Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Zaczyny cementowe od uszczelniania otworów wiertniczych na Niżu Polskim w trudnych warunkach geologiczno-technicznych

Rzepka Marcin, Kędzierski Miłosz

Nafta-Gaz

|

2020

|

R. 76, nr 2

91--100

PL

Artykuł omawia zagadnienia związane z uszczelnianiem kolumn rur okładzinowych na obszarze Niżu Polskiego. W części wstępnej publikacji omówiono uwarunkowania geologiczno-techniczne panujące podczas wykonywania prac wiertniczych w głębokich otworach Niżu Polskiego oraz trudności jakie mogą wystąpić podczas realizowania wierceń. W części badawczej zaprezentowano wyniki testów receptur zaczynów cementowych prowadzonych w warunkach HPHT. Badania laboratoryjne wykonywano w Zakładzie Technologii Wiercenia w Instytucie Nafty i Gazu – Państwowym Instytucie Badawczym. Ramowe składy receptur zaczynów cementowych opracowane zostały w INiG – PIB przy współpracy z Serwisem Cementacyjnym działającym przy firmie Exalo należącej do grupy PGNiG. Testy zaczynów cementowych wykonywane były zgodnie z normami: Przemysł naftowy i gazowniczy – Cementy i materiały do cementowania otworów – Część 1: Specyfikacja (PN-EN ISO 10426-1:2009) oraz Przemysł naftowy i gazowniczy – Cementy i materiały do cementowania otworów wiertniczych – Część 2: Badania cementów wiertniczych (PN-EN ISO 10426-2:2003). Zaczyny cementowe sporządzano na bazie 10% lub 20% solanki NaCl. W testowanych recepturach jako spoiwo wiążące zastosowano cement wiertniczy G HSR o wysokiej odporności na siarczany. Do uszczelniania kolumn rur o średnicy 9⅝” zaproponowano dwa rodzaje zaczynów: „lekkie” oraz o „normalnej” gęstości, które badano w temperaturze 80°C. Dla kolumny rur o średnicy 7” zamieszczono propozycję ciężkich zaczynów cementowych (o regulowanej gęstości) testowanych w 95°C i 120°C. Z kolei dla kolumn rur o średnicy 5” opracowano receptury o „normalnej” gęstości dla temperatur 130°C i 160°C. Wprowadzenie do zaczynu dodatków obniżających gęstość (w przypadku zaczynu górnego dla rur o średnicy 9⅝”) pozwoliło na uzyskanie receptur o regulowanej gęstości od około 1500–1650 kg/m3 . Z kolei dodatek obciążający (dodawany do receptur proponowanych do uszczelniania rur 7”) pozwolił na opracowanie zaczynów o gęstości w granicach od około 2060 do około 2350 kg/m3 . Zastosowanie odpowiednio dobranych opóźniaczy wiązania nowej generacji, umożliwiło sporządzanie receptur dla bardzo wysokich temperatur (do 160°C). Opracowane receptury zaczynów mogą znaleźć zastosowanie w procesie cementowania kolumn rur okładzinowych podczas prac prowadzonych na Niżu Polskim w trudnych warunkach geologiczno-technicznych.

