Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Zaczyny cementowe z dodatkiem nanokomponentów do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w otworach wiertniczych o głębokości końcowej około 1000–2000 metrów

Rzepka Marcin, Kędzierski Miłosz

Nafta-Gaz

|

2019

|

R. 75, nr 11

674--682

PL

Tak jak w każdej dziedzinie nauki, tak również w wiertnictwie konieczne jest stałe dążenie do tworzenia nowych, zmodernizowanych produktów. Dlatego też zarówno na świecie, jak i w Polsce trwają nieprzerwanie badania mające na celu uzyskanie trwalszych, szczelniejszych czy też bardziej ekologicznych materiałów wiążących. Coraz częściej poszukiwane są innowacyjne rozwiązania, które pozwolą na otrzymywanie jak najwyższej klasy produktów wiążących. Ostatnio synonimem rozwoju i postępu stała się nanotechnologia – dynamicznie rozwijający się dział nauki zajmujący się zarówno projektowaniem, tworzeniem, jak i badaniem struktur o wielkości rzędu nanometrów (miliardowych części metra). Kamień cementowy utworzony jest m.in. z małych ziaren uwodnionych krzemianów wapnia i dużych kryształków uwodnionych produktów hydratacji, między którymi znajdują się przestrzenie porowe. Jest to miejsce, w którym mogą się z powodzeniem upakować drobne ziarenka nanocząsteczek, powodując zmniejszenie porowatości i przepuszczalności matrycy cementowej. W artykule zamieszczono wyniki badań przykładowych receptur zaczynów cementowych (zawierających od 0,5% do 1% nanokrzemionki) przeznaczonych do uszczelniania kolumn rur okładzinowych w otworach wiertniczych o głębokości końcowej około 1000–2000 metrów. Receptury zaczynów opracowano w INiG – PIB. Zaczyny posiadały gęstość około 1870 kg/m3 , a ich czasy gęstnienia dobrano odpowiednio do danych warunków geologiczno-technicznych. Próbki kamieni cementowych uzyskane z zaczynów z nanokomponentami cechowały się bardzo niską (jedynie około 2%) zawartością porów kapilarnych. Pory o najmniejszych rozmiarach (poniżej 100 nm) stanowiły zdecydowaną większość (powyżej 95%) ogólnej ilości porów występujących w matrycy cementowej, co świadczy o bardzo niskiej przepuszczalności dla medium złożowego. Wczesne wytrzymałości na ściskanie wynoszące 3,5 MPa (na podstawie badania na ultrasonograficznym analizatorze cementu) zaczyny uzyskiwały po czasach od około 7½ godziny do 14 godzin. Po tym okresie kamień cementowy jest na tyle mocny, że możliwe jest dalsze prowadzenie prac w otworze. Wytrzymałości na ściskanie kamieni cementowych po 28 dniach hydratacji przyjmowały bardzo wysokie wartości, dochodzące nawet do 38 MPa (wytrzymałości te znacznie przekraczały wyniki uzyskiwane dla zaczynów konwencjonalnych). Przyczepność do rur stalowych po 28 dniach hydratacji była bardzo wysoka i wyniosła około 6 MPa. Potwierdzeniem niezwykle zwartej mikrostruktury próbek z nano-SiO2 mogą być fotografie próbek zaczynów wykonane za pomocą mikroskopii skaningowej. Widać na nich zbitą matrycę cementową o bardzo małej przepuszczalności.

