Introduction
坑井セメントの機械的操作を行うために使用される拡張具をシミュレート複合シリンダー：報告された実験手順は極めて重要である2つの主要な構成要素を有している。
坑井は地下流体（水、油、ガス、または蒸気）の製造と同様に種々の流体を注入するための主要なゲートウェイである。かかわらず、その機能の、坑井が生成/注入された流体の制御された流れを提供するために必要である。掘削および完成：坑井の建設は、2つの異なる事業を展開しています。坑井のセメント、補完手順の一部は、主に帯状の分離、金属パイプ（ケーシング）の機械的支持、及び腐食性流体からの金属成分の保護を提供する。これらには、妥協のない、完全に機能する坑井の不可欠な要素です。坑井のセメントシースの完全性は、cの形状、水和セメントの化学的および物理的特性の関数であるよくASED、及び周囲の形成/形成の特性は、2,3、流体。それは岩及び/又は金属との界面での強い結合の形成を妨げるので、掘削流体の不完全な除去が貧弱な帯状の分離になります。セメントシースは、井戸の寿命の間に障害の多くの種類を行うことができる。完成と生産の操作によって生じる圧力と温度振動はセメントマトリックス内骨折の発展に貢献する。剥離は、圧力および/ または温度変化やセメント水和収縮4,5,6によって引き起こされる。その発生の初期または寿命の年後に検出することができるが、結果は、ほとんど常にmicroannular流体の流れの存在である。
ヒースマンとベック（2006）は、流体移行するための優先的な経路をもたらす可能性がセメントクラックの見える剥離、開始を示し、100を超える圧力と温度繰返し荷重にさらさ接合ケーシングのモデルを作成した<SUP> 7。フィールドには、坑井の金属成分の伸縮は、セメントシースの透過性の増加につながる、microannulusの界面剥離と形成を引き起こす、セメント及び石のものと一致しないであろう。引張応力は材料8の引張強度を越えると、増設筐負荷がセメントマトリックス内の半径方向のクラックの伝播を引き起こす可能性がある。上記のセメントの障害のすべては、ガス移行、SCPの発生、および長期的な環境リスクにつながるマイクロチャネリングをもたらすことができる。
SCPとの生産と放棄された井戸の相当数は、連続天然ガス放出9の潜在的な新しいソースを構成している。アルバータ州、カナダで315,000石油、ガス、および注入井戸のワトソンとバチュー（2009）が行った分析も坑井偏差、ウェルタイプ、放棄方法、およびセメントの品質が重要な要因の共同であることを示したウェル10の浅い部分でのポテンシャル井戸漏れntributing。既存の救済操作はコストがかかり、失敗した。スクイズセメント、最も一般的に使用される救済技術の一つは、わずか50〜11％の成功率を有している。
本論文では、漏洩坑井12,13のための新たな浄化技術として拡張ケーシング·テクノロジー（ECT）の評価について報告する。 ECTは、新規または既存の井戸14に適用することができる。この技術の最初の商用インストールは、1999年11月15にメキシコ湾の浅瀬でよく上シェブロンによって行われた。拡張可能なチューブラー用の現在の動作包絡線は205℃までの垂直、温度から100°の傾斜をカプセル化し、 2.37グラム/ cm 3であり、8763メートル、160.6 GPaでの静水圧と筒の長さ2092メートル16の深さまで泥の重み。固体膨張チューブラーの典型的な膨張率であるpproximately 2.4メートル/ 17分。
この研究は、SCPのための新たな修正操作としてECT技術の適応へのユニークなアプローチを提供しています。鋼管の膨張は界面におけるガス流の閉鎖をもたらし、ガス漏れをシールするであろうセメントを圧縮する。したがって、我々は唯一のリーキー坑の原因として、その焦点を当て、この研究の焦点は、既存のmicroannularガス流のシールであることを言及することが重要である。この目的のために、新たに適応技術の有効性を試験するために、我々は、既存のmicroannular流と坑井モデルを設計した。これは、セメント水和の際に内管を回転させることによって得られる。これは任意のフィールドの操作をシミュレートするためではなく、単に早送りする坑井の熱と圧力荷重の数十年後に何が起こるかではありません。
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Protocol
1.複合試料（図1）
NOTE：メキシコ湾（USA）のほとんどのセメントジョブがクラスHセメント18を使用して行われるため、セメントの同じタイプのフィールドのような条件をシミュレートする実験室実験を行うために使用された、SCPするためのこの技術の潜在的な適用性メキシコ湾の修復。
