Mekanisk Udvidelse af Steel Tubing som en løsning på Utætte brøndboringer

Introduction

Den rapporterede eksperimentelle procedure har to hovedkomponenter, der er kritiske: sammensatte cylindre, der simulerer brøndboringer og ekspansion armatur, der anvendes til at udføre mekanisk manipulation af cementen.

Brøndboringer er hovedindgangen til fremstilling af underjordiske væsker (vand, olie, gas eller damp) samt injektion af forskellige væsker. Uanset funktion, er i borehullet forpligtet til at give en kontrolleret strøm af produceret / injicerede væsker. Brøndboring konstruktion har to forskellige operationer: boring og færdiggørelse. Brøndboring cement, en del af afslutninger procedure, giver primært zonal isolation, mekanisk støtte af metalrøret (huset), og beskyttelse af metalkomponenter fra ætsende væsker. Disse er væsentlige elementer i kompromisløs, fuldt fungerende brøndboringer. Integriteten af ​​borehullet cement kappe er en funktion af de kemiske og fysiske egenskaber af den hydratiserede cement, geometri cased godt, og egenskaberne af den omgivende formation / formationsvæsker ^2,3. Ufuldstændig fjernelse af borevæske vil resultere i dårlig zoneisolering idet den forhindrer dannelse af stærke bindinger ved grænseflader med sten og / eller metal. Cement sheaths kan underkastes mange typer af fejl i løbet af livet af en brønd. Tryk og temperatur svingninger forårsaget af færdiggørelse og produktion bidrager til udviklingen af ​​frakturer i cement matrix; debonding er forårsaget af tryk og / eller temperatur ændringer og cementhydratisering svind ^4,5,6. Resultatet er næsten altid tilstedeværelsen af ​​væske flow microannular, selv om dens forekomst kan opdages tidligt eller efter års levetid.

Heathman og Beck (2006) skabt en model af cementeret beklædning udsættes for over 100 tryk og temperatur cykliske belastninger, som viste synlige debonding, indledning af cement revner, som kan udgøre præferentielle veje for at migrere væske <sup> 7. I feltet, vil udvidelse og sammentrækning af metalkomponenter i en brøndboring ikke falder sammen med cement og sten, der forårsager interfacial debonding og dannelse af en microannulus, hvilket fører til en stigning i permeabilitet af cement kappe. Et yderligere hylster belastning kan medføre udbredelsen af radiale revner i cement matrix når trækspændinger overstiger trækstyrken af materialet ^8. Alle de førnævnte cement svigt kan resultere i mikro-kanalisering, hvilket fører til gas migration, forekomsten af ​​SCP, og langsigtede miljømæssige risici.

Et betydeligt antal af producerende og forladte brønde med SCP udgør en potentiel ny kilde til kontinuerlig naturgas emission ^9. Den analyse, Watson og Bachu (2009) af 315.000 olie, gas, og injektionsbrønde i Alberta, Canada viste også, at brøndboring afvigelse, godt typen, nedlæggelse metode, og kvaliteten af ​​cement er nøglefaktorer contributing potentiel godt lækage i vestvendte del af brønden ^10. De eksisterende afhjælpende foranstaltninger er dyre og mislykkede; den trykcementering, en af de mest almindeligt anvendte afhjælpende teknikker, har en succesrate på kun 50% ^11.

I dette papir rapporterer vi om evalueringen af den udvides Casing Technology (ECT) som en ny oprydning teknik til utætte brøndboringer ^12,13. ECT kan anvendes i nye eller eksisterende brønde ^14. Den første kommercielle installation af denne teknologi blev udført af Chevron om en brønd i lavvandede farvande i Den Mexicanske Golf i november 1999 ^15. Den aktuelle operativsystem rammebeløb for udvidelige rør indkapsler en hældning på 100 ° fra lodret, temperatur op til 205 ° C, mudder vægt på 2,37 g / ^cm3, en dybde på 8.763 m, hydrostatisk tryk på 160,6 GPa og en rørformet længde 2.092 m ^16. En typisk ekspansion sats for faste udvidelige rør er enpproximately 2,4 m / min ^17.

