Introduction
La procedura sperimentale riportato ha due componenti principali che sono critici: cilindri compositi che simulano i pozzi e l'apparecchio di espansione che viene utilizzato per effettuare la manipolazione meccanica del cemento.
I pozzi sono la porta principale per la produzione di fluidi del sottosuolo (acqua, olio, gas o vapore) e iniezione di fluidi diversi. Indipendentemente dalla sua funzione, il pozzo è tenuto a fornire un flusso controllato di / fluidi iniettati prodotte. Costruzione del pozzo ha due operazioni distinte: la perforazione e il completamento. Cemento pozzo, parte della procedura completamenti, fornisce principalmente l'isolamento zonale, supporto meccanico del tubo metallico (involucro), e la protezione dei componenti metallici da fluidi corrosivi. Questi sono gli elementi essenziali di compromessi, i pozzi pienamente funzionanti. L'integrità della guaina cemento pozzo è funzione delle proprietà chimiche e fisiche del cemento idratato, la geometria della cASED bene, e le proprietà del circostante formazione / formazione Fluidi 2,3. Rimozione incompleta del fluido di perforazione si provocherebbe un calo isolamento zonale in quanto impedisce la formazione di legami forti a interfacce con rock e / o metallo. Guaine cemento possono essere sottoposti a molti tipi di guasto durante la vita di un pozzo. Pressione e temperatura oscillazioni causate dalle operazioni di completamento e di produzione contribuiscono allo sviluppo di fratture all'interno della matrice cementizia; debonding è causato dalla pressione e / o variazioni di temperatura e di idratazione ritiro 4,5,6. Il risultato è quasi sempre la presenza di flusso di fluido microannular, anche se la sua presenza può essere rilevata presto o dopo anni di vita di servizio.
Heathman e Beck (2006) hanno creato un modello di telaio cementato sottoposto a più di 100 carichi ciclici di pressione e temperatura, che hanno mostrato debonding visibile, iniziazione di crepe cementizi in grado di rappresentare i percorsi preferenziali per la migrazione del fluido <sup> 7. Nel campo, l'espansione e la contrazione di componenti metallici di pozzo non coincidere con quelli di cemento e rocce, provocando debonding interfacciale e la formazione di un microannulus, portando ad un aumento della permeabilità della guaina di cemento. Un ulteriore involucro di carico può provocare la propagazione di cricche radiali nella matrice cementizia volta le tensioni di trazione superano la resistenza a trazione del materiale 8. Tutti i fallimenti cemento suddetti possono causare micro-canalizzazione che porta alla migrazione di gas, il verificarsi di SCP, e rischi ambientali a lungo termine.
Un numero considerevole di produzione e abbandonati pozzetti con SCP rappresentano una potenziale nuova fonte di emissioni di gas naturale continua 9. L'analisi condotta da Watson e Bachu (2009) di 315.000 petrolio, gas, e pozzi di iniezione in Alberta, Canada ha anche mostrato che la deviazione del pozzo, e tipo, metodo di abbandono, e la qualità del cemento sono fattori chiave contributing a potenziali perdite bene nella parte meno profonda del pozzo 10. Le operazioni di recupero esistenti sono costosi e senza successo; la cementazione compressione, una delle tecniche di riparazione più comunemente utilizzati, ha un tasso di successo di appena il 50% 11.
In questo articolo riportiamo sulla valutazione della Cassa tecnologia espandibile (ECT) come nuova tecnica di bonifica per i pozzi che perde 12,13. ECT può essere applicato in nuove o esistenti pozzi 14. La prima installazione commerciale di questa tecnologia è stata effettuata da Chevron in un pozzo nelle acque del Golfo del Messico poco profonde nel novembre 1999 15. La busta di funzionamento corrente dei tubolari espandibili incapsula una inclinazione di 100 ° rispetto alla verticale, temperatura fino a 205 ° C, Peso fango a 2,37 g / cm 3, una profondità di 8.763 m, pressione idrostatica di 160,6 GPa e una lunghezza tubolare 2.092 m 16. Un tasso di espansione tipica per tubolari espandibili solido è unpproximately 2,4 m / min 17.