EN

As in every field of science, drilling also requires a constant effort to develop new, modernized products. Both in the world and in Poland research is therefore continually under way to obtain more durable, tighter or more ecological binding materials. Innovative solutions are increasingly being sought to produce the highest quality binding materials possible. Recently, nanotechnology has become a synonym for devel- opment and progress – a dynamically developing branch of science, dealing with both designing, creating and testing nanometer-scale (billionths of a meter) structures. Cement stone is formed, among others, from small grains of hydrated calcium silicates and large crystals of hydrated hydration products between which there are pore spaces. It is a place where fine grains of nanoparticles can be successfully packed, causing a decrease in the porosity and permeability of the cement matrix. The article presents the results of testing cement slurries (containing from 0.5% do 1% of nanosilica) for sealing the casing columns in boreholes with a final depth of about 1000–2000 meters. Laboratory tests of cement slurries were carried out at Oil and Gas Institute – NRI, developing groups of cement slurry recipes with a density of approximately 1870 kg/m3 . Cement slurries had thickening times properly matched to given geological and technical conditions. Pore distribution of cement stone samples with nanoparticles were characterized by a small number of capillary pores (about 2%). Pores of the smallest sizes (below 100 nm), made up a vast majority (over 95%) of the total pores in the cement matrix, which prove their low permeability for reservoir fluids. The early compressive strengths of 3.5 MPa (based on an Ultrasonic Cement Analyzer) where obtained after about 7½ to 14 hours. After this period, the cement stone is strong enough to continue work in the borehole. Compressive strength after 28 days of hydration was very high, reaching even 38 MPa (these strengths were much higher than those obtained for conventional slurries). Adhesion to steel pipes after 28 days of hydration was very high and amounted to about 6 MPa. The extremely compact microstructure of the samples with nano-SiO2 is confirmed by scanning electron microscope images of cement samples. They show a compact cement matrix with very low permeability.

2

Nanocząsteczki – nowa droga w kształtowaniu parametrów świeżych i stwardniałych zaczynów cementowych

Dębińska E., Rzepka M., Kremieniewski M.

Nafta-Gaz

|

2016

|

R. 72, nr 12

1084--1091

PL

Zwiększające się wymagania odnośnie właściwości zaczynu i kamienia cementowego sprawiają, iż konieczne jest poszukiwanie niekonwencjonalnych rozwiązań i materiałów, które zapewnią uzyskanie jak najlepszych efektów. Przy stosowaniu odpowiednich ilości nanocząsteczek możliwe jest zaprojektowanie zaczynu cementowego o dobrych parametrach reologicznych, dużej wytrzymałości, a równocześnie charakteryzującego się niską filtracją. W wyniku przeprowadzonych w INiG – PIB badań nad wpływu nanotlenku krzemu i nanotlenku glinu na właściwości zaczynu cementowego można stwierdzić, że komponenty te powodują wyraźną poprawę parametrów stwardniałego zaczynu cementowego. Na uwagę zasługuje fakt, że kamienie cementowe uzyskane z zaczynów zawierających nanokomponenty charakteryzowały się wysokimi wartościami wytrzymałości na ściskanie, co jest spowodowane upakowaniem się w przestrzeniach porowych nanocząsteczek o bardzo małych rozmiarach. Nawet w temperaturze 25°C próbki z nano-SiO2 i nano-Al2O3 osiągały bardzo wysokie wartości wytrzymałości na ściskanie, dochodzące w niektórych przypadkach nawet do 30 MPa po 2 dniach i prawie 50 MPa po 28 dniach. W porównaniu z kamieniem cementowym bez dodatku nanocząsteczek jest to przyrost wytrzymałości na ściskanie sięgający kilkudziesięciu procent. Stwardniałe zaczyny cementowe z dodatkiem nanocząsteczek wykazywały również znacznie bardziej zwartą mikrostrukturę w porównaniu z tzw. „czystym” zaczynem bazowym. Próbki z nanocząsteczkami posiadały także bardzo niską (około 1,5÷2%) zawartość porów kapilarnych, mogących tworzyć kanaliki dla przepływu mediów złożowych przez płaszcz cementowy w otworze wiertniczym. Pory o najmniejszych rozmiarach (poniżej 100 nm) stanowią zdecydowaną większość (95÷98%) z ogólnej ilości porów występujących w matrycy cementowej. Świadczy to o bardzo niskiej przepuszczalności dla medium złożowego w przypadku zastosowania próbek z dodatkami nanokomponentów. Zaprezentowane w niniejszym artykule zaczyny cementowe z nanocząsteczkami krzemu i glinu mogą być podstawą do opracowania szerokiej gamy innowacyjnych receptur zaczynów uszczelniających o podwyższonych wytrzymałościach mechanicznych i bardzo wysokiej szczelności matrycy cementowej.

