slurries were carried out at Oil and Gas Institute – National Research Institute. The tests were carried out under conditions of increased pressure and temperature in the temperature range of 60–130C and the pressure range of 25–80 MPa. CEM I 42.5R Portland cement and Class G drilling cement were used to make the slurries at temperature of 60o C. Cement slurries for temperatures from 80o C to 130o C were prepared on the basis of class G drilling cement. The recipes were developed on the basis of the requirements to be met by cement slurry for the cementing of casing under conditions of very high temperatures and reservoir pressures. The densities of tested slurries ranged from 1,840 kg/m3 (slurries at a temperature of 60C) to 2.250 kg/m3 (slurries with the addition of hematite).Compressive strength tests and adhesion measurements were carried out after 2, 7, 14 and 28 days. Cement slurry recipes with very good technological parameters were developed, which after curing (after 28 days of hydration) showed very high values of compressive strength, reaching up to 44 MPa. Cements were characterized by high values of adhesion to pipes reaching up 8 MPa after 28 days and flexural strength of about 11 MPa. The test results show that the addition of carbon nanotubes has a positive effect on the mechanical strength of cement stones with their addition. The stones modified in this way are characterized by high compressive strength and high adhesion to steel pipes. Further research is needed to determine the influence of carbon nanotubes on the microstructure of hardened cement slurries. It is also necessary to conduct further research on the determination of the optimal amounts of these agents and the selection of the most compatible additives for cement slurries that work optimally in combination with nanoparticles.

6

Opracowanie receptur zaczynów cementowych do uszczelniania otworów o podwyższonych temperaturach w rejonie Karpat

Kut Łukasz

Nafta-Gaz

|

2021

|

R. 77, nr 3

200--207

PL

Prace związane z wykonywaniem otworu wiertniczego o dużej głębokości (przekraczającej 3000 m) muszą uwzględnić specyficzne warunki panujące na jego spodzie, tj. temperaturę przekraczającą 90°C oraz ciśnienie powyżej 60 MPa. Tak trudne warunki otworowe nieraz przysparzały wiele problemów w czasie opracowywania odpowiednich składów zaczynów cementowych stosowanych podczas uszczelniania kolumn rur okładzinowych. Z roku na rok firmy wiertnicze wykonują coraz głębsze i bardziej skomplikowane otwory, przekraczające 3000 m, które podczas uszczelniania kolumny rur okładzinowych wymagają zastosowania specjalnie opracowanych receptur zaczynów uszczelniających. W przypadku znacznej głębokości otworu (na której panuje bardzo wysoka temperatura i ciśnienie) poważnym problemem jest zapewnienie długiego czasu przetłaczania zaczynu cementowego, który powinien charakteryzować się niską lepkością, niewielkim lub zerowym odstojem wody oraz jak najniższą filtracją. Należy zatem dobierać odpowiednie środki opóźniające, które są odporne na działanie wysokich temperatur, oraz dodatki zapewniające właściwe parametry technologiczne zaczynu i kamienia cementowego. Wraz ze wzrostem głębokości otworu wiertniczego wzrastają również parametry ciśnienia i temperatury. Wody złożowe (solanki o różnej mineralizacji) w dużym stopniu oddziałują na stwardniały zaczyn cementowy, dlatego zaczyny cementowe przeznaczone do dużych głębokości powinny zawierać w swoim składzie dodatki: podnoszące odporność termiczną, opóźniające wiązanie, obniżające filtrację oraz poprawiające odporność na korozję chemiczną wywołaną działaniem solanek złożowych. Celem badań laboratoryjnych było opracowanie innowacyjnych receptur zaczynów cementowych do uszczelniania otworów o podwyższonych temperaturach (do około 130°C), zarówno naftowych, jak i geotermalnych, w rejonie Karpat. Podczas realizacji tego tematu wykonywano badania laboratoryjne zaczynów cementowych oraz otrzymanych z nich kamieni cementowych. W związku z zainteresowaniem przemysłu pozyskiwaniem energii z innych źródeł niż ropa naftowa i gaz ziemny szerszym zakresem badań laboratoryjnych objęte zostały zaczyny cementowe do uszczelniania otworów geotermalnych o regulowanych parametrach reologicznych, które mogą być użyte w wysokich temperaturach złożowych do uszczelniania głębokich otworów wiertniczych. 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 środek odpieniający, regulujący czas wiązania i gęstnienia, upłynniający i obniżający filtrację. Zaczyny cementowe sporządzono z dodatkiem lateksu w ilości 10% i stabilizatora lateksu w ilości 1% bwoc (oba składniki w stosunku do masy suchego cementu). Pozostałe składniki: mikrocement (nanocement), mikrosilikę, hematyt i cement mieszano ze sobą i wprowadzano następnie do wody zarobowej. Wszystkie zaczyny cementowe sporządzano na bazie cementu wiertniczego G. 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, filtrację, 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 badaniu: wytrzymałości na ściskanie, wytrzymałości na zginanie, przyczepności do rur stalowych oraz porowatości.

EN

Works related to the drilling of a deep borehole must take into account the specific conditions at its bottom. This applies especially to high temperatures, exceeding 90–100°C, and pressures of 60–80 MPa. Such difficult downhole conditions have often posed many problems when developing appropriate compositions of cement slurries used for sealing columns of casing pipes. With each passing year, drilling companies make deeper and more complicated boreholes, more and more often exceeding 3000 m, which require the use of specially developed recipes of cement slurries when sealing the casing column. In deep boreholes (with very high temperature and pressure), a serious problem is to ensure a long pumping time of the cement slurry, which should be characterized by low viscosity, little or no free water and the lowest filtration possible. Therefore, it is necessary to select appropriate retardants that are resistant to high temperatures and additives ensuring the appropriate technological parameters of the slurries and cement stone. Pressure and temperature parameters increase with the depth of the borehole. Reservoir waters (brines of different mineralization) largely affect the hardened cement slurry, therefore cement slurries intended for deep boreholes should contain in their composition additives that increase thermal resistance, delay setting, lower filtration and improve resistance to chemical corrosion caused by the action of brines reservoir. The aim of the laboratory research was to develop innovative formulas of cement slurries for sealing boreholes, both crude oil and geothermal, with increased temperatures (up to about 130°C) located in the Carpathian region. During the implementation of the topic, laboratory tests were carried out on both cement slurries and cement stones obtained from them. Due to the industry’s interest in acquiring energy from sources other than crude oil and natural gas, a broader scope of laboratory tests covered cement slurries for sealing geothermal boreholes with controlled rheological parameters, which can be used at high reservoir temperatures to seal deep boreholes. The cement slurries were prepared with 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 following agents were successively added to the mixing water: defoaming, adjusting the setting and thickening time, plasticizing and reducing filtration. Cement slurries were made with the addition of 10% latex and a latex stabilizer in the amount of 1% bwoc (both components in relation to the weight of dry cement). The other ingredients: microcement (nanocement), 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. When all components blended, the cement slurry was mixed for 30 minutes followed by laboratory measurements such as: density, fluidity, 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. Cement slurries were cured for 48 hours in an environment of high temperature and pressure (downhole conditions). The obtained cement stones were tested for: compressive strength, bending strength, porosity, adhesion of cement stone to steel pipes.