- 試料調製
注：61-cmの長いサンプルでは、2つのグレードのBに電気的に抵抗溶接され（ERW）炭素鋼鋼管（ 図1）で構成されています。内管は、長さ61cmであるが2.8mmの壁の厚さの直径（OD）の外側に6cm有する。外管は、59.7センチ、10センチOD 5.7程度の肉厚を有する。降伏強度とパイプの引張強度は、それぞれ、241メガパスカルと414 MPaである。- フィールド条件の拡大や岩の模倣気孔率の間に圧力の緩和を提供するために、外管に2.4ミリメートルの12の穴を開けます。目の上の次のドリル8 8.6ミリメートル穴E外管、90°離れ4穴トップ13センチ、4穴、上から53センチメートル付き。
- サンプルの一番下（入口）とトップ（出口）側の管継手とナイロンチューブマニホールドアセンブリとの接続を可能にするために3.2ミリメートルNPT（ナショナルパイプスレッド）スレッドチップでこれらの穴に糸を通す。入口と出口ポートは40.64センチメートル離れており、前後の拡張マルチレートガス流通実験を実行するために使用されていることを確認。
- セメントのmicrofracturingを引き起こす可能性が水酸化鉄や腐食生成物の形成に起因する実験を妨げる可能性硬化期間中に腐食を防止する腐食防止スプレーでコート外管。
注：金属の腐食は、多くの場合、坑井システム内に存在するので、このシナリオは、将来の実験で試験する。 - 内管の内壁に溶接ビードアウトマシン。
- 6.35センチメートル外径パイプから4.5センチの長さにカスタムメイドのスチールカップをカット。 T内壁部分をhread 0.63 1cm厚鋼板リング（ 図2）に溶接する。 図2に示すように、溶接、カップリングとの接続を可能にするために4.5センチメートルの長さの外壁に内管の底部を通します。
- 鋼板リングの外管を溶接する。
- その全長に沿って石油ゼリーとベーキングスプレーで内管の外壁に注油してください。複合試料アセンブリを完了するために、カップリングに内側パイプをねじ込み。
- 比C / W 1.57グラム/ cm 3のセメントスラリーを0.87内側と外側管との間の体積を固める。
- 28日以上の期間、周囲条件下での水浴中で試料を硬化させる。高いpH環境を維持するために水のCa（OH）2を添加することによって12と13との間の水の浴のpHを維持する。
- 13.1ポンド/ガロンのセメントスラリーの製造（2.2 Lのボリューム用）
- への水の1350グラムを注ぐ4 L、3.75馬力ラボブレンダー、低速（30,000×gで）上で5分間ベントナイトプレ和物30グラム（セメントの2重量％）。
- 5分後、消泡剤を5ml及び51755×gでの高速での40秒間の剪断ブレンダーにセメント粉末1500gを注ぐ。パイプ組立体の環状部にセメントスラリーを注ぎ、空気への暴露を避け、セメントの炭酸化を防ぐために、濡れた布やプラスチックラップでカバーしています。
- セメントスラリーは、パイプの間に注ぐ六時間後、内管バック四半期ターン前後セメント水和の次の20時間15分ごとに内管をセメント接着を防止し、マイクロチャネルを作成する回転（microannularために必要ガスフロー）。
- 28日以上の期間のための水浴中で水平に超硬合金複合試料を置きます。水浴の水20 LへのCa（OH）2を100g添加することによって達成される約13のpH値を有することを確認してください。
2.予備発泡フロースルー実験
- サンプルの外管には4つの入口および出口ポートに3.2ミリメートル継手をねじ込み。継手への圧力変換器（ 図5）と、入口と出口マニホールドを接続します。
- 50キロパスカルの最初の入口圧力に、ガスシリンダを加圧する。圧力を記録するためにコンピュータソフトウェアをオンにします。
- 流量計を開き、フロースルーテストを開始。入口監視し、 図6に示すように、1分間画面に圧力を出口。
- 172キロパスカルの圧力を入口さらに2分間圧力を監視するためにガスシリンダを加圧する。
- エンドフロースルー実験および圧力記録。ガスボンベを閉じて、大気中に残留ガスを排出。マニホールドを解体し、炭酸化、セメントの乾燥を防ぐために、拡張ユニットに電力を供給しながら、濡れた布でサンプルの上をカバーしています。
- コートリットルと内管の内壁スムーズな拡張コーンのランニングとサンプル用のubricantは拡張のための準備ができている。
3.拡張セットアップと展開手順
- 図4aに示すように、完全に、油圧シリンダによって下部ハウジングから拡張マンドレルを保持する。上部の開口部を通して固定具の低いサンプルハウジング（ 図4b）で水和セメントと複合試料を置きます。