Questo studio offre un approccio unico per l'adattamento della tecnologia ECT come una nuova operazione di bonifica per SCP. L'espansione del tubo in acciaio comprime il cemento che comporterebbe la chiusura del flusso del gas all'interfaccia e sigillare la perdita di gas. E 'importante ricordare che l'obiettivo di questo studio è la tenuta di un flusso di gas microannular esistente, quindi ci siamo concentrati solo su quello come possibile causa di i pozzi che perde. Al fine di testare l'efficacia della tecnologia recentemente adattato per questo scopo, abbiamo progettato un modello di pozzo con un flusso microannular esistente. Ciò è ottenuto ruotando il tubo interno durante idratazione del cemento. Non si tratta di simulare tutte le operazioni sul campo, ma semplicemente far avanzare rapidamente quello che sarebbe successo dopo decenni di carico termico e di pressione in un pozzo.
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Protocol
1. campione composito (Figura 1)
NOTA: La maggior parte dei posti di lavoro di cemento nel Golfo del Messico (USA) sono fatte con Classe H cemento 18, quindi, lo stesso tipo di cemento è stato utilizzato per eseguire gli esperimenti di laboratorio per simulare le condizioni sul campo, come la potenziale applicabilità di questa tecnologia per SCP bonifica nel Golfo del Messico.
- Preparazione del campione
NOTA: Il campione di circa 61 cm è costituito da due di grado B elettricamente resistito tubi saldati (ERW) in acciaio al carbonio (Figura 1). Il tubo interno è di circa 61 cm ed ha un 6 cm all'esterno diametro (OD) con spessore 2,8 millimetri. Il tubo esterno è lungo 59,7 centimetri, ha 10 centimetri diametro e uno spessore di 5,7 mm. Snervamento e la resistenza alla trazione dei tubi sono 241 MPa e 414 MPa rispettivamente.- Perforare 12 fori per 2,4 mm tubo esterno per fornire il sollievo della pressione durante l'espansione e porosità mimica di rocce in condizioni di campo. Praticare otto fori 8,6 millimetri prossimi su The tubo esterno, 90 ° con quattro fori 13 cm dal bordo superiore e quattro fori 53 centimetri dalla cima.
- Far passare questi fori spessore 3,2 mm, NPT (National Pipe Thread) punta filettatura per consentire la connessione con raccordi e tubi di nylon gruppo collettore sul fondo (ingresso) e superiore (uscita) lato del campione. Accertarsi che le porte di ingresso e uscita sono 40,64 centimetri a parte e sono utilizzati per l'esecuzione di esperimenti di flusso continuo di gas multi-rate pre- e post-espansione.
- Cappotto tubo esterno con anti-spray per prevenire la corrosione durante il periodo di maturazione che potrebbe interferire con gli esperimenti a causa della formazione di idrossido di ferro e prodotti di corrosione potrebbe causare microfratture del cemento.
NOTA: Questo scenario sarà testato nei futuri esperimenti come corrosione del metallo è spesso presente nei sistemi di pozzo. - Macchina il cordone di saldatura sulla parete interna del tubo interno.
- Tagliare di aggancio in acciaio su misura per una lunghezza di 4,5 cm da 6,35 centimetri di dimensioni esterne. Thread il pezzo sulla parete interna e saldare al 0,63 centimetri anello piastra di acciaio di spessore (Figura 2). Infilare la parte inferiore del tubo interno sulla parete esterna di lunghezza di 4,5 cm per consentire il collegamento con il giunto saldato, come illustrato nella figura 2.
- Saldare il tubo esterno per l'anello di placca in acciaio.