7

Możliwości zastosowania nanorurek węglowych (CNTs) w technologii zaczynów cementowych

Kędzierski Miłosz, Rzepka Marcin, Kremieniewski Marcin

Nafta-Gaz

|

2020

|

R. 76, nr 2

110--118

PL

Artykuł przedstawia wyniki badań wpływu nanorurek węglowych (CNTs) na parametry reologiczne zaczynu cementowego oraz mechaniczne kamienia cementowego. Do zaczynów dodawano 0,1% i 0,2% nanorurek węglowych. Receptury cementowe opracowane były w Instytucie Nafty i Gazu – Państwowym Instytucie Badawczym, w Laboratorium Zaczynów Uszczelniających. Zaczyny posiadały gęstość od około 1830 kg/m3 do około 1870 kg/m3 , a ich sporządzanie odbywało się na bazie cementu portlandzkiego CEM I 42,5. Badania wytrzymałości na ściskanie i przyczepności do rur prowadzono po 2, 7, 14 i 28 dniach, pomiar porowatości wykonano po 28 dniach hydratacji. Opracowano receptury o bardzo dobrych parametrach technologicznych, które po utwardzaniu (po okresie 28 dni hydratacji) posiadały bardzo wysokie wartości wytrzymałości na ściskanie, dochodzące nawet do 51 MPa (dla zaczynu z dodatkiem 0,1% nanorurek węglowych) oraz 36,8 MPa (dla zaczynu z dodatkiem 0,2% nanorurek węglowych). Tak wysokie wartości wytrzymałości są niezwykle trudne do uzyskania w przypadku zastosowania zaczynów konwencjonalnych. Optymalną ilością CNTs jest dodatek 0,1%. Po dodaniu 0,2% CNTs otrzymano niższe wartości wytrzymałości na ściskanie, co może być spowodowane niedostatecznym rozproszeniem nanocząsteczek w zaczynie. Uzyskano wysokie wartości przyczepności kamienia cementowego do rur oraz zaobserwowano zmniejszenie filtracji zaczynu w porównaniu z zaczynem bazowym. Otrzymane kamienie cementowe posiadały niską porowatość, a rozkład ich porów charakteryzował się niewielką ilością porów o średnicach powyżej 100 nm (średnio w granicach 1,3–2,8%), co świadczy o ich zwartej strukturze. W wyniku przeprowadzonych badań można zauważyć pozytywny wpływ dodatku nanorurek węglowych na wytrzymałość oraz mikrostrukturę kamieni cementowych z ich dodatkiem. Uzyskane wyniki umożliwiają określenie wpływu dodatku nanorurek węglowych na zaczyn i kamień cementowy i są wstępem do dalszych badań w tym kierunku.

EN

The article presents the results of testing the influence of carbon nanotubes on the mechanical and rheological properties of cement slurry and stone. 0.1 and 0.2% carbon nanotubes were added to the cement slurry. Laboratory tests of cement slurries were carried out at Oil and Gas Institute – National Research Institute. The densities of tested slurries ranged from 1830 to 1870 kg/m3 , and were prepared on the basis of CEM I 42.5 Portland cement. Compressive strength tests and adhesion measurements were carried out after 2, 7, 14 and 28 days, while porosity after 28 days. Cement slurry recipes with very good technological parameters were developed, with very high compressive strength values after curing (after 28 days of hydration), reaching up to 51 MPa (for slurry with the addition of 0.1% CNTs) and 36.8 MPa (for slurry with the addition of 0.2% CNTs). Such high compressive strength values are extremely difficult to obtain with conventional cement slurries. When 0.2% CNTs was added, lower compressive strength values were obtained, which may be due to difficulty in uniform distribution of large quantities of nanoparticles in the slurry. Cements were characterized by high values of adhesion to pipes and smaller fluid loss – compared to basic cement slurry. The obtained set cement slurries had low porosity and their pore distribution was characterized by a small number of pores with diameters greater than 100 nm, within the range of 1.3–2.8%, which prove their compact structure. As a result of the research, it can be stated that the addition of carbon nanotubes has a positive effect on the mechanical strength and microstructure of cement stones. The obtained results allow to determine the influence of carbon nanotubes on the cement slurry and stone and are initial research in this direction.

8

Dobór materiałów wiążących w celu poprawy wytrzymałości kamieni cementowych z zaczynów emulsyjnych