EN

Increasing requirements on the properties of slurry and set cement slurry enforce seeking unconventional solutions and materials that will ensure obtaining the best results. By using appropriate amounts of nanoparticles, it will be possible to design a cement slurry with good rheological parameters, high compressive strength, and at the same time low filtration. The results of research carried out in The Oil and Gas Institute – National Research Institute, concerning the influence of nanosilica and nano alumia oxide (nano-Al2O3) on the properties of cement slurry, confirmed that the addition of nanoparticles significantly improves the parameters of set cements. Noteworthy is the fact that the cement stones prepared from cement slurries with nanoparticles were characterized by high values of compressive strength, which was caused by packing of the small size nanoparticles in the pore spaces. Even at temperatures of 25oC cement samples with nano-SiO2 and nano-Al2O3 achieved high compressive strength, as high as 30 MPa after 2 days and almost 50 MPa after 28 days. Compared to the samples base without the addition of nanoparticles, an increase of compressive strength of tens of percent up could be observed. Equate to base cement slurry, set cements with nanoparicles addition were characterized by more compact microstructure. Pore distribution of cement stone samples with nanoparticles were characterized by a small number of capillary pores (in the range 1.5÷2%), which could cause channels for the flow of reservoir fluids through the cement sheath in the borehole. Pores of the smallest sizes (below 100 nm), made up a vast majority (95÷98%) of the total pores in the cement matrix, which prove their low permeability for reservoir fluids. Presented in this article, cement slurries with the addition of nanosilica and nano alumia oxide can be the basis for the development of a wide range of innovative recipes sealing slurries with higher mechanical strength and very high tightness of the cement matrix.

3

Niekonwencjonalne zaczyny cementowe z dodatkiem nanokrzemionki

Dębińska E.

Nafta-Gaz

|

2015

|

R. 71, nr 5

290--300

PL

Wysokie temperatury i ciśnienia panujące w otworze wiertniczym, a także występujące dopływy gazu bardzo często wymagają stosowania szczególnie odpornych zaczynów cementowych, zawierających zaawansowane technologicznie dodatki pomagające uzyskać odpowiednią izolację międzystrefową. W artykule zaprezentowano wyniki badań trzech nowo opracowanych zaczynów cementowych z dodatkiem nanokrzemionki. Badania prowadzono dla temperatur: 25°C, 60°C i 90°C. Do zaczynów dodawano 0,1 lub 1,0% nanokrzemionki. Zaczyny przeznaczone do temperatur 25 i 60°C bazowały na cemencie portlandzkim 32,5R, natomiast zaczyny dla temperatury 90°C na cemencie wiertniczym G. Opracowane zaczyny charakteryzowały się dobrymi parametrami technologicznymi. Uzyskane z nich kamienie cementowe posiadały niską porowatość, a rozkład ich porów charakteryzował się niewielką ilością porów o średnicach powyżej 100 nm (średnio w granicach 1,3÷2,5%), co świadczy o ich zwartej strukturze i niskiej przepuszczalności. Ponadto stwardniałe zaczyny wykazywały nieznaczną przepuszczalność dla gazu. Na uwagę zasługuje również fakt, że kamienie cementowe uzyskane z badanych zaczynów charakteryzowały się wysokimi wartościami wytrzymałości na ściskanie i zginanie, a także przyczepności do rur – w porównaniu z kamieniami z zaczynu bazowego, co było spowodowane dodatkiem nanocząsteczek krzemionki.

EN

High temperature and high pressure conditions in the borehole often require the use of highly resistant cement slurries containing technologically advanced additives to help obtain proper zonal isolation. The paper presents the results of newly developed cement slurries with the addition of silica nanoparticles. Studies were carried out for temperatures 25°C, 60°C and 90°C. To the slurries 0.1 or 1.0% of nanosilica was added. Slurries for temperatures 25°C and 60°C were based on Portland cement 32.5R, and the slurry for the temperature of 90°C on drilling cement G. Developed slurries were characterized by good technological parameters. The obtained set cement slurries had low porosity and their pore distribution were characterized by a small number of pores with diameters greater than 100 nm, in the range 1.3÷2.5%, which prove their compact structure and low permeability. Moreover they exhibited low gas permeability. Noteworthy is the fact that the set cements were characterized by high values of compressive strength and flexural strength as well as adhesion to pipes – compared with basic cement stone, which was caused by the addition of silica nanoparticles.