- 完全に図4cに示すように、所望の発泡倍率（ 図3）と拡張コーンは、その上に滑り込まされた後、試料を拡張マンドレル細長い。拡張マンドレル上に保持マンドレルをねじ込み、その後、下部筐体の下側のコネクタに保持マンドレルガイドをねじ込みます。サンプルでは、拡張のための準備ができている。
- 10.3 MPaでの最適圧力に油圧ユニットに電力を供給し、かつ軸力記録のためのコンピュータソフトウェアをオンにします。
- COをアクティブ拡張マンドレルを引っ込め、したがって、パイプを拡大し、セメント鞘を圧縮する、サンプルの内管を通じて拡大を引っ張って切り替えるntrol。 40.64センチメートル（ 図4d）の長さにサンプルを展開し、元の位置へと拡張マンドレルを細長い。軸力の記録を停止します。
- 保持マンドレルガイドを外し、保持マンドレルを取り外します。拡張マンドレルから拡張コーンを脱いで、完全に下部筐体を形成したサンプルを除去するために、心棒を撤回。
- サンプルを除去した後、拡張後のマルチレートガス流通実験の準備をします。
4.ポスト拡張マルチレートフロースルー実験
- 搾りセメントペーストの余分からのクリーン入口および出口ポート。
- サンプルの外管には4つの入口および出口ポートに管継手をねじ込み。に示すように、継手に入口及び出口マニホルドを接続する
- 172キロパスカルの入口圧力を初期のガスボンベに圧力をかける。圧力を記録するためにコンピュータソフトウェアをオンにします。
- 流量計を開き、フロースルーテストを開始。入口監視し、画面（ 図6）上の圧力を出口。
- 5分後、345キロパスカルの圧力入口さらに5分間圧力を監視するためのガスシリンダを加圧する。
- 5分後517キロパスカルへの入口圧力を上昇させる。
- 5分後、さらに5分間、690キロパスカルの最後の入口圧力と入口圧力を増加させる。
- フロースルー実験と圧力録音を終了。ガスボンベを閉じて、大気中に残留ガスを排出。サンプルからマニホールドを解体。
Microannulusの実効透磁率5.計算
注：この研究の主な目的は、電子の前後のガス流の存在に関する定性的情報を提供することであったxpansion。実験デザインは、チャネルの幅を測定し、速度精度を流すことができるように洗練された構成要素を有していない。ガス流の封これらの予備実験の間の主な焦点であった。したがって、ここに示されている透過性の計算のいずれかは、研究のより半定量的ではなく、主な目標である。
- 有効透過率の計算のために、圧力安定化の際= 1.42センチメートル3 / secで約qの一定の窒素流量を使用。周囲条件における窒素ガスの偏差因子は、Z = 1、粘度μ= 0.018 cPである。 T = 535ºRの周囲条件で、すべてのフロースルーテストを実施。
- 外管の内径をとることによって接合環状空間の面積を計算し、rはOinn = 4.6センチメートル、内管の外半径r = 3.05 Ioutは cmである。入口および出口ポート（ΔL）との間の距離は40.64センチメートルある。圧力差（P 入口 -P アウトレット ）、REC入口と出口の圧力変換器によってorded、予め製造microannulus（K個のEF）19の実効透磁率の計算に使用される唯一の変数は、次のとおりです。
式。 1
Q -窒素流量[cm 3程度/ sec]でのK EF -効果的なパーマ。 microannulusの[のmD]
R Ioutは -外管のID [CM] R Oinn -インナーパイプの外径[cm]で
μ -ガス粘度[cPで] Z -ガス偏差因子
T - temperatu再[ºR]ΔL -圧力変換器間の距離[cm]で
P 入口 -入口圧力[ATM] P アウトレット -アウトレット圧力[ATM] - 式（1）に上記の値の全ての代替と出口圧力変換器があった予膨張フロースルー実験中に記録された入口圧力がP 入口 = 12キロパスカル（0.12気圧）であった実施例1で以下に示すように、実効透磁率を計算するP アウトレット = 0.4キロパスカル（0.004気圧）。
例1：
式。 1 
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Representative Results
複合サンプル上予膨張ガス流通試験は、事前に製造されたmicroannulus（ 図7および8）を介してガスの流れを確認し、出口圧力トランスデューサに圧力記録を示した。最初の注入口の圧力は103キロパスカルであり、ガス流量は、その期間を85 ml /分で保持したところ、初期条件が同じに保たれた。最高圧力は172キロパスカル入口圧力を増加した後に記録しながら、入口と出口圧力変換器との間の圧力記録の時間遅れは、7.5秒であり、117キロパスカル（入口）及び20.7キロパスカル（出口）であった。原因microannulusを通るガスの優先的流れに、全体の透過性がmicroannulus（K個のEF）の実効透磁率としている。 K efを計算で使用安定化圧力はK エフ = 0.66 D.のmicroannulus実効透磁率どれ残留応力を与え、P 入口 = 12キロパスカル及びP 出口 = 0.4キロパスカルであったセメントマトリックス内により拡管および透過性に対するその影響を無視できる。
