Expansão mecânica da tubulação de aço como uma solução para Leaky de poços

Introduction

O procedimento experimental relatado tem dois componentes principais que são críticas: cilindros compósitos que simulam de poços e a fixação de expansão que é utilizada para efectuar a manipulação mecânica do cimento.

De poços são a principal porta de entrada para a produção de fluidos de subsuperfície (água, óleo, gás ou vapor), bem como injeção de vários fluidos. Independentemente da sua função, o furo do poço é necessário para proporcionar um fluxo controlado de líquidos produzidos / injectados. Construção do poço tem duas operações distintas: perfuração e completação. Cimento do poço, que faz parte do processo de completação, fornece principalmente isolamento zonal, suporte mecânico do tubo de metal (revestimento) e proteção de componentes de metal a partir de fluidos corrosivos. Estes são elementos essenciais da descomprometido, de poços em pleno funcionamento. A integridade da bainha de cimento poço é uma função das propriedades químicas e físicas do cimento hidratado, a geometria do cased bem, e as propriedades de formação / formação circundante fluidos ^2,3. Remoção incompleta do fluido de perfuração irá resultar em mau isolamento zonal, uma vez que evita a formação de laços fortes em interfaces com rock e / ou metal. Bainhas de cimento pode ser submetido a diversos tipos de falha durante a vida de um poço. Oscilações de pressão e de temperatura causadas por operações de conclusão e de produção contribuir para o desenvolvimento de fracturas no interior da matriz de cimento; desligante é causada pela pressão e / ou as mudanças de temperatura e hidratação do cimento encolhimento ^4,5,6. O resultado é quase sempre a presença de fluxo de fluido microannular, embora sua ocorrência pode ser detectado cedo ou depois de anos de vida útil.

Heathman e Beck (2006) criou um modelo de caixa cimentado submetido a mais de 100 cargas cíclicas de pressão e temperatura, que mostrou descolamento visível, de iniciação de trincas de cimento que podem representar caminhos preferenciais para a migração de fluidos <sup> 7. No campo, a expansão e contracção dos componentes de metal de um furo de poço não coincidem com os do cimento e rocha, causando descolamento interfacial e formação de um microannulus, levando a um aumento na permeabilidade da bainha de cimento. Uma carga adicional invólucro pode causar a propagação de fendas radiais na matriz de cimento uma vez que as tensões de tracção exceder a resistência à tracção do material ^8. Todas as falhas de cimento acima mencionados pode resultar em micro-canalização, o que leva a migração de gás, a ocorrência de SCP, os riscos ambientais e de longo prazo.

Um número considerável de produtores e abandonadas poços com SCP constituem uma potencial nova fonte de gás natural de emissão contínua ^9. A análise realizada pela Watson e Bachu (2009) de 315.000 petróleo, gás e poços de injeção em Alberta, no Canadá também mostrou que o desvio do poço, bem tipo, método de abandono, ea qualidade do cimento são fatores-chave de contributing ao potencial bem vazamento na parte mais rasa do poço ^10. As operações de reparação existentes são caros e mal sucedidas; a cimentação do aperto, uma das técnicas de reparação mais usados, tem uma taxa de sucesso de apenas 50% ^11.

Neste trabalho, um relatório sobre a avaliação da Caixa Tecnologia Expansível (ECT) como uma nova técnica de remediação de vazamentos de poços ^12,13. ECT pode ser aplicada em poços novos ou já existentes ^14. A primeira instalação comercial desta tecnologia foi realizada pela Chevron em um poço em águas rasas do Golfo do México em Novembro de 1999 ^15. O envelope operacional atual para tubulares expansíveis encapsula uma inclinação de 100 ° na vertical, de temperatura de até 205 ° C, peso da lama de 2,37 g / cm ^3, uma profundidade de 8763 m, a pressão hidrostática de 160,6 GPa e um comprimento de 2,092 m tubular ^16. A taxa de expansão típico para tubulares expansíveis sólidos é umaproximadamente 2,4 m / min ^17.

Este estudo oferece uma abordagem única para a adaptação da tecnologia ECT como uma nova operação de remediação para SCP. A expansão do tubo de aço comprime o cimento, o que poderia resultar no fechamento do fluxo de gás na interface e selar a fuga de gás. É importante mencionar que o foco deste estudo é a vedação de um fluxo de gás microannular existente, por isso só focado nisso como uma possível causa de vazamentos de poços. A fim de testar a eficácia da tecnologia recentemente adaptados para este fim, foi elaborado um modelo do poço com um fluxo microannular existente. Isto é obtido através da rotação do tubo interno durante a hidratação do cimento. Isto não é para simular todas as operações de campo, mas simplesmente para avançar rapidamente o que aconteceria depois de décadas de carga térmica e de pressão em um poço.