- Lubrificare parete esterna del tubo interno di vaselina e bicarbonato di spruzzo tutta la sua lunghezza. Avvitare il tubo interno nel giunto per completare il gruppo campione composito.
- Cemento volume tra i tubi interni ed esterni con 1,57 g / cm 3 boiacca cementizia, 0,87 w / c rapporto.
- Campioni Cure in un bagno d'acqua in condizioni ambiente per un periodo minimo di 28 giorni. Mantenere il pH del bagno di acqua tra 12 e 13 con l'aggiunta di Ca (OH) 2 per l'acqua per mantenere alta ambiente pH.
- Preparazione del 13,1 lb / gal boiacca cementizia (per il volume di 2,2 L)
- Versare 1,350 g di acqua nel4 L, 3,75 cavalli frullatore da laboratorio e pre-idrato di 30 g (2% sul peso del cemento) di bentonite per 5 min a bassa velocità (30.000 xg).
- Dopo 5 minuti, versare 5 ml di agente antischiuma e 1.500 g di polvere di cemento nel frullatore e di taglio per 40 sec a velocità di 51.755 x g. Versare l'impasto di cemento in l'anello del gruppo tubo e coprire con un panno e plastica avvolgere bagnato per evitare l'esposizione all'aria ed evitare la carbonatazione del cemento.
- Sei ore dopo la sospensione di cemento viene versato tra i tubi, ruotare il tubo interno di un quarto di giro avanti e indietro ogni 15 minuti per la prossima 20 ore di idratazione del cemento per evitare cemento legame con il tubo interno e creare un microcanali (necessaria per microannular flusso di gas).
- Mettere il campione composito cementato orizzontalmente nel bagno d'acqua per un periodo minimo di 28 giorni. Assicurarsi che il bagno di acqua ha un pH di circa 13 che è ottenuto aggiungendo 100 g di Ca (OH) 2 in 20 L di acqua.
2. Pre-espansione Esperimenti flusso attraverso
- Vite 3,2 millimetri raccordi in quattro porte di entrata e di uscita sul tubo esterno del campione. Collegare collettori di ingresso e di uscita con trasduttori di pressione ai raccordi (Figura 5).
- In pressione bombola del gas iniziale pressione di ingresso di 50 kPa. Accendere il software per computer per registrare le pressioni.
- Aprire il flussimetro e iniziare la prova a flusso continuo. Monitorare aspirazione e mandata pressioni sullo schermo per 1 min, come mostrato in figura 6.
- In pressione bombola del gas a pressione di alimentazione di 172 kPa e monitorare la pressione per altri 2 min.
- Flusso continuo End esperimento e la registrazione della pressione. Chiudere la bombola del gas e sfiatare il gas rimanente in atmosfera. Smontare i collettori e il coperchio superiore del campione con un panno umido mentre si accende l'unità di espansione, per evitare la carbonatazione e l'essiccazione di cemento.
- Rivestire la parete interna del tubo interno con lubricant per il buon funzionamento del cono di espansione e il campione è pronto per l'espansione.
Setup 3. Espansione e procedura di espansione
- Mantenere completamente il mandrino di espansione dal alloggiamento inferiore del cilindro idraulico, come mostrato nella Figura 4a. Posizionare il campione composito con cemento idratato nell'alloggiamento del campione inferiore del dispositivo attraverso l'apertura nella parte superiore (Figura 4b).
- Allungare completamente il mandrino ad espansione attraverso il campione, dopo di che il cono di espansione con rapporto di espansione desiderato (Figura 3) viene fatto scivolare su di essa, come mostrato in figura 4c. Avvitare il mandrino di ritegno sulla espansione mandrino, quindi avvitare il mandrino guida ritegno sul connettore inferiore dell'involucro inferiore. Il campione è pronto per l'espansione.
- Alimentare l'unità idraulica ad una pressione ottimale di 10,3 MPa, e accendere il software per la registrazione forza assiale.