EN

The article discusses issues related to casing pipe columns sealing in the Polish Lowlands. The introductory part of the publication presents geological and technical conditions prevailing during drilling the deep boreholes in the Polish Lowlands and difficulties that may occur during drilling. The authors present the results of cement slurries recipies tests conducted under HPHT conditions. Laboratory tests were carried out at the Drilling Technology Department in Oil and Gas Institute – National Research Institute. Slurry recipes had been developed in the Oil and Gas Institute – NRI in collaboration with the Cementing Service operating at the Exalo company belonging to the PGNiG group. Cement slurry tests were carried out in accordance with the following standards: Petroleum and natural gas industries – Cements and materials for well cementing – Part 1: Specification (PN-EN ISO 10426-1:2009) and Petroleum and natural gas industries – Cements and materials for well cementing – Part 2: Testing of well cements (PN-EN ISO 10426-2:2003). Cement slurries were prepared with 10% or 20% NaCl brine as a base. The G HRS cement with high sulfate resistance was used as a binder. Two types of slurry were proposed for sealing 9⅝” casing: “lightweight” and “normal” density, which were tested at 80°C. High-density cement slurries (with adjustable density) tested at 95°C and 120°C were proposed for 7” casing column. In turn, for 5” casing column recipes with “normal” density were developed for temperatures of 130°C and 160°C. The application of density-reducing additives to the slurry (in the case of lead cement slurry of 9⅝” casing) allowed us to obtain formulations with adjustable density from 1500 to 1650 kg/m3 . In turn, the weighting material added to the slurries for sealing 7” casings allowed us to develop slurries with a density ranging from 2060 to 2350 kg/m3 . The use of appropriately selected new generation setting retarders made it possible to prepare formulations for very high temperatures (up to 160°C). The developed cement slurry formulations can be used in the process of cementing casing columns in boreholes in the Polish Lowlands in difficult geological and technical conditions.

2

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.

3

Zaczyny cementowe i cementowo-lateksowe sporządzane na bazie wody morskiej

Rzepka M.

Nafta-Gaz

|

2017

|

R. 73, nr 4

250--256

PL

W ostatnich latach coraz częściej w technologii cementacyjnej wykorzystywane są mieszaniny wiążące oparte na cieczach o różnym zasoleniu. Ma to związek z faktem, iż w wielu wypadkach konieczne jest użycie zmineralizowanej wody zarobowej, zawierającej znaczne ilości rozpuszczonych soli. Dotyczy to np. wierceń prowadzonych na platformach wiertniczych, w których jako ciecz zarobową można wykorzystać wodę morską. Woda morska jest powszechnie stosowana na wielu platformach wiertniczych, zwłaszcza w Zatoce Meksykańskiej, okolicach Alaski, Zatoce Perskiej i na Morzu Północnym. W literaturze [13] można znaleźć informacje, że woda morska jest odpowiednia do przygotowania zaczynów cementowych do uszczelniania rur okładzinowych, a własności technologiczne otrzymywanych zaczynów z kilku prób są powtarzalne i stabilne. W artykule omówiono badania laboratoryjne wykonane w INiG – PIB, mające na celu opracowanie składów zaczynów cementowych zarabianych wodą morską. W wyniku przeprowadzonych badań opracowano dwa rodzaje receptur zaczynów cementowych na bazie wody morskiej (pobranej z Morza Bałtyckiego). Były to zaczyny cementowe oraz cementowo-lateksowe testowane w temperaturach 50 i 70°C i przy ciśnieniach 25 i 35 MPa. W celu opracowania odpowiedniego zaczynu cementowego należało dobrać głównie ilość środka opóźniającego wiązanie. Zaczyny cementowe posiadały gęstości od około 1790 kg/m3 (przy zastosowaniu cementu portlandzkiego CEM I 32,5) do około 1870 kg/m3 (przy użyciu cementu wiertniczego G). Czasy początku gęstnienia opracowanych zaczynów dla temperatur 50 i 70°C wynosiły około 3÷3 ½ godziny, natomiast czasy końca gęstnienia – około 4÷4 ½ godziny. Kamienie cementowe po 7 dniach hydratacji posiadały wytrzymałość na ściskanie wynoszącą około 20÷25 MPa.