Protocol

1. Amostra composta (Figura 1)

NOTA: A maioria dos trabalhos de cimento do Golfo do México (EUA) são feitas usando cimento classe H ^18, portanto, o mesmo tipo de cimento foi utilizado para realizar os experimentos de laboratório para simular as condições de campo-like, a aplicabilidade potencial desta tecnologia para SCP remediação no Golfo do México.

1. A preparação das amostras
   NOTA: A amostra longo de 61 cm é composto por dois grau B eletricamente resistiu soldados tubos (ERW) de aço carbono (Figura 1). O tubo interno é de 61 cm de comprimento e tem de 6 cm de diâmetro externo (OD) com 2.8 mm de espessura de parede. O tubo externo é 59,7 centímetros de comprimento, tem 10 centímetros OD e uma espessura de parede de 5,7 mm. Resistência à deformação e resistência à ruptura dos tubos são de 241 MPa e 414 MPa, respectivamente.
   1. Broca 12 furos de 2,4 mm no tubo exterior, para proporcionar o alívio da pressão durante a expansão e porosidade mímico de rochas em condições de campo. Broca oito furos 8,6 milímetros próximos em the tubo exterior, além de 90 ° com quatro furos 13 centímetros a partir do topo e quatro furos para 53 centímetros a partir do topo.
   2. Passe estes buracos com 3,2 milímetros NPT (National Pipe Thread) ponta de segmentação para permitir a conexão com acessórios para tubos e tubos de nylon conjunto de distribuidor na parte inferior (entrada) e superior (saída) do lado da amostra. Certifique-se de que as portas de entrada e saída são 40,64 centímetros de distância e são utilizados para a execução de experimentos de escoamento de gás multi-taxa pré e pós-expansão.
   3. Revestimento tubo externo com spray anti-corrosão para evitar a corrosão durante o período de cura que pudesse interferir com as experiências, devido à formação de corrosão e de hidróxido de ferro produtos poderiam causar microfraturamento de cimento.
      NOTA: Este cenário será testada em futuros experimentos de corrosão do metal está freqüentemente presente em sistemas de poço.
   4. Máquina para fora o cordão de soldadura na parede interior do tubo interior.
   5. Corte de acoplamento de aço feitos sob medida a um comprimento de 4,5 centímetros, 6,35 centímetros de tubulação OD. Thread a peça sobre a parede interior e soldá-la à 0,63 centímetros de espessura de aço anel de chapa (Figura 2). Passe a parte inferior do tubo interno na parede exterior no comprimento de 4,5 cm, para permitir a ligação com o acoplamento soldada, como mostrado na Figura 2.
   6. Soldar o tubo exterior ao anel de chapa de aço.
   7. Lubrifique parede externa do tubo interno com vaselina e spray de cozimento em toda sua extensão. Parafuso do tubo interno para o acoplamento para terminar a montagem amostra composta.
   8. Cimento o volume entre os tubos interior e exterior com 1,57 g / cm ³ lama de cimento, 0,87 w / c rácio.
   9. Amostras a cura em um banho de água em condições ambientais durante um período mínimo de 28 dias. Manter o pH do banho de água entre 12 e 13 por adição de Ca (OH) ₂ para a água para manter o ambiente de pH elevado.
2. Preparação de 13,1 lb / gal pasta de cimento (para o volume de 2,2 L)
   1. Pour 1.350 g de água para dentro do4 L, 3,75 potência misturador de laboratório e pré-hidrato de 30 g (2% em peso de cimento) de bentonita durante 5 minutos a baixa velocidade (30.000 xg).
   2. Após 5 min, verter 5 ml de agente anti-espuma e 1.500 g de cimento em pó para dentro da misturadora e cisalhamento durante 40 seg em alta velocidade de 51.755 x g. Despeje a calda de cimento até o anel do conjunto de tubos e cubra com um pano e plástico envoltório molhado para evitar a exposição ao ar e evitar a carbonatação de cimento.
   3. Seis horas depois da pasta de cimento é derramado entre os tubos, gire o tubo interno um quarto de volta e para trás a cada 15 minutos para a próxima 20 horas de hidratação do cimento para evitar que o cimento de ligação com o tubo interno e criar um microcanal (necessário para microannular fluxo de gás).
   4. Coloque a amostra composta cimentadas horizontalmente na água do banho por um período mínimo de 28 dias. Assegure-se que o banho de água tem um valor de pH de cerca de 13 o que é conseguido através da adição de 100 g de Ca (OH) ₂ em 20 L de água.