Denne undersøgelse giver en unik tilgang til tilpasningen af ​​ECT teknologi som en ny oprydning operation for SCP. Udvidelsen af ​​stålrøret komprimerer cement, som ville resultere i lukning af gasstrømmen ved grænsefladen og forsegle gaslækage. Det er vigtigt at nævne, at fokus i denne undersøgelse er forseglingen af ​​en eksisterende microannular gas flow, derfor har vi kun fokuseret på det som en mulig årsag til utætte boringer. For at teste effektiviteten af ​​nyligt tilpasset teknologi til dette formål har vi udviklet en brøndboring model med en eksisterende microannular flow. Dette opnås ved at dreje det indre rør under cementhydratisering. Dette er ikke til at simulere operationer i marken, men blot at fremspole hvad der ville ske efter årtier med termisk og trykbelastning i et borehul.

Protocol

1. Composite Prøve (figur 1)

BEMÆRK: De fleste cement job i Den Mexicanske Golf (USA) er færdig med Class H cement ^18, derfor den samme type cement blev anvendt til at udføre lab forsøg at simulere felt-lignende tilstande, den potentielle anvendelighed af denne teknologi for SCP oprydning i den Mexicanske Golf.

1. Prøvefremstilling
   BEMÆRK: 61 cm lang prøve består af to klasse B-elektrisk modstod svejste (ERW) kulstofstål rør (figur 1). Det indre rør er 61 cm lang og har en 6 cm udvendig diameter (OD) med 2,8 mm vægtykkelse. Det ydre rør er 59,7 cm lang, har 10 cm OD og en vægtykkelse på 5,7 mm. Flydespænding og trækstyrke af rørene er 241 MPa og 414 MPa, hhv.
   1. Bor 12 huller på 2,4 mm på det ydre rør til at give lindring af tryk under ekspansion og efterligner porøsitet af sten i marken. Bor otte 8,6 mm huller næste på the yderrøret 90 ° fra hinanden med fire huller 13 cm fra toppen og fire huller 53 cm fra toppen.
   2. Tråd disse huller med 3,2 mm NPT (National Pipe Thread) threading tip til at tillade forbindelse med rørfittings og nylon slanger manifoldsamlingen på bunden (indgang) og top (udløb) side af prøven. Sørg for, at indgangs- og udgangsportene er 40,64 cm fra hinanden og bruges til at køre af præ- og post-ekspansion multi-rate gas flow-through eksperimenter.
   3. Coat yderrør med anti-korrosion spray for at forhindre korrosion under hærdningen periode, der kan interferere med forsøgene grund af dannelse af jernhydroxid og korrosionsprodukter kan forårsage microfracturing af cement.
      BEMÆRK: Dette scenarie vil blive afprøvet i de fremtidige eksperimenter som korrosion af metal er ofte til stede i borehullet systemer.
   4. Maskinen ud svejsesømmen på den indvendige væg af det indre rør.
   5. Skær skræddersyede stål kobling til en længde på 4,5 cm, fra 6,35 cm OD. Thread stykket på indersiden og svejse det til 0,63 cm tyk stålplade ring (figur 2). Tråd den nederste del af det indre rør på ydervæggen længde på 4,5 cm for at tillade forbindelse med svejsede kobling, som vist i figur 2.
   6. Svejse det ydre rør stålpladen ring.
   7. Smør indre rørets ydervæg med vaseline og bagning spray langs hele sin længde. Skrue det indre rør ind i koblingen at afslutte den sammensatte prøve samling.
   8. Cementere volumen mellem indre og ydre rør med 1,57 g / ^cm3 cementslam, 0,87 w / c ratio.
   9. Cure prøver i et vandbad ved omgivende betingelser i en periode på mindst 28 dage. Holde pH af vandbadet mellem 12 og 13 ved tilsætning af Ca (OH) ₂ til vandet for at opretholde en høj pH-miljø.
2. Fremstilling på 13,1 lb / gal cementslam (for volumen på 2,2 L)
   1. Hæld 1.350 g vand i4 L, 3,75 hestekræfter laboratorieblender og præ-hydrat 30 g (2% efter vægt af cement) af bentonit i 5 minutter ved lav hastighed (30.000 x g).
   2. Efter 5 minutter hældes 5 ml skumdæmpende middel og 1500 g cement pulver i blenderen og forskydning i 40 sekunder på høj hastighed på 51.755 x g. Hæld cementopslæmningen ind i annulus af røret forsamling og dække med en våd klud og plastikfolie at undgå udsættelse for luft og forhindrer karbonering af cement.
   3. Seks timer efter cementslammet hældes mellem rørene, rotere inderrøret en kvart dreje frem og tilbage hver 15 min til den næste 20 timer af cementhydratisering at forhindre cement binding med det indre rør og skabe en mikrokanalplade (kræves til microannular gas flow).
   4. Placer cementeret sammensatte prøve vandret i vandbad i en periode på mindst 28 dage. Sikre, at vandet bad har en pH-værdi på omkring 13, hvilket opnås ved tilsætning af 100 g Ca (OH) ₂ i 20 L vand.