Kut Łukasz

Nafta-Gaz

|

2020

|

R. 76, nr 3

154--161

PL

Technologia uszczelniania przestrzeni pierścieniowej pomiędzy kolumną rur okładzinowych a ścianą otworu wiertniczego oparta jest głównie na zaczynach cementowych lub cementowo-lateksowych na bazie wody słodkiej lub wody zasolonej. Takie zaczyny uszczelniające sprawdzają się podczas zabiegów cementacyjnych w otworach odwiercanych płuczką wodnodyspersyjną. Jednak coraz częściej otwory wiertnicze wykonywane są przy użyciu płuczki inwersyjnej (olejowodyspersyjnej), np. Kutno, Tyczyn, Kramarzówka. Płuczki te mogą być stosowane do wiercenia otworów w prawie każdych warunkach geologicznych. Użycie tego typu płuczki niesie wiele pozytywnych aspektów, jednak zdarzają się też negatywne. Jedną z niedogodności jest pozostawianie na ścianach otworu wiertniczego trudnego do usunięcia osadu, co w konsekwencji może mieć wpływ na nieskuteczne uszczelnienie kolumny rur okładzinowych. Obecność tego rodzaju płuczki wiertniczej i jej osadów w otworze podczas uszczelniania kolumny rur okładzinowych wymaga zastosowania specjalnie opracowanych zaczynów cementowych z dodatkiem oleju. Pierwsze próby sporządzenia zaczynów cementowych przygotowanych na bazie płynu woda w oleju wykazały, że nie jest to łatwe do osiągnięcia, ale jednak możliwe. Otrzymano zaczyny cementowe o dobrych parametrach reologicznych, natomiast parametry mechaniczne kamieni cementowych były niskie. Celem badań laboratoryjnych było więc opracowanie zaczynów cementowych sporządzonych na bazie różnych spoiw wiążących do uszczelniania kolumn rur okładzinowych po zastosowaniu płuczki inwersyjnej, z których można by uzyskać kamienie cementowe o podwyższonych parametrach wytrzymałościowych. Obecność oleju w składzie zaczynu cementowego może wpłynąć na jego większą kompatybilność z pozostawionymi na ścianach otworu osadami, a co za tym idzie – także na skuteczniejsze uszczelnienie przestrzeni pierścieniowej. Jako cieczy zarobowej użyto wody wodociągowej, do której dodawano kolejno: środek powierzchniowo czynny (SPC) oraz cement, mieszaninę cementów lub cementu z innym spoiwem. Po ujednorodnieniu mieszaniny dodawano do niej olej wymieszany z emulgatorem. Po połączeniu wszystkich składników zaczyn cementowy mieszano przez 30 minut, a następnie wykonywano pomiary laboratoryjne: gęstości, parametrów reologicznych, filtracji, czasu wiązania, elektrycznej stabilności emulsyjnej. Z wybranych zaczynów sporządzono próbki kamieni cementowych. Próbki te utwardzano i przetrzymywano w dwóch różnych temperaturach: 25°C oraz 120°C. Otrzymane kamienie cementowe poddano badaniu: wytrzymałości na ściskanie, przyczepności do rur stalowych, porowatości, przepuszczalności dla gazu. Badania wykazały, że zastosowanie cementów glinowo-wapniowych lub ich mieszanin z innym spoiwem wpłynęło pozytywnie na parametry technologiczne zaczynów i kamieni cementowych. Użycie tego rodzaju cementów i spoiw doprowadziło do obniżenia filtracji oraz wzrostu elektrycznej stabilności emulsyjnej zaczynów cementowych w porównaniu do powszechnie stosowanych cementów portlandzkich. Ujednorodnienie mieszaniny oraz wspólne łączenie się poszczególnych dodatków nie stwarzało większych trudności. Również otrzymane kamienie cementowe odznaczały się dobrymi parametrami mechanicznymi (Maghrabi et al., 2011; Dębińska, 2012; Kremieniewski, 2012, 2013; Vipulanandan i Krishnamoorti, 2013).

EN

Sealing technology during the sealing of the annular space between the casing column and the borehole wall mainly used cement slurries or latex cement slurries based on freshwater or brackish water. Such cement slurries work well during cementation operations in holes drilled with water-based drilling mud. In the oil industry, more and more often boreholes are drilled using inversion mud (oil-based mud), e.g. Kutno, Tyczyn, Kramarzówka. These muds can be used to drill holes in almost any geological conditions. The use of this type of mud has many advantages and benefits, however, there are also negative aspects. One of the disadvantages is the difficulty of removing mud cake on the walls of the borehole, which may affect the ineffective sealing of the casing column. The presence of this type of drilling mud and its filter cakes in the hole, when sealing the column of casing pipes, requires the use of specially developed cement slurries with the addition of oil. First attempts to prepare cement slurries based on liquid water-in-oil showed that this is not easy to achieve but not impossible. Cement slurries with good technological parameters were obtained, however, the mechanical parameters of cement stones were low. The aim of the presented research was to develop cement slurries based on various binders, used to seal the casing columns after the use of an invert emulsion drilling mud, from which we will obtain stones with increased strength parameters. The presence of oil in the composition of the cement slurry may affect its greater compatibility with mud cake on the walls of the borehole and more effective sealing of the annular space. The freshwater played the role of the slurry. The dispersant, surfactant, cement, a mixture of types of cement or cement with another binder were then added. The oil mixed with the emulsifier was added after homogenizing the mixture. Once all the components were combined, the cement slurry was mixed for 30 minutes and their technological parameters such as density, rheological parameters, filtration, setting time and electrical stability were examined. Cement stone test samples were prepared from selected cement slurries. These samples were cured and hydrated at two different temperatures: 25°C and 120°C. The compressive strength and adhesion to steel pipes tests, porosity and gas permeability were performed for the obtained cement stones. The tests showed that the use of calcium-aluminum types of cement or their mixtures with other binders had a positive effect on the technological parameters of the slurries and cement stones. The use of this type of cement and binders resulted in a decrease of filtration and an increase in the electrical emulsion stability of cement slurries compared to the Portland types of cement. The homogeneity of the mixture and the combination of additives did not pose major difficulties. The obtained cement stones had good mechanical parameters (Maghrabi et al., 2011; Dębińska, 2012; Kremieniewski, 2012, 2013; Vipulanandan and Krishnamoorti, 2013).

9

Badania laboratoryjne nad opracowaniem emulsyjnych zaczynów cementowych typu woda w oleju