- Attivare il control passare retrarre il mandrino ad espansione e tirare l'espansione attraverso il tubo interno del campione, ampliando così il tubo e comprimendo la guaina di cemento. Expand campioni della lunghezza di 40,64 centimetri (Figura 4D) e poi allungare il mandrino di espansione nella posizione originaria. Interrompere la registrazione di forze assiali.
- Svitare il mandrino guida di fissaggio e rimuovere il mandrino di fissaggio. Rimuovere il cono di espansione dal mandrino espansione e ritrarre completamente il mandrino in modo da rimuovere il campione formare l'alloggiamento inferiore.
- Dopo che il campione è stato rimosso, prepararla per la post-espansione multi-rate esperimenti di gas a flusso continuo.
4. Post-espansione multi-rate Esperimenti flusso attraverso
- Ingresso e di uscita porti puliti da qualsiasi eccesso di pasta di cemento compresso.
- Vite raccordi in quattro porte di entrata e di uscita sul tubo esterno del campione. Collegare ingresso e uscita collettori ai raccordi, come mostrato in
- Pressione della bombola del gas iniziale pressione di ingresso di 172 kPa. Accendere il software per computer per registrare le pressioni.
- Aprire il flussimetro e iniziare la prova a flusso continuo. Monitorare aspirazione e mandata pressioni sullo schermo (figura 6).
- Dopo 5 minuti, pressurizzare la bombola del gas per pressione di alimentazione di 345 kPa e monitorare le pressioni per altri 5 min.
- Dopo 5 min aumentare la pressione di ingresso a 517 kPa.
- Dopo 5 min aumentare la pressione di entrata di pressione di ingresso finale di 690 kPa per altri 5 minuti.
- Terminare l'esperimento flusso continuo e la registrazione della pressione. Chiudere la bombola del gas e sfiatare il gas rimanente in atmosfera. Smontare collettori dal campione.
5. I calcoli della permeabilità effettiva dei Microannulus
NOTA: Lo scopo principale di questo studio è stato quello di fornire informazioni qualitative riguardo all'esistenza di flusso di gas prima e dopo eXpansion. Il disegno sperimentale non possiede componenti sofisticati per poter misurare la larghezza del canale di flusso e precisione della portata. Nel corso di questi esperimenti preliminari di tenuta del flusso di gas è stato l'obiettivo principale. Pertanto, qualsiasi calcoli permeabilità mostrate qui più semiquantitativa e non obiettivo principale dello studio.
- Per il calcolo della permeabilità effettiva, il tasso di flusso di azoto costante di circa q 1,42 cm 3 / sec sulla stabilizzazione della pressione. Il fattore di deviazione dei fumi per l'azoto in condizioni ambiente è Z = 1 e la viscosità μ = 0.018 cP. Eseguire tutti i test a flusso continuo alle condizioni ambientali di T = 535 ºR.
- Calcolare l'area dello spazio anulare cementato prendendo raggio interno del tubo esterno, r Oinn = 4,6 centimetri e raggio esterno del tubo interno, r Iout = 3,05 centimetri. La distanza tra le porte di ingresso e uscita (d L) è 40,64 centimetri. Differenza di pressione (P -P presa di ingresso), recorded da ingresso e trasduttori di pressione di uscita, è l'unica variabile usata nei calcoli di effettiva permeabilità della microannulus prefabbricato (K ef) 19:
Eq. 1
velocità di flusso di azoto [cm 3 / s] K ef - - q perm efficace. di microannulus [MD]
r Ia - ID del tubo esterno [cm] r Oinn - diametro esterno del tubo interno [cm]
μ - viscosità del gas [cP] Z - fattore di deviazione dei fumi
T - temperare [ºR] d L - distanza tra i trasduttori di pressione [cm]
P ingresso - pressione di ingresso [atm] P outlet - pressione in uscita [atm] - Sostituire tutti i valori sopra nell'equazione 1 e calcolare la permeabilità efficacia qui mostrata nell'esempio 1. La pressione di ingresso registrata durante l'esperimento flusso continuo di pre-espansione era entrata P = 12 kPa (0,12 atm) mentre il trasduttore di pressione di uscita era P uscita = 0,4 kPa (0,004 atm).