EN

In recent years, binding mixtures based on various salinity fluids are being used increasingly in cementing technologies. This is due to the fact that in many cases it is necessary to use mineralized mixing water, containing substantial quantities of dissolved salts. This applies for example to offshore drilling during which seawater can be used as mixing water. The seawater is commonly used on many offshore platforms, especially in the Gulf of Mexico, around Alaska, the Persian Gulf and the North Sea. In many publications we can find information that seawater is suitable for the preparation of cement slurries for sealing the casing and obtained cement slurries have reproducible and stable technological properties. This paper discusses the result of laboratory tests carried out in The Oil and Gas Institute – National Research Institute, for the development of formulas for cement slurries based on seawater. As a result of the tests, two kind of seawater based cement slurries (water from Baltic Sea) have been developed. Developed slurries: cement slurries and latex-based slurries were tested at temperatures 50°C and 70°C and at pressure 25 MPa and 35 MPa. The aim of laboratory tests was to develop cement slurries with the addition of an appropriate amount of retarders. Cement slurries had density in the range from 1790 kg/m3 (based on Portland cement class CEM I) to 1870 kg/m3 (based on drilling class cement G). The slurries analyses were performed at temperatures 50°C and 70oC, the beginning of their thickening time was approx. 3÷3 ½ hour, while the end of thickening time was approx. 4÷4 ½ hour. The compressive strength of cement stones was about 20÷25 MPa after 7 days of hydration.

4

Przyczyny i skutki przepływu gazu w zacementowanej przestrzeni pierścieniowej otworu wiertniczego oraz metody zapobiegania temu zjawisku

Kremieniewski M., Rzepka M.

Nafta-Gaz

|

2016

|

R. 72, nr 9

722--728

PL

W artykule zaprezentowano zagadnienia dotyczące migracji gazu. Omówione zostały poszczególne etapy występowania tego niepożądanego zjawiska. Przedstawiono przyczyny powstawania migracji gazu, skutki jego przepływu w przestrzeni pierścieniowej otworu wiertniczego oraz metody mające na celu zapobieganie temu zjawisku.

EN

The article presents the issues related to gas migration. Various stages of the occurrence of this undesirable phenomena were discussed. Causes of gas migration, the effects of the gas flow in annular space and methods to prevent this phenomenon were presented.

5

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.

6

Korelacja parametrów charakteryzujących strukturę porową kamieni cementowych badanych za pomocą porozymetrii rtęciowej oraz mikrotomografii komputerowej

Kremieniewski M., Rzepka M.

Nafta-Gaz

|

2016

|

R. 72, nr 12

1076--1083

PL

Zastosowanie zaczynów cementowych typu Gasblok do uszczelniania przestrzeni pierścieniowej w otworze wiertniczym ma na celu wyeliminowanie możliwości tworzenia się mikronieszczelności w strukturze płaszcza cementowego. Jakość stwardniałego zaczynu cementowego możliwa jest do określenia poprzez analizę parametrów uzyskanych z badań porozymetrycznych oraz mikrotomograficznych. Porozymetr AutoPore umożliwia przeprowadzenie badań mikrostruktury porowej próbek oraz określenie ich przepuszczalności, natomiast mikrotomograf rentgenowski Benchtop pozwala na wyznaczenie rozkładu przestrzennego porów oraz na ich wizualizację. Połączenie tych dwóch metod badawczych umożliwia dokonanie modyfikacji receptur lub zaprojektowanie nowego składu zaczynu, który po związaniu będzie się charakteryzował jednolitą mikrostrukturą o niskiej porowatości i przepuszczalności. Wyniki prowadzonych prac przyczyniają się do zaprojektowania składu zaczynu uniemożliwiającego przechodzenie gazu przez strukturę płaszcza cementowego, co zostało omówione w niniejszej publikacji.

EN

Use of Gasblok type cement slurries for sealing the annular space in the borehole, is intended to eliminate the possibility of the formation of microleaks in the structure of the cement sheath. The quality of the set cement slurry can be determined by analyzing the parameters obtained from porosimetric and X-ray microtomography studies. The AutoPore porosimeter enables testing of the pore microstructure of samples and determine their permeability. The Benchtop X-ray microtomograph allows to determine the spatial distribution of pores and their visualization. Combining these two methods allows recipe modification or development of new slurry composition, which will be characterized by a uniform microstructure of low porosity and permeability. The results contribute to the design of a slurry composition, which prevents gas migration through the structure of the cement sheath.

7

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.