第二のガスフロースルー試験は690キロパスカルの最終圧力172キロパスカルの初期圧力から172キロパスカル5分ごとによる入口圧力が徐々に増加して、8％の膨張比を課した直後に実行された。 図9に示すように、テストは、出口圧力変換器への記録に圧力を示さなかった。
同じ手順を、24時間後、60日後に繰り返した。両方の試験は、8％の膨張率は、坑井モデルにおけるmicroannularガスの流れを開閉することに成功したことが確認され、出口圧力変換器には圧力測定値を示さなかった。 4つの追加のサンプルは、異なる膨張率（2％および4％）で展開し、上記のサンプルと同じ方法で流れについて試験した。同様の結果が得られ、microannularガス流の成功したシールを確認した（ 表1）。これは、各試料調製は、それが大量に楽に成形することができるセメントコアの簡単な研究と比較することができない理由は労働集約的準備と時間を必要とすることに言及することが重要である。
| サンプル | のK EF [D] | 膨張比[％] | のK EF [D] | のK EF [D] | のK EF [D] |
| 0時間 | 24時間 | 60日 | |||
| 1 | 0.14 | 4 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 0.66 | 8 | 0 | 0 | 0 |
| 3 | 2.11 | 2 | 0 | 0 | 0 |
| 4 | 2.31 | 2 | 0 | 0 | 0 |
| 5 | 7.04 | 8 | 3×10 -7 | 0 | 0 |
計算されたmicroannulus実効透磁率（K個のEF）およびフロースルーすぐに実施されたテスト、24時間および60日拡張後の拡張後の結果とサンプルの表1.リスト。
図1。坑井モデル概略図。トップビューでは、内と外管との間にセメント（赤色）を示している。矢印は拡大の方向を指しています。底面図は、外管と管継手に溶接された鋼板リングを示している。インナーパイプカップリングにねじ込まれる（SCAル）はインチ単位である。
底坑井モデルの一部の図2の金属コンポーネント：鋼板リング（厚さ0.63センチ）と、b 6.35センチメートルOD鋼の管継手は、工程; cパイプカップリングは、鋼板リングに溶接するステップと、dのネジ切り部分。内管は、管継手にねじ込まれている; E完成アセンブリ。坑井モデルの最後の部分は、外側領域に鋼板リングのための端に配置され、溶接された外管である。
図3は2％、4％および8％の膨張比を有する拡張コーン; 2％の膨張比コーンb の側面図。すべての共同 NEは14°の円錐角を有しており、カスタムメイド60 RCの硬度まで熱処理した合金鋼からである。
図4.セットアップおよび拡張プロセス（上面図）：。拡張マンドレルは、複合試料を配置するための下部ハウジングをクリアするために保持されると、b。複合サンプルは、下部ハウジング内に配置され、拡張マンドレルが完全に内管を通って延伸する工程と、c。拡張コーン拡張マンドレル上に滑り込まされる。拡大図は、保持マンドレルを所定位置に保持されている拡張コーンを示すステップと、d。拡張マンドレルが保持され、拡張コーン内管を通って引っ張られている（赤矢印は拡大の方向を示している）。
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図5に戻ると、管継手、ナイロンチューブをガスマニホールドアセンブリを示すサンプルの正面図。圧力変換器の配置を示す入口及び出口マニホールドの拡大図。
図6.フロースルー実験。流量計（FM）は、実験を通して窒素ガス流（赤矢印）を制御する。ガス流入口圧力変換器（PT-1）の入口圧力を記録し、入口マニホールドの複合試料に入射する。ガスは、サンプルの予め製造microannulusを通って流れ、出口マニホルドの圧力変換器への記録圧力は（PT-2）は、複合サンプルを通る接続とmicroannularガスの移行があるかどうかの情報を提供する。圧力トランスducersは、データ収集システムに接続され、圧力が監視され、コンピュータにリアルタイムで記録し、画面上に表示するために利用される。拡大図は、管継手の取り付けを示しています。