2. Pré-expansão Experimentos flow-through

1. Parafuso 3,2 milímetros encaixes em quatro portas de entrada e de saída no tubo exterior da amostra. Conecte entrada e saída manifolds com transdutores de pressão para os acessórios (Figura 5).
2. Pressurizar cilindro de gás a pressão de entrada inicial de 50 kPa. Ligue software de computador para pressões recordes.
3. Abra o medidor de fluxo e de começar o teste de fluxo. Monitorar as pressões de entrada e saída no ecrã durante 1 min, como mostrado na Figura 6.
4. Pressurizar cilindro de gás à entrada de pressão de 172 kPa e monitorar a pressão por mais 2 min.
5. Flow-through End experiência e registro de pressão. Fechar o cilindro de gás e purgar o restante gás para a atmosfera. Desmontar os manifolds e tampa superior da amostra com pano molhado enquanto liga a unidade de expansão, para evitar carbonatação e secagem do cimento.
6. Revestir a parede interior do tubo interior com lubricant para o bom funcionamento do cone de expansão ea amostra está pronta para a expansão.

Setup 3. Expansão e procedimento de expansão

1. Totalmente reter o mandril de expansão a partir do alojamento por baixo do cilindro hidráulico, tal como mostrado na Figura 4a. Colocar a amostra de compósito com cimento hidratado no alojamento de amostra inferior do dispositivo de fixação através da abertura na parte superior (Figura 4b).
2. Totalmente alongar o mandril de expansão através da amostra, após o que o cone de expansão com a razão de expansão desejado (Figura 3) é deslizado sobre ele, como mostrado na Figura 4c. Parafuso de retenção sobre o mandril mandril de expansão, em seguida, o parafuso de guia do mandril de retenção para o conector inferior do alojamento inferior. A amostra está pronta para a expansão.
3. Alimentar a unidade hidráulica a uma pressão máxima de 10,3 MPa, e ligar o software de computador para gravação de força axial.
4. Ative o control mudar para retrair o mandril de expansão e puxar a expansão através do tubo interior da amostra, expandindo assim o tubo e comprimir a bainha de cimento. Expandir amostras com o comprimento de 40,64 centímetros (Figura 4d) e, em seguida alongar o mandril de expansão para a posição inicial. Parar a gravação das forças axiais.
5. Desparafuse o guia mandril de fixação e retirar o mandril de retenção. Tirar o cone de expansão do mandril de expansão e retrair completamente o mandril, a fim de remover a amostra de formar o invólucro inferior.
6. Depois a amostra é removida, prepará-lo para o pós-expansão com velocidades múltiplas experiências por escoamento de gás.

4. Pós-expansão Multi-taxa Experimentos flow-through

1. Entrada e saída de portos limpas de qualquer excesso de espremido pasta de cimento.
2. Parafuso para tubos em quatro portas de entrada e de saída no tubo exterior da amostra. Ligue colectores de entrada e de saída para as ferragens, como mostrado na
3. Pressionar o cilindro de gás para rubricar pressão de entrada de 172 kPa. Ligue software de computador para pressões recordes.
4. Abra o medidor de fluxo e de começar o teste de fluxo. Monitorar entrada e saída pressões na tela (Figura 6).
5. Após 5 min, pressurizar o cilindro de gás à entrada de pressão de 345 kPa e monitorar as pressões por mais 5 min.
6. Após 5 min aumentar a pressão de entrada de 517 kPa.
7. Após 5 min aumentar a pressão de entrada para a pressão de entrada final do 690 kPa durante mais 5 min.
8. Acabar com a experiência de fluxo e registro de pressão. Fechar o cilindro de gás e purgar o restante gás para a atmosfera. Desmonte manifolds da amostra.