Kut Łukasz

Nafta-Gaz

|

2019

|

R. 75, nr 4

214--221

PL

Dotychczas w Polsce żadne laboratorium nie prowadziło szczegółowych badań nad opracowaniem zaczynów cementowych sporządzonych na bazie płynu olej w wodzie, jak i woda w oleju. W przemyśle naftowym coraz częściej otwory wiertnicze wykonywane są przy użyciu płuczki inwersyjnej. Zastosowanie tego typu płuczki ma wiele pozytywnych aspektów, jednak zdarzają się też te negatywne. Jedną z niedogodności jest pozostawianie na ścianach otworu wiertniczego trudnego do usunięcia osadu, co w konsekwencji może wpływać na nieskuteczne uszczelnienie kolumny rur okładzinowych. Celem badań laboratoryjnych było więc opracowanie zaczynów cementowych sporządzonych na bazie różnych spoiw wiążących do uszczelniania kolumn rur okładzinowych po zastosowaniu płuczki inwersyjnej. Obecność oleju w składzie zaczynu cementowego może wpłynąć na jego większą kompatybilność z pozostawionymi na ścianach otworu osadami, a co za tym idzie – na skuteczniejsze uszczelnienie przestrzeni pierścieniowej. Jako cieczy zarobowej użyto wody wodociągowej, do której dodawano kolejno upłynniacz, środek powierzchniowo czynny (SPC) oraz cement. Po ujednorodnieniu mieszaniny dodawano do niej olej wymieszany z emulgatorem. Po połączeniu wszystkich składników zaczyn cementowy mieszano przez 30 minut, a następnie wykonywano pomiary laboratoryjne, takie jak: gęstość; parametry reologiczne; filtracja; czas wiązania; elektryczna stabilność emulsyjna. Z wybranych zaczynów sporządzono próbki kamieni cementowych. Próbki te utwardzano i przetrzymywano w dwóch różnych temperaturach: 25°C oraz 120°C. Otrzymane kamienie poddano badaniu: wytrzymałości kamienia cementowego na ściskanie; przyczepności kamienia cementowego do rur stalowych. Przeprowadzone badania wykazały, że pod względem parametrów reologicznych zaczynów cementowych lepszy okazał się cement glinowo-wapniowy od cementów portlandzkich. Zastosowanie tego cementu wpłynęło na obniżenie filtracji oraz znaczny wzrost elektrycznej stabilności emulsyjnej zaczynów cementowych. Ujednorodnienie mieszaniny oraz wspólne łączenie się poszczególnych dodatków nie stwarzało większych trudności. Jedynym mankamentem były niskie wartości otrzymanych parametrów kamieni cementowych, dlatego też istotne jest prowadzenie dalszych badań nad doborem odpowiednich receptur (Dębińska, 2012; Kremieniewski, 2012, 2013; Vipulanandan i Krishnamoorti, 2013).

EN

So far, no laboratory in Poland, has conducted detailed research on the development of oil-in-water and water-in-oil cement slurries. In the oil industry, more and more boreholes are often drilled using an inversion mud. The use of this type of mud has many advantages and benefits, however, there are also negative aspects. One of the disadvantages is the difficulty to remove mud cake from the walls of the borehole, which may affect the sealing of the casing column. The aim of the research being presented, was to develop cement slurries, prepared based on various binders, used to seal the casing columns after the use of an invert emulsion drilling mud. The presence of oil in the composition of the cement slurry may affect its greater compatibility with the mud cake on the walls of the borehole and more effective sealing of the annular space. Sweet water played the role of the slurry. The dispersant, surfactant and cement were then added. After homogenizing the mixture, the oil mixed with the emulsifier was added. After combining all the components, the cement slurry was mixed for 30 minutes and the technological parameters such as density, rheological parameters, filtration, setting time and electrical stability were examined. Cement stone test samples were prepared from selected cement slurries. These samples were cured and hydrated at two different temperatures: 25°C and 120°C. The compressive strength and adhesion to steel pipes tests were performed for obtained cement stones. The conducted tests showed that better rheological parameters were obtained for aluminium-calcium cement in comparison to Portland. The use of this cement reduced the filtration and resulted in a significant increase in the electric emulsion stability of cement slurries. The homogeneity of the mixture and the combination of additives did not pose major difficulties. Parameters of the obtained cement stones were low, therefore it is important to conduct further research on the selection of appropriate recipes (Dębińska, 2012; Kremieniewski, 2012, 2013; Vipulanandan i Krishnamoorti, 2013).

10

Cement slurries for sealing high temperature and high reservoir pressure boreholes

Rzepka M., Kremieniewski M., Kędzierski M.

Nafta-Gaz

|

2018

|

R. 74, nr 10

739--744

EN

A number of cement slurries proposed for sealing casing string in boreholes, where dynamic temperatures are in the range range from about 110 to about 150o C and pressures from 45 to 90 MPa, were investigated and analyzed in this article. In developing recipes were guided by the requirements to be met by cement slurry for the cementing of casing in the conditions of the occurrence of very high temperatures and reservoir pressures. Before the application of cement slurry in industrial conditions, the density, viscosity, thickening time, cement setting, free water and compressive strength of cement stone were examined. Developed cement slurries for HPHT conditions in research carried out in the Oil and Gas Institute – National Research Institute, had densities in the range from 1865 to 1890 kg/m3 and after appropriate fluidifying were characterized by good rheological parameters. Thickening times of the developed cement slurries ranged from approx. 4 to approx. 6 ½ hours, and can be successfully adjusted (most effectively with a suitably selected additive of sodium lignosulfonate in an amount of about 0,25÷1%). The initial viscosities of the cement slurries tested in the HPHT consistometer were small (about 10 Bc). The course of changes in the consistency of cement slurries was “rectangular”, and time between the consistency of 30 and 100 Bc was generally short (about 10 minutes or less). Cement stones formed after bonding of developed cement slurries were characterized by extremely high mechanical parameters. After 2 days, compressive strength of most tested samples exceeded 25 MPa, and after 7 days of hydration, the compressive strength was about 35 MPa. The cement slurry recipes presented in the article can be used for sealing casing strings in our country or in Ukraine (where cementation is performed in deep boreholes).