Esempio 1:
Eq. 1 
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Representative Results
Test di gas a flusso continuo pre-espansione a campione composito mostrato registrazione pressione sul trasduttore di pressione a valle, confermando flusso di gas attraverso la microannulus prefabbricato (figure 7 e 8). Condizioni iniziali sono stati mantenuti gli stessi dove pressione di ingresso iniziale era 103 kPa e la portata del gas è stata mantenuta a 85 ml / min per quel periodo. Il ritardo nella registrazione di pressione tra i trasduttori di pressione primaria e secondaria era di 7,5 secondi, mentre le più alte pressioni registrate dopo l'aumento della pressione di ingresso di 172 kPa stati 117 kPa (ingresso) e 20,7 kPa (uscita). A causa di flusso preferenziale del gas attraverso il microannulus, tutta la permeabilità viene preso come effettiva permeabilità della microannulus (K ef). Stabilizzate le pressioni utilizzate nei calcoli sono stati ef K P ingresso = 12 kPa e P uscita = 0,4 kPa, dando un microannulus efficace permeabilità K ef = 0.66 D. Qualsiasi tensioni residueall'interno della matrice cementizia causa dell'espansione tubo e il suo effetto sulla permeabilità è trascurabile.
Il test a flusso continuo secondo gas è stato eseguito immediatamente dopo aver imposto un rapporto di espansione 8%, con un graduale aumento della pressione di ingresso da 172 kPa ogni cinque minuti da una pressione iniziale di 172 kPa ad una pressione finale di 690 kPa. Il test ha mostrato alcuna registrazione sul trasduttore di pressione di uscita di pressione, come mostrato nella Figura 9.
La stessa procedura è stata ripetuta dopo 24 ore e poi dopo 60 giorni. Entrambi i test hanno mostrato valori di pressione sul trasduttore di pressione di uscita, che ha confermato che il tasso di espansione 8% ha avuto successo nel chiudere il flusso del gas microannular nel modello pozzo. Quattro campioni supplementari sono stati espansi con differenti coefficienti di dilatazione (2% e il 4%) e testati per il flusso nello stesso modo come l'esempio di cui sopra. Gli stessi risultati sono stati ottenuti e confermate la tenuta successo del flusso di gas microannular(Tabella 1). E 'importante ricordare che ogni preparazione del campione richiede una preparazione intensa di lavoro e il tempo, che è il motivo per cui non può essere confrontato con gli studi di semplici nuclei di cemento che possono essere stampati senza sforzo in gran numero.
| Campione | K ef [D] | Rapporto di espansione [%] | K ef [D] | K ef [D] | K ef [D] |
| 0 hr | 24 ore | 60 giorni | |||
| 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 |
Tabella 1. Elenco dei campioni con permeabilità microannulus calcolato efficaci (K EF) e risultati post-espansione di test a flusso continuo condotto immediatamente, 24 ore e 60 giorni dopo l'espansione.
Figura 1. Modello di pozzo schematico. Vista dall'alto mostra il cemento (di colore rosso) tra il tubo interno ed esterno. La freccia indica la direzione di espansione. Vista dal basso mostra l'anello di lamiera di acciaio saldata al tubo esterno e il giunto del tubo. Tubo interno viene avvitato nel raccordo (la scale è in pollici).
Figura 2. I componenti metallici della parte inferiore del modello pozzo:... Un anello di placca in acciaio (0,63 cm di spessore), b 6,35 centimetri di accoppiamento tubo di acciaio OD; c accoppiamento per tubi saldati su anello di lamiera di acciaio; d parte filettata. il tubo interno viene avvitato nel giunto tubo;. e montaggio finito. Parte finale del modello di pozzo è il tubo esterno che si trova alla fine e saldato per l'anello piastra di acciaio sulla regione esterna.