5. Cálculos da permeabilidade efetiva dos Microannulus

NOTA: O principal objetivo deste estudo foi o de fornecer informações qualitativas sobre a existência de fluxo de gás antes e depois eXpansion. O delineamento experimental não possui componentes sofisticados para ser capaz de medir a largura do canal e fluxo precisão taxa. Durante esses experimentos preliminares de vedação do fluxo de gás foi o foco principal. Portanto, qualquer um dos cálculos de permeabilidade aqui mostrados são mais semi-quantitativo e não meta principal do estudo.

1. Para o cálculo da permeabilidade eficaz, utilizar a taxa de fluxo constante de azoto de cerca de q = 1.42 ^cm3 / seg sobre a estabilização da pressão. O fator de desvio de gás para o nitrogênio em condições ambiente é Z = 1 e viscosidade μ = 0,018 cP. Realizar todos os ensaios por escoamento em condições ambientais de T = 535 ºR.
2. Calcula-se a área do espaço anelar cimentado tomando raio interno do tubo externo, _Oinn r = 4,6 cm, e de raio exterior do tubo interior, de r = 3,05 centímetros _Iout. A distância entre as aberturas de entrada e de saída (AL) é 40,64 centímetros. Diferencial de pressão (P _{tomada de entrada} -P), recorded por transdutores de pressão de entrada e de saída, a única variável é utilizada nos cálculos de permeabilidade efectiva da microannulus pré-fabricado _(ef K) ^19:
   Eq. 1
   caudal de azoto ^[cm3 / seg] K _ef - - q perm eficaz. de microannulus [mD]
   r _Iout - ID do tubo externo [cm] r _Oinn - OD do tubo interno [cm]
   μ - viscosidade do gás [cP] Z - fator de desvio de gás
   T - temperature [ºR] AL - distância entre transdutores de pressão [cm]
   P _entrada - pressão de entrada [atm] _tomada P - pressão de saída [atm]
3. Substituo todos os valores acima para a Equação 1 e calcular a permeabilidade efectiva, como mostrado abaixo no Exemplo 1. A pressão de entrada gravada durante o pré-expansão experimento de fluxo _{de entrada} foi de P = 12 kPa (0,12 atm), enquanto o transdutor de pressão de saída era de _tomada P = 0,4 kPa (0,004 atm).
   Exemplo 1:

Representative Results

Testes de gás de escoamento de pré-expansão na amostra composta mostrou gravação pressão sobre o transdutor de pressão de saída, confirmando o fluxo de gás através do microannulus pré-fabricados (Figuras 7 e 8). As condições iniciais foram mantidos os mesmos onde a pressão de entrada inicial foi de 103 kPa e a taxa de fluxo de gás foi mantida a 85 ml / min para o referido período. O intervalo de tempo em gravação de pressão entre os transdutores de pressão de entrada e de saída foi de 7,5 segundo, enquanto as mais altas pressões registradas após o aumento da pressão de entrada para 172 kPa foram 117 kPa (entrada) e 20,7 kPa (saída). Devido ao fluxo preferencial de gás através do microannulus, toda a permeabilidade é tomado como a permeabilidade efectiva da microannulus (K _ef). Estabilizada pressões utilizadas nos cálculos _{de ef} K foram P = 12 kPa _{de entrada} e _{saída de} P = 0,4 kPa, dando um microannulus eficaz permeabilidade do K _ef = 0,66 D. Qualquer tensão residualdentro da matriz de cimento, devido à expansão do tubo e o seu efeito sobre a permeabilidade é negligenciável.

O teste de fluxo através segundo gás foi executado imediatamente após a imposição de um rácio de expansão de 8%, com um aumento gradual na pressão de entrada de 172 kPa a cada cinco minutos a partir de uma pressão inicial de 172 kPa a uma pressão final de 690 kPa. O teste mostrou nenhuma pressão de gravação sobre a pressão de saída do transdutor, conforme mostrado na Figura 9.

O mesmo procedimento foi repetido depois de 24 horas e, em seguida, após 60 dias. Ambos os testes não mostraram leituras de pressão sobre o transdutor de pressão de saída, o que confirmou que a taxa de expansão de 8% foi bem sucedida em fechar o fluxo de gás no modelo microannular poço. Quatro amostras adicionais foram ampliados com diferentes taxas de expansão (2% e 4%) e testados para o fluxo da mesma maneira como a amostra acima mencionado. Os mesmos resultados foram obtidos e confirmou a vedação com sucesso do fluxo de gás microannular(Tabela 1). É importante mencionar que cada preparação de amostras requer uma preparação intensiva de trabalho e tempo, o que é por isso que não pode ser comparado com estudos simples de núcleos de cimento que podem ser moldados facilmente em grandes números.