坑井モデルを通じてmicroannularガス流を確認した入口と出口の圧力変換器の両方に登録された圧力を示す図7の事前膨張ガスフロースルー試験データのプロット。ガスシリンダー上の出発入口圧力が50キロパスカルであり、それは、入口および出口ポートの両方に圧力スパイクを生じ172キロパスカルに増加した。
明らかに圧力ジを示す図8の事前膨張ガスフロースルーテストデータの半対数プロット入口と出口の圧力トランスデューサに登録圧力の間fferential（ΔP）。測定されたΔPに基づいて、microannulusの実効透磁率の計算は660のMD値となった。
図9.マルチレートガスフロースルーテストデータプロット直ちに8％膨張比コーンと拡張後に記録。ガスボンベ690キロパスカルまで172キロパスカルから5分ごとに入口圧力172キロパスカルの漸増後、microannularガス流の成功した修復を示し、出口圧力変換器には、記録され、圧力がなかった。
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Acknowledgments
著者は、彼らの助けとサポートのために、以下の人々や機関に感謝したいと思います：ウィリアム·ポルタスとジェームズヒースマン（産業·アドバイザーズ、シェルE＆P）、リチャード·リトルフィールドとロドニーペニントン（シェルWesthollow技術センター）、ダニエレ·ディ·クレシェンツォ（シェルリサーチさてエンジニア）、ビル·カールーザーズ（ラファージュ）、ティム·カーク（現シェブロン付き）、ジェリーMastermanとウェイン·マヌエル（LSU PERTTラボ）、リック·ヤング（LSU岩石力学研究室）、およびSEERラボ（AROME Oyibo、タオタオのメンバー、およびIordan Bossev）。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ASTM A53 Grade B ERW Schedule 40 Steel pipe - OD=10.16 cm, ID=10.04 cm, L=59.7 cm | Baker Sales | BPE-4.00BB40 | |
| ASTM A53 Grade B ERW Schedule 10 Steel pipe - OD=6 cm, ID=5.94 cm, L=61 cm | Service Steel | n/a | |
| Expansion Cones - AISI D2 grade alloy steel (60 RC hardness) | Shell | Custom-made | |
| Pipe coupling - OD=6.35 cm, ID=6 cm, L=4.4 cm | LSU | Custom-made | |
| Steel plate ring - OD=10.16 cm, ID=5.76 cm, thickness=6.35 mm | Louisiana Cutting | Custom-made | |
| Class H Cement | LaFarge | 04-16-12 / 14-18 | |
| Defoaming agent - D-Air 3000L | Halliburton | n/a | |
| Bentonite clay | LSU | n/a | |
| Calcium hydroxide | LSU | n/a | |
| Expansion Fixture | Shell | Custom-made | |
| Pressure transducers | Omega | PX480A-200GV | |
| Teflon tubing | Swagelok | PB0754100 | |
| Union tee | Swagelok | SS-400-3 | |
| Elbow union | Swagelok | SS-400-9 | |
| Female elbow | Swagelok | SS-400-8-8 | |
| Port connector | Swagelok | SS-401-PC | |
| Forged body valve | Swagelok | SS-1RS4 | |
| Tube adapter | Swagelok | SS-4-TA-1-2 | |
| Pipe lubricant | E.F. Houghoton & Co. | 71323998 | |
| Instant Galvanize Zinc Coating | CRC | 78254184128 |
References
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