2. Pre-ekspansion Flow-through Eksperimenter

1. Skru 3,2 mm fittings til fire tilgangs- og afgangsåbninger på den ydre rør af prøven. Forbind indgangs- og udløbsgrenrørene med tryktransducere til beslagene (Figur 5).
2. Presse gas cylinder til indledende indgangstryk på 50 kPa. Tænd computer software til at optage tryk.
3. Åbn flowmåler og begynde gennemstrømning test. Overvåge indløb og udløb tryk på skærmen i 1 min, som vist i figur 6.
4. Presse gasflaske til indgangstryk på 172 kPa og overvåge trykket for en anden 2 min.
5. End gennemstrømning eksperiment og tryk optagelse. Luk gasflasken og udluft resterende gas i atmosfæren. Afmonter mangfoldigheder og dækker toppen af ​​prøven med våd klud, mens du tænder udvidelsesenheden, for at forhindre karbonering og tørring af cement.
6. Coat den indvendige væg af det indre rør med lubricant for en smidig afvikling af ekspansionskeglen og prøven er klar til ekspansion.

3. Udvidelse Setup og Expansion Procedure

1. Opretholdes fuldt ekspansionsdornen fra det nedre hus af den hydrauliske cylinder, som vist i figur 4a. Anbring den sammensatte prøve med hydratiseret cement i den nederste prøve hus armaturet gennem åbningen i toppen (figur 4b).
2. Fuldt langstrakt ekspansionsdornen gennem prøven, hvorefter ekspansionskeglen med den ønskede ekspansion ratio (figur 3) glides på det, som vist i figur 4c. Skru fastholde dorn på ekspansionsdorn, skru derefter tilbageholdende dorn guide på den nederste stik på det nedre hus. Prøven er klar til ekspansion.
3. Magten hydraulisk enhed til et optimalt tryk på 10,3 MPa, og tænd computeren software til aksial kraft optagelse.
4. Aktiver control skifte til trække ekspansionsdornen og træk ekspansion gennem det indre rør af prøven dermed udvide røret og komprimere cement kappe. Udvide prøver til længden af 40,64 cm (figur 4d) og derefter langstrakt ekspansionsdornen i udgangspositionen. Stop optagelse af aksiale kræfter.
5. Skru den holdende dorn guide og tag samlerammen dorn. Tag ekspansionskeglen fra ekspansionsdornen og fuldt trække dornen for at fjerne prøven danner det nedre hus.
6. Efter at prøven er fjernet, forberede det for post-ekspansion multi-rate gas gennemstrømning eksperimenter.

4. Post-ekspansion multi-rate Flow-through Eksperimenter

1. Rene tilgangs- og afgangsåbninger fra eventuel overskydende klemt cement pasta.
2. Skru rørfittings i fire tilgangs- og afgangsåbninger på den ydre rør af prøven. Forbind indløbs- og udløbsgrenrørene til fittings, som vist i
3. Pres gasflasken på indledende indgangstryk på 172 kPa. Tænd computer software til at optage tryk.
4. Åbn flowmåler og begynde gennemstrømning test. Overvåg indløb og udløb pres på skærmen (Figur 6).
5. Efter 5 minutter under tryk gasflasken til indgangstryk på 345 kPa og overvåger trykkene i yderligere 5 min.
6. Efter 5 minutter øges indgangstrykket til 517 kPa.
7. Efter 5 minutter øges indgangstrykket til den endelige indgangstryk på 690 kPa i yderligere 5 min.
8. Afslut gennemstrømning eksperiment og tryk optagelse. Luk gasflasken og udluft resterende gas i atmosfæren. Afmonter mangfoldigheder fra prøven.