PL

W artykule przedstawiono opis i analizę badań szeregu zaczynów cementowych proponowanych do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w otworach wiertniczych, w których występują temperatury dynamiczne w zakresie od około 110°C do około 150°C i ciśnienia od 45 MPa do 90 MPa. Przy opracowywaniu receptur kierowano się wymaganiami, jakie powinien spełniać zaczyn cementowy użyty do cementowania rur okładzinowych w warunkach występowania bardzo wysokich temperatur oraz ciśnień złożowych. Przed zastosowaniem zaczynu cementowego w warunkach przemysłowych zwracano uwagę na jego gęstość, lepkość, czas gęstnienia, wiązanie, filtrację, odstój wody oraz wytrzymałość kamienia cementowego na ściskanie. Opracowane w INiG – PIB zaczyny cementowe do warunków HPHT posiadały gęstości od 1865 kg/m3 do 1890 kg/m3 i po odpowiednim upłynnieniu cechowały się dobrymi parametrami reologicznymi. Czasy gęstnienia zaczynów cementowych wynosiły od około 4 godzin do około 6,5 godziny i można je z powodzeniem regulować (najskuteczniej za pomocą odpowiednio dobranego dodatku lignosulfonianu sodowego w ilości około 0,25÷1%). Lepkości początkowe zaczynów badanych w konsystometrze ciśnieniowym były niewielkie (wynosiły około 10 Bc). Przebieg zmian konsystencji zaczynów cementowych miał charakter „prostokątny”, a czas pomiędzy uzyskaniem konsystencji 30 Bc i 100 Bc był z reguły krótki (około 10 minut lub krócej). Kamienie cementowe powstałe po związaniu opracowanych zaczynów cechowały się niezwykle wysokimi parametrami mechanicznymi. Już po 2 dniach wytrzymałość na ściskanie większości badanych próbek przekraczała 25 MPa, natomiast po 7 dniach hydratacji wynosiła około 35 MPa. Zaprezentowane w artykule receptury zaczynów mogą być zastosowane podczas uszczelniania kolumn rur okładzinowych w naszym kraju lub na obszarze Ukrainy (gdzie mamy do czynienia z wykonywaniem prac cementacyjnych w głębokich otworach wiertniczych).

11

Badania nad możliwością zastosowania cementów specjalnych do uszczelniania kolumn rur okładzinowych

Kut Ł.

Nafta-Gaz

|

2018

|

R. 74, nr 2

96--105

PL

Uszczelnienie kolumn rur okładzinowych wymaga zastosowania zaczynów cementowych o odpowiednio dobranych parametrach reologicznych, zerowym odstoju wody oraz o właściwym dla danej głębokości czasie gęstnienia. Również powstały po związaniu stwardniały kamień cementowy powinien odznaczać się wysokimi parametrami mechanicznymi i jak najmniejszą przepuszczalnością dla gazu. Bardzo istotne jest prowadzenie szczegółowych badań nad doborem odpowiednich receptur zaczynów do warunków geologicznych, jakie panują w danym rejonie na dnie otworu wiertniczego. Opracowanie odpowiednich składów wymaga realizowania innowacyjnych badań laboratoryjnych nad doborem odpowiednich rodzajów środków chemicznych i materiałów uszczelniających, wpływających na polepszenie parametrów mechanicznych otrzymanych z nich kamieni cementowych. Celem zaprezentowanych w artykule badań była analiza możliwości zastosowania cementów specjalnych do uszczelniania kolumn rur okładzinowych oraz wynikających z tego różnic. Z wybranych do badań składów dotychczas stosowanych w przemyśle opracowano analogiczne receptury, jednak na bazie dwóch różnych cementów specjalnych. Podjęto również wstępne próby sporządzenia zaczynów cementowych na bazie wody i oleju. Zaczyny cementowe oraz otrzymane z nich próbki kamieni cementowych poddano badaniom technologicznym w celu określenia wpływu różnych cementów na ewentualne rozbieżności w wynikach. Zastosowanie w składach zaczynów cementowych spoiw wiążących dotychczas wykorzystywanych głównie w budownictwie pokazało możliwości wynikające z takiego rozwiązania oraz poszerzyło wiedzę na ten temat. Ponadto użycie w składach zaczynów cementowych dodatków o zróżnicowanej wielkości uziarnienia wpłynęło dodatkowo na lepsze wypełnienie przestrzeni międzyziarnowej matrycy cementowej oraz na zmniejszenie przepuszczalności kamieni cementowych. Zinterpretowanie uzyskanych wyników badań laboratoryjnych pozwoli na wytypowanie odpowiednich składów zaczynów cementowych na bazie cementów specjalnych, mogących znaleźć zastosowanie podczas uszczelniania otworów wiertniczych po użyciu różnych płuczek wiertniczych [3, 9–11].

EN

Sealing casing requires the use of cement slurries with appropriate rheological parameters, zero free water and adequate thickening time for a given depth. Also hardened cement stone, should be characterized by high mechanical parameters and minimal gas permeability. It is very important to conduct detailed research on the selection of suitable cement slurry recipes for the geological conditions that occur at the bottom of the borehole. The development of appropriate cement slurry recipes, requires the implementation of innovative laboratory tests on the selection of applicable types of chemicals and sealing materials, that improve the mechanical parameters of cement stones obtained from them. The aim of the research presented in this paper was to investigate the possibility of using special cements to seal the casing and the resulting differences. From the selected recipes used in industrial conditions, have been developed analogous recipes have been developed, however, based on two different special cements. Preliminary attempts have also been made to prepare oil based cement slurries. Cement slurries and cement stones obtained from them were subjected to technological tests to determine the effect of various cements on possible discrepancies in the results. The use of cement binders in the composition of cement slurries, used so far mainly in the construction industry, has shown the possibilities resulting from such a solution and has broadened the knowledge about them. Moreover, the application of additives with different grain size, resulted in better filling of the intergranular space of cement matrix and reducing the permeability of the cement stones. Interpretation of the results of laboratory tests, will allow to select appropriate cement slurry compositions, based on special cements which can be used for sealing of boreholes after using different drilling muds.

12

Analiza zmian parametrów mechanicznych kamieni cementowych dla kawernowych podziemnych magazynów gazu w zależności od czasu ich hydratacji

Kut Ł.

Nafta-Gaz

|

2017

|

R. 73, nr 6

387--394

PL

Uszczelnienie kolumn rur okładzinowych w warstwach soli wymaga zastosowania specjalnie opracowanych zaczynów cementowych o długotrwałej odporności na jej działanie, dlatego bardzo istotne jest prowadzenie szczegółowych badań nad doborem odpowiednich receptur. W celu przygotowania właściwych składów należy podjąć i realizować innowacyjne badania laboratoryjne nad doborem rodzajów środków chemicznych i materiałów uszczelniających wpływających na polepszenie parametrów mechanicznych otrzymanych z nich kamieni cementowych. Celem zaprezentowanych w artykule badań była analiza wpływu środowiska solnego na zmiany parametrów technologicznych kamieni cementowych w czasie. Z wybranych do badań składów otrzymano kamienie cementowe, które poddawano długoterminowemu (do 12 miesięcy) działaniu solanki o pełnym nasyceniu. Po założonych okresach czasu badano ich parametry technologiczne. Zinterpretowanie uzyskanych wyników badań laboratoryjnych pozwoli na wytypowanie odpowiednich składów zaczynów cementowych mogących znaleźć zastosowanie podczas uszczelniania podziemnych magazynów gazu w kawernach solnych. Opracowane i wybrane receptury, dzięki swoim parametrom reologicznym oraz właściwościom mechanicznym kamieni cementowych, mogą być z powodzeniem stosowane podczas takich zabiegów. W wyniku przeprowadzonych badań laboratoryjnych opracowano receptury zaczynów cementowych na bazie solanki o pełnym nasyceniu jako wody zarobowej (wynika to z bezpośredniej obecności soli w otworze), które mogą znaleźć zastosowanie podczas uszczelniania kolumn rur okładzinowych w warunkach występowania pokładów soli.