Amostra	K ef [D]	Razão de expansão [%]	K ef [D]	K ef [D]	K ef [D]
			0 hr	24 hr	60 dias
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

Tabela 1. Lista de amostras com microannulus calculado permeabilidades efetivas (K _ef) e resultados pós-expansão de ensaios por escoamento conduzido imediatamente, 24 horas e 60 dias após a expansão.

Modelo esquemático do poço Figura 1.. Vista de cima mostra o cimento (cor vermelha) entre o tubo interno e externo. A seta aponta a direção de expansão. Vista de baixo mostra o anel de chapa de aço soldada para tubo externo e acoplamento de tubos. Tubo interno é parafusado no acoplamento (o scale é, em polegadas).

Figura 2. Os componentes metálicos da parte inferior do modelo de poço:... Uma placa de aço anel (0,63 cm de espessura); b 6,35 centímetros de acoplamento de tubos de aço OD; c acoplamento de tubos soldados em chapa de aço anel; d parte rosqueada de. o tubo interno a ser aparafusado no acoplamento de tubo;. e montagem acabados. A parte final do modelo de poço é o tubo exterior, o qual está colocado na extremidade soldada e para o anel de chapa de aço na zona exterior.

Figura 3. a cones de expansão com 2%, 4% e taxa de expansão de 8%;. B. Vista lateral de 2% taxa de expansão cone. Todos os co nes tem 14 ° de ângulo de cone e são feitos sob medida a partir de ligas de aço que foi tratado termicamente para a dureza de 60 RC.

Figura 4. Configuração e processo de expansão (vista superior): a. o mandril de expansão é retido, a fim de limpar o invólucro inferior para a colocação da amostra de compósito; b. a amostra de compósito é colocado no invólucro inferior e o mandril de expansão é totalmente alongada através do tubo interno; c. o cone de expansão é deslizado para o mandril de expansão. Visão ampliada mostra o cone de expansão que está sendo realizada no local com o mandril de retenção; d. o mandril de expansão é retido e o cone de expansão é puxado através do tubo interno (seta vermelha indica a direcção de expansão).

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Figura 5. Vista posterior e frontal da amostra que apresentou o conjunto de distribuidor de gás com acessórios para tubos e tubos de nylon. Visão mais próxima da entrada e saída de manifolds mostrando o posicionamento dos transdutores de pressão.

Figura 6. Fluxo através de configuração experimental. O medidor de fluxo (FM) controla o fluxo de gás de azoto (setas vermelhas) durante todo o experimento. Fluxos de gás e entra na amostra composta no colector de admissão, onde o transdutor de pressão de entrada (PT-1) registra a pressão de entrada. O gás flui através microannulus pré-fabricados da amostra ea pressão gravação no transdutor de pressão do colector de saída (PT-2) fornece a informação da existência de uma conectividade e migração de gás microannular através da amostra composta. Pressão transprodutores estão ligados ao sistema de aquisição de dados e pressões são monitorados e gravados em tempo real no computador e disponíveis para visualização no ecrã. Visão ampliada mostra a instalação dos acessórios para tubos.

Figura 7. Pré-expansão de fluxo de gás trama de dados de teste mostrando pressões registradas em ambas a entrada e saída de transdutores de pressão, confirmando o fluxo de gás microannular através do modelo de poço. A pressão de entrada de partida no cilindro de gás foi de 50 kPa, e foi aumentada para 172 kPa, o que resultou em um aumento de pressões sobre ambos os portos de entrada e saída.

Figura 8. Pré-expansão de fluxo de gás enredo semi-log de ​​dados de teste que mostra claramente uma pressão differential (AP) entre as pressões registadas sobre os transdutores de pressão de entrada e de saída. Com base na AP medido, cálculos de permeabilidade efectiva da microannulus resultou num valor de 660 mD.

Figura 9. Multi-taxa de gás de fluxo de dados de teste trama gravada imediatamente após a expansão com a 8% taxa de expansão cone. Depois de um aumento gradual de 172 kPa de pressão de entrada no cilindro de gás a cada cinco minutos a partir de 172 kPa a 690 kPa, não havia pressão gravada sobre o transdutor de pressão de saída, indicando descontaminação bem sucedida do fluxo de gás microannular.

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