5. Beregninger af den effektive permeabilitet Microannulus

BEMÆRK: Hovedformålet med denne undersøgelse var at tilvejebringe kvalitativ information om eksistensen af ​​gasstrømmen før og efter eXpansion. Det eksperimentelle design ikke besidder avancerede komponenter at være i stand til at måle bredden af ​​kanalen og strømningshastigheden nøjagtighed. I løbet af disse indledende forsøg forsegling af gasstrømmen var hovedfokus. Derfor nogen beregninger permeabilitet vist her, er mere semi-kvantitativ og ikke Hovedformålet med undersøgelsen.

1. Til beregning af den effektive permeabilitet, skal du bruge den konstante nitrogenstrømningshastighed ca. q = 1,42 ^cm3 / sek ved tryk stabilisering. Gassen afvigelse faktor for nitrogen ved omgivende forhold er Z = 1 og viskositet μ = 0,018 cP. Foretage alle de gennemstrømnings-test i det omgivende miljø i T = 535 ºR.
2. Beregne arealet af cementerede ringformede rum ved at tage indre radius af det ydre rør, r _Oinn = 4,6 cm og ydre radius af det indre rør, r _Iout = 3,05 cm. Afstanden mellem tilgangs- og afgangsåbninger (AL) er 40,64 cm. Trykforskel (P _indløb -P _udløb), recbestilte ved indløb og udløb tryktransducere, er den eneste variabel, der anvendes i beregninger af effektiv permeabilitet af præfabrikerede microannulus (K _ef) ^19:
   Eq. 1
   q - nitrogenstrømningshastighed ^[cm3 / sec] K _ef - effektiv perm. af microannulus [mD]
   r _Iout - ID ydre rør [cm] r _Oinn - OD af inderrøret [cm]
   μ - gas viskositet [cP] Z - gas afvigelse faktor
   T - tempere [ºR] AL - Afstanden mellem tryktransducere [cm]
   P _indløb - indgangstryk [atm] P _stikkontakt - afgangstryk [atm]
3. Erstatte alle de ovennævnte værdier i ligning 1 og beregne den effektive permeabilitet som vist nedenfor i eksempel 1. indgangstryk registreret under præ-ekspansion gennemstrømning forsøg var P _indløb = 12 kPa (0,12 atm) mens udløbet tryktransducer var P _udløb = 0,4 kPa (0,004 atm).
   Eksempel 1:

Representative Results

Pre-ekspansionsgas gennemstrømnings-test på den sammensatte prøve viste pres optagelse på afgangssiden tryktransducer, bekræfter gasstrømmen gennem præfabrikerede microannulus (figur 7 og 8). Oprindelige betingelser blev holdt den samme, hvor den første indgangstryk var 103 kPa og gasstrømningshastigheden blev holdt på 85 ml / min for denne periode. Den tidsforskydning i pres optagelse mellem tilført og udsuget tryktransducere var 7,5 sekunder, mens de højeste tryk registreres efter en stigning indgangstrykket til 172 kPa blev 117 kPa (indgang) og 20,7 kPa (udløb). På grund af præferentiel strømning af gas gennem microannulus er hele permeabilitet taget som den effektive permeabilitet af microannulus (K _ef). Stabiliseret tryk, der anvendes i K _ef beregninger var P _indløb = 12 kPa og P _stikkontakt = 0,4 kPa, hvilket giver en microannulus effektiv permeabilitet på K _ef = 0,66 D. Eventuelt resterende stressinden for cement matrix grundet rør ekspansion og dens virkning på permeabilitet er ubetydelig.

Den anden gas flow-through test blev kørt umiddelbart efter indførelse af en 8% ekspansion ratio, med en gradvis stigning i indgangstryk ved 172 kPa hvert femte minut fra et begyndelsestryk på 172 kPa til et endeligt tryk på 690 kPa. Testen viste ingen pres optagelse på udløbstrykket transducer, som vist i figur 9.

Den samme fremgangsmåde blev gentaget efter 24 timer og derefter efter 60 dage. Begge tests viste ingen trykmålinger på udløbstrykket transducer, som bekræftede, at udvidelsen på 8% lykkedes at lukke microannular gasstrømmen i borehullet model. Fire yderligere prøver blev udvidet med forskellige udvidelsesforhold (2% og 4%) og testet for flow på samme måde som den ovennævnte prøve. De samme resultater blev opnået og bekræftet den vellykkede forsegling af microannular gasstrøm(Tabel 1). Det er vigtigt at nævne, at hver prøveforberedelse kræver arbejdskrævende forberedelse og tid, hvilket er grunden til at det ikke kan sammenlignes med simple studier af cement kerner, der kan formes ubesværet i stort tal.