EN

Sealing of casings in salt layers requires the use of specially developed cement slurries with long-lasting resistance, so it is important to conduct detailed research on the selection of suitable recipes. In order to prepare the right compositions, innovative laboratory tests on the selection of chemicals and sealing materials that improve the mechanical properties of the resulting cement stones. The aim of this article was to analyze the influence of salt environment on changes in technological parameters of cement stones over time. Cement stones samples were selected for long-term seasoning (12 months) in full saturated brine and their technological properties were examined for a predetermined period of time. Interpretation of the obtained results allows to identify appropriate cement slurries formulas with the potential for application in the sealing of underground gas storages in salt caverns. The developed and selected recipes thanks to proper rheological and mechanical parameters can be successfully used during such procedures. The aim of laboratory tests were to develop cement slurries based on fully saturated brine, as mixing water that can be used during sealing the casings in salt layers.

13

Analiza właściwości technologicznych zaczynów cementowych do uszczelniania rur okładzinowych w kawernowych magazynach gazu

Kut Ł.

Nafta-Gaz

|

2016

|

R. 72, nr 4

242--250

PL

Magazynowanie gazu ziemnego może odbywać się na wiele sposobów, m.in. pod ziemią lub na jej powierzchni w specjalnych zbiornikach. Najbardziej popularną metodą jest wykorzystanie podziemnych magazynów gazu, a zwłaszcza magazynów w kawernach solnych. Uszczelnienie kolumn rur okładzinowych w pokładach solnych wymaga zastosowania specjalnie opracowanych receptur zaczynów cementowych, z których otrzymane kamienie cementowe będą się odznaczać podwyższoną odpornością na korozyjne działanie soli. Jednym z podstawowych wymagań koniecznych do sporządzenia odpowiednich receptur jest użycie solanki o pełnym nasyceniu jako wody zarobowej oraz wykorzystanie jej jako środowiska do sezonowania próbek kamieni cementowych. Opracowanie zaczynów cementowych spełniających powyższe kryteria wymaga podjęcia innowacyjnych badań laboratoryjnych nad doborem odpowiednich rodzajów środków chemicznych i materiałów uszczelniających. W wyniku przeprowadzonych badań laboratoryjnych opracowano receptury zaczynów cementowych na bazie solanki o pełnym nasyceniu jako wody zarobowej, które mogą znaleźć zastosowanie podczas uszczelniania kolumn rur okładzinowych w warunkach występowania pokładów soli [5, 6, 8].

EN

Natural gas storage can be carried out in many ways, i.a., underground or on the surface in special tanks. The most common method is the use of underground gas storage, especially in salt caverns. Sealing casings in salt layers requires the use of specially developed cement slurries recipes, from which the received cement stones are characterized by an increased resistance to the corrosive effects of salt. One of the basic requirements necessary for the preparation of appropriate recipes, is to use the full saturated brine as mixing water and using it as an environment for the seasoning of cement stone samples. Development of cement slurries that meet the above criteria requires innovative tests on choosing the most appropriate types of chemicals and sealants. The aim of laboratory tests were to develop cement slurries, based on fully saturated brine as mixing water that can be used during sealing the casings in salt layers.

14

Opracowanie receptur zaczynów cementowych do otworów o normalnym gradiencie ciśnienia i temperaturze dynamicznej powyżej 100°C

Kut Ł.

Nafta-Gaz

|

2015

|

R. 71, nr 5

283--289

PL

W ostatnich latach krajowe firmy naftowe prowadziły wiercenia, a obecnie planują wykonanie kolejnych otworów wiertniczych o dużych głębokościach, sięgających około 5000 metrów. Wiercone otwory posiadają trajektorię pionową oraz coraz częściej odchyloną od pionu aż do kierunku poziomego (horyzontalnego). Otwory takie wykonywane są ostatnio w celu poszukiwań gazu z formacji łupkowych. Na dnie tak głębokich otworów występują wysokie temperatury (powyżej 100°C) i ciśnienia (powyżej 60 MPa), co wymaga zastosowania zaczynów uszczelniających posiadających odpowiednie czasy gęstnienia (pozwalające na bezpieczne zatłoczenie do otworu) oraz właściwości reologiczne (niska lepkość, odpowiednia granica płynięcia). Również filtracja zaczynu powinna być jak najniższa, a odstój wody – zerowy. Celem badań laboratoryjnych było opracowanie zaczynów cementowych o gęstościach 1700÷1900 kg/m3 z dodatkiem różnych środków opóźniających czas wiązania, przeznaczonych do uszczelniania otworów wiertniczych, na których dnie panują warunki wysokiej temperatury i ciśnienia.

EN

In recent years national oil companies had carried out drilling and are presently planning to drill subsequent boreholes at greater depths, reaching up to 5000 meters. These kinds of wells have vertical trajectory and more often they are sloped from vertical as far as horizontal direction. These kinds of boreholes made recently are being used in the search for gas from shale formations. At the bottom of such deep boreholes, there are high temperatures (above 100°C) and pressures (above 60 MPa), which require slurries with appropriate thickening times (allowing for safe injection into the hole) and rheological properties (low viscosity, appropriateyield point). Slurry fluid loss should also be as low as possible and free water should be zero. The aim of laboratory tests was to develop cement slurries with densities of about 1700÷1900 kg/m3, with the addition of various retarders for sealing deep boreholes, where high temperatures and high pressures prevail at their bottoms.

15

Wpływ nanokrzemionki na parametry mechaniczne kamienia cementowego

Dębińska E.