Figura 3. un coni espansione con 2%, 4% e il rapporto di espansione 8%,.. B vista laterale del 2% rapporto di espansione cono. Tutti co nes hanno 14 ° angolo del cono e sono su misura in acciaio legato che è stato sottoposto a trattamento termico per la durezza di 60 RC.
Figura 4. Installazione e processo di espansione (vista dall'alto): a. il mandrino di espansione viene mantenuto al fine di eliminare l'alloggiamento inferiore per il posizionamento del campione composito; b. il campione composito viene posizionato nell'alloggiamento inferiore e il mandrino di espansione è completamente allungato attraverso il tubo interno; c. il cono di espansione viene fatto scivolare sul mandrino di espansione. Visualizzazione ingrandita mostra il cono di espansione che si terrà a posto con il mandrino di fissaggio; d. il mandrino di espansione viene mantenuta e il cono di espansione viene tirato attraverso il tubo interno (freccia rossa indica la direzione di espansione).
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Figura 5. Vista posteriore e frontale del campione con il gruppo collettore gas con raccordi e tubi di nylon. Vista ravvicinata di entrata e di uscita collettori che mostra il posizionamento di trasduttori di pressione.
Figura 6. Flusso-through setup sperimentale. Il flussometro (FM) controlla il flusso di gas di azoto (frecce rosse) tutto l'esperimento. Flussi di gas e entra nel campione composito sul collettore di aspirazione in cui il trasduttore di pressione di aspirazione (PT-1) registra la pressione di ingresso. Flussi di gas attraverso microannulus prefabbricato del campione e la registrazione sul trasduttore di pressione del collettore di uscita di pressione (PT-2) fornisce l'informazione se c'è una connettività e migrazione di gas microannular attraverso il campione composito. Pressione transproduttori sono collegati al sistema di acquisizione dati e le pressioni sono monitorati e registrati in tempo reale sul computer e disponibile per la visualizzazione sullo schermo. Visualizzazione ingrandita mostra l'installazione dei raccordi.
Figura 7. Pre-espansione flusso continuo di gas plot dei dati di test che mostra le pressioni registrate sia sul entrata e trasduttori di pressione di uscita, a conferma del flusso di gas microannular attraverso il modello pozzo. La pressione di ingresso a partire dalla bombola era di 50 kPa, e fu aumentata a 172 kPa, che ha determinato un picco di entrambe le pressioni sulle porte di ingresso e uscita.
Figura flusso continuo di gas 8. Pre-espansione grafico semi-log dei dati di prova che mostra chiaramente una pressione differential (Ap) tra le pressioni registrate sui trasduttori di pressione entrata e di uscita. Basato sul Ap misurata, calcoli di effettiva permeabilità della microannulus determinato un valore di 660 mD.
Figura 9. Multi-portata del gas a flusso continuo dei dati di test trama registrati subito dopo l'espansione con il rapporto di espansione cono 8%. Dopo un graduale incremento di 172 kPa di pressione di aspirazione sulla bombola ogni cinque minuti da 172 kPa a 690 kPa, c'era pressione registrata sul trasduttore di pressione di uscita, a conferma della corretta bonifica del flusso di gas microannular.
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Acknowledgments
Gli autori desiderano ringraziare le seguenti persone e istituzioni per il loro aiuto e il sostegno: William Portas e James Heathman (Industria Consulenti, Shell E & P), Richard Littlefield e Rodney Pennington (Shell Westhollow Technology Center), Daniele Di Crescenzo (Shell ricerca ben Ingegnere ), Bill Carruthers (Lafarge), Tim Quirk (ora con Chevron), Gerry Masterman e Wayne Manuel (LSU PERTT Lab), Rick Young (LSU Roccia Meccanica Lab), e membri del SEER Lab (Arome Oyibo, Tao Tao, e 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 |
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