Prøve	K ef [D]	Ekspansionsforhold [%]	K ef [D]	K ef [D]	K ef [D]
			0 timer	24 timer	60 dage
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 x 10 -7	0	0

Tabel 1. Liste over prøver med beregnede microannulus effektive permeabiliteter (K _ef) og post-ekspansion resultater af gennemstrømnings-test udføres umiddelbart, 24 timer og 60 dage efter ekspansion.

Figur 1. Brøndboring model skematisk. Ovenfra viser cement (rød farve) mellem indre og ydre rør. Pilen peger i retning af ekspansion. Set nedefra viser stålplade ring svejst til ydre rør og rør kobling. Indre rør er skruet ind i koblingen (SCAle er i inches).

Figur 2. Metal komponenter i den nederste del af borehullet model:... En stålplade ring (0,63 cm i tykkelse) b 6,35 cm OD stålrør koblingsmidler c Rørforskruning svejset på stålplade ring; d gevind del af. det indre rør er skruet ind i røret koblingen e. Endelig samling. Sidste del af borehullet model er det ydre rør, som er placeret ved enden og svejset for stålpladen ring på det ydre område.

Figur 3. a Expansion kegler med 2%, 4% og 8% ekspansionsforhold;. B. Set fra siden af 2% ekspansionsforhold kegle. Alle co Nes have 14 ° kegle vinkel og er skræddersyet af legeret stål, som blev varmebehandlet til hårdhed 60 RC.

Figur 4. Opsætning og ekspansion proces (ovenfra): a. ekspansionsdornen tilbageholdes med henblik på at fjerne det nedre hus til placering af den sammensatte prøve b. den sammensatte prøve anbringes i det nedre hus og ekspansionsdornen er fuldt forlænget gennem inderrøret; c. ekspansionskeglen glides på ekspansionsdornen. Forstørret visning viser ekspansionskeglen bliver holdt på plads med den holdende dorn d. ekspansionsdornen bevares og ekspansionskeglen trækkes gennem det indre rør (rød pil viser retningen af ​​udvidelse).

Ad 5 "src =" / files / ftp_upload / 52.098 / 52098fig5highres.jpg "/>
Figur 5. Tilbage og forfra af prøven viser gas manifold med rørfittings og nylon slange. Tættere visning af indsugnings- og udløbsgrenrørene viser positionering af tryktransducere.

Figur 6. Flow-through forsøgsopstilling. Flowmåleren (FM) styrer nitrogengasstrøm (røde pile) i hele forsøget. Gasstrømme og træder den sammensatte prøve på indsugningsmanifolden hvor indløbet tryktransducer (PT-1) registrerer indgangstryk. Gas strømmer gennem prøvens præfabrikerede microannulus og trykket optagelse på udløbsfordeleren s tryktransducer (PT-2) giver information om, hvorvidt der er en forbindelse og microannular gas migration gennem den sammensatte prøve. Tryk transproducenter er forbundet til dataopsamlingssystem og tryk overvåges og registreres i real tid på computeren og til rådighed til at se på skærmen. Forstørret visning viser installation af rørfittings.

Figur 7. Pre-ekspansion gas gennemstrømning testdata plot, der viser registrerede pres på både indgangs- og afgangstryk transducere, bekræfter microannular gasstrømmen gennem brøndboringen model. Udgangs indgangstryk på gasflasken var 50 kPa, og det blev forøget til 172 kPa, hvilket resulterede i en stigning af både pres på indløbs- og udløbsåbningerne.

Figur 8. Pre-ekspansion gas gennemstrømning testdata semi-log plot tydeligt viser et tryk differential (AP) mellem tryk, der er registreret på suge- og afgangstryk transducere. Baseret på den målte AP, beregninger af effektiv permeabilitet af microannulus resulterede i en værdi på 660 mD.

Figur 9. Multi-rate gas gennemstrømning testdata plot registreres straks efter ekspansion med 8% ekspansionsforhold kegle. Efter en gradvis forøgelse på 172 kPa i indgangstryk på gasflasken hver fem minutter fra 172 kPa til 690 kPa, var der ingen optegnelser pres på afgangssiden tryktransducer, hvilket indikerer vellykket oprydning på microannular gas flow.

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