Nafta-Gaz

|

2014

|

R. 70, nr 4

229--235

PL

W ostatnich latach coraz większym zainteresowaniem szeregu dziedzin nauki cieszą się nanomateriały, tj. cząsteczki o przynajmniej jednym wymiarze zawierającym się w granicach 100 nm. W związku z rosnącymi wymaganiami stawianymi przed zaczynami cementowymi stosowanymi w zabiegach uszczelniania otworów wiertniczych, a także magazynach gazu, wynikającymi z wierceń w głębszych horyzontach, z czym wiążą się wysokie temperatury i ciśnienia, istnieje konieczność stosowania innowacyjnych środków, które poprawią w znaczący sposób parametry technologiczne zaczynu i kamienia cementowego. Takimi dodatkami mogą być nanomateriały. Artykuł przedstawia wyniki badań wpływu nanokrzemionki na parametry reologiczne zaczynu oraz mechaniczne kamienia cementowego. Do zaczynów cementowych dodawano 0,5, 1,0 i 1,5% nanokrzemionki. Badania wytrzymałości na ściskanie prowadzono po 2, 7, 14 i 28 dniach, natomiast pomiar przyczepności do rur oraz przepuszczalności dla gazu wykonano po 2 i 28 dniach hydratacji. Wraz ze wzrostem ilości nanokrzemionki w zaczynie cementowym pogorszeniu ulegały urabialność zaczynu i parametry reologiczne, zaczyn silnie żelował przy stężeniu 1,5% nanokrzemionki. Zwiększanie ilości nanokrzemionki spowodowało głównie poprawę takich parametrów jak: wytrzymałość na ściskanie i przyczepność do rur oraz wpłynęło na spadek przepuszczalności kamienia cementowego dla gazu. Uzyskane wyniki umożliwiają określenie wpływu dodatku nanokrzemionki na zaczyn i kamień cementowy i są wstępem do dalszych badań w tym kierunku.

EN

In recent years, nanomaterials i.e. molecules containing at least one dimension in the range of 100 nm, have been of growing interest in a number of areas of science. In connection with the growing requirements for cement slurries used in the procedure of boreholes sealing, as well as gas storage, resulting from drilling in deeper and deeper horizons, which implies high temperatures and pressures, there is a need for innovative additives to improve the significantly technological parameters of cement slurry and stone. Such additives may be nanomaterials. The article presents the results of the influence of silica nanoparticles on the mechanical and rheological properties of cement slurry and stone. To cement slurry 0.5, 1.0 and 1.5% nanosilica was added. Compressive strength tests were carried out after 2, 7, 14 and 28 days, while measuring adhesion to the pipe and permeability at 2 and 28 days. With the increase of the amount of silica nanoparticles in the cement slurry workability and rheological parameters deteriorated, the slurry became highly gelled at a concentration of 1.5% silica nanoparticles. Increasing the amount of silica nanoparticles improved parameters such as permeability, strength and other mechanical properties of cement stone. The results obtained allow to determine the effect of silica nanoparticles on the cement slurry and stone and are a prelude to further research in this direction.

16

Receptury zaczynów cementowych tworzących kamienie odporne na CO2

Kut Ł.

Nafta-Gaz

|

2014

|

R. 70, nr 5

293--300

PL

W ostatnich latach na całym świecie bardzo często poruszane są tematy związane z emisją dwutlenku węgla do środowiska oraz wynikającymi z tego problemami. Niektóre kraje postanowiły szukać sposobów na zmniejszenie ilości produkowanego dwutlenku węgla i ewentualnej możliwości jego bezpiecznego magazynowania. Jednym z takich sposobów jest sekwestracja dwutlenku węgla, czyli jego podziemne składowanie i deponowanie w strukturach geologicznych. Do cementowania rur w otworach przeznaczonych do sekwestracji CO2 powinny być używane zaczyny uszczelniające, które wykazują podwyższoną odporność na korozję oraz niską przepuszczalność, dla zapobiegania ewentualnym migracjom gazu przez powstały kamień cementowy. Ograniczenie oddziaływania CO2 na kamień cementowy oraz zmniejszenie jego przepuszczalności można uzyskać poprzez wprowadzenie do zaczynu cementowego dodatków puzzolanowych (np. pyłu elektrownianego) oraz materiałów zawierających duże ilości SiO2 (np. mączki krzemionkowej). Obniżenie porowatości i przepuszczalności możliwe jest dzięki zastosowaniu specjalnych dodatków i domieszek o różnej wielkości uziarnienia. W artykule zamieszczono wyniki badań prowadzonych w INiG – PIB dla zaczynów cementowych i cementowo-lateksowych. Kamienie cementowe powstałe po utwardzeniu zaczynów przechowywane były w środowisku wodnym nasyconym CO2. Po zaplanowanych okresach badano ich parametry mechaniczne oraz przepuszczalności. Po wykonaniu badań laboratoryjnych wytypowano receptury zaczynów cechujących się podwyższoną odpornością na działanie CO2 oraz stosunkowo niską przepuszczalnością.

EN

In recent years all over the world very often discussed are issues related to carbon dioxide emissions into the environment and problems related to it. Some countries have decided to fight the problem and look for ways to reduce the amount of carbon dioxide produced and the possible opportunities for its safe storage. One such method is carbon sequestration, which is the underground storage and deposition in geological structures. The cementing pipes in the holes for CO2 sequestration should be used for sealing slurries, which exhibit increased resistance to CO2 and low permeability, to prevent the possible migration of gas through the resulting cement stone. Reduce the impact of CO2 on cement stone and reduce its porosity and permeability can be achieved by the introduction of grout pozzolans additives such as power plants and dust containing large amounts of materials such as powdered silica SiO2 while the permeability reduction through the use of ingredients with different grain sizes. This paper presents the results of research carried out in The Oil and Gas Institute – National Research Institute for cement slurries and cement slurries with latex additvie. Cement stones obtained after curing was stored in a saturated aqueous CO2. After a set period of time studied its mechanical properties and permeability. Once the recipes were chosen slurries characterized by increased resistance to CO2 and relatively low permeability.

17

Wpływ CO2 na zmiany porowatości i parametry mechaniczne kamienia cementowego

Kut Ł.

Nafta-Gaz

|

2013

|

R. 69, nr 7

532--545

PL

Na najbliższe lata planuje się w naszym kraju wiercenia otworów przeznaczonych do sekwestracji dwutlenku węgla. Do cementowania tych otworów powinny być użyte zaczyny uszczelniające, które wykazują podwyższoną odporność na działanie CO2 oraz odpowiednio niską porowatość. Ograniczenie oddziaływania CO2 na kamień cementowy oraz zmniejszenie jego porowatości można uzyskać poprzez wprowadzenie do zaczynu cementowego dodatków puzzolanowych (np. pył elektrowniany) oraz materiałów zawierających duże ilości SiO2 (np. mączka krzemionkowa). Obniżenie porowatości jest możliwe dzięki zastosowaniu specjalnych dodatków i domieszek o różnej wielkości uziarnienia. Badania prowadzono dla zaczynów cementowych i cementowo-lateksowych. Kamień cementowy powstały po utwardzeniu zaczynów przechowywany był w środowisku wodnym nasyconym CO2. Po określonym czasie badano parametry mechaniczne kamieni cementowych oraz ich porowatości. Po wykonaniu badań wytypowano receptury zaczynów cechujących się podwyższoną odpornością na działanie CO2 oraz stosunkowo niską porowatością.

EN

In the coming years in our country there are plans for drilling wells for carbon sequestration. For cementing these wells sealing slurries, which exhibit improved resistance to the action of CO2 and low porosity, respectively should be used. Reducing the impact of CO2 on cement stone and decreasing its porosity can be achieved by the introduction of grout pozzolans additives such as power plant dust and materials containing large amounts of powdered silica SiO2 while porosity reduction can be achieved through the use of ingredients with different grain sizes. The research was conducted for cement slurries and cement slurries with latex additves. Cement stone obtained after curing was stored in a saturated aqueous CO2. After a set period of time mechanical properties of cement stone and its porosity were studied. Once the research was over slurry recipes characterizing increased resistance to CO2 and relatively low porosity were chosen.

18

Receptury zaczynów cementowych stosowane do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w wysadach solnych na podziemnych magazynach gazu

Rzepka M., Kremieniewski M.

Wiadomości Naftowe i Gazownicze

|

2012

|

R. 15, Nr 10 (174)

7--9

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań zaczynów cementowych o wysokiej elastyczności kamienia cementowego przeznaczonych do uszczelniania rur okładzinowych w wysadach solnych na podziemnych magazynach gazu. Zaczyny cementowe opracowywane były w Instytucie Nafty i Gazu oraz w Serwisie Cementacyjnym w Wołominie w latach 2009-2012. INiG posiada odpowiednią aparaturę służącą do badania kamienia cementowego w warunkach solnych (formy do badania przyczepności kamienia do soli i rury stalowej oraz przyrząd do badania przepuszczalności dla gazu). Badania laboratoryjne były wykonywane zgodnie z normami PN-EN 10426-2 „Przemysł naftowy i gazowniczy” - Cementy i materiały do cementowania otworów oraz API SPEC 10 „Specification for materials and testing for well cements”. Receptury opracowanych w INiG zaczynów mogą być z powodzeniem zastosowane podczas cementowania kolumn rur okładzinowych w otworach wierconych dla potrzeb podziemnych magazynów gazu. Zaczyny te zostały wykorzystane m.in. podczas cementowania na PMG w otworach Z15, Z16 i Z17 oraz K1-K5. Powstałe po związaniu zaczynów kamienie cementowe charakteryzują się wysoką wytrzymałością na ściskanie oraz brakiem przepuszczalności dla gazu. Kamienie cementowe posiadają również dużą odpornością na cykliczne zmiany temperatury oraz na obciążenia mechaniczne w czasie wieloletniej eksploatacji podziemnych magazynów gazu.

EN

The article presents the test results of cement slurries with high flexibility of cement stone for sealing casing in salt plug in underground gas storages. Cement slurries were prepared at the Institute of Oil and Gas in 2009-2012. The Oil and Gas Institute has appropriate equipments for the study of cement stone in salt conditions (forms to study adhesion cement stone to salt and steel pipes and device for testing gas permeability). Laboratory tests were performed at the Department of Drilling Technology according to PN-EN 10426-2 “Petroleum and natural gas industries” - Cements and materials for cementing the holes” and API SPEC 10 “Specification for materials and testing for well cements.” The slurries formulas developed in the Oil and Gas Institute can be successfully applied for cementing casing in the holes drilled for underground gas storage. These slurries were used, i.e. during cementation of the PMG in the holes Z15, Z16 and Z17 and K1-K5. Cement stones are characterized by high compressive strength and gas impermeability. Cement stones also have high resistance to cyclic temperature changes and mechanical stress during long-term exploitation of underground gas storage.

19

Modyfikacja przestrzeni porowej kamieni cementowych

Kremieniewski M.

Nafta-Gaz

|

2012

|

R. 68, nr 3

165-170

PL

W artykule przedstawiono możliwości badania porowatości kamieni cementowych powstałych z zaczynów uszczelniających oraz wpływ porowatości stwardniałego zaczynu uszczelniającego na zapobieganie ekshalacjom gazu. Badane kamienie cementowe otrzymano z zaczynów lekkich z dodatkiem 20% mikrosfer, zawierających mikrocement w celu poprawienia szczelności matrycy cementowej.

EN

The article presents various techniques of research on the porosity of cement pastes created from packing slurry and the influence of the hardened packing slurry porosity on prevention of gas migration. The tested cement pastes were made of light slurries with microspheres and microcement in order to improve hardened packing slurry sealing.

20

Zaczyny cementowe o wysokiej elastyczności kamienia cementowego

Rzepka M.

Nafta-Gaz

|

2011

|

R. 67, nr 2

113-119

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań elastycznych zaczynów cementowych opracowanych w Instytucie Nafty i Gazu. Receptury tych zaczynów mogą znaleźć zastosowanie w procesie cementowania kolumn rur okładzinowych w warunkach panujących na PMG. Powstały po związaniu zaczynu elastyczny kamień cementowy posiada małą porowatość i przepuszczalność dla gazu.

EN

The article presents elastic cement slurry test results elaborated at the Oil and Gas Institute. The cement slurry formula can be used for sealing pipe lining in underground gas storages. Resulting elastic cement stone has low gas porosity and permeability.