التوسع الميكانيكي للأنابيب الصلب كحل للراشح Wellbores

Summary

This article reports on a laboratory scale investigation of an existing field procedure and its adaptation for sealing of leaky wellbores. It consists of mechanical expansion of metal pipe, which results in an improved metal/cement bond, ultimate sealing of hydraulic pathways and prevention of gas leaks caused by the presence of a microannular channel.

Abstract

Wellbore cement, a procedural component of wellbore completion operations, primarily provides zonal isolation and mechanical support of the metal pipe (casing), and protects metal components from corrosive fluids. These are essential for uncompromised wellbore integrity. Cements can undergo multiple forms of failure, such as debonding at the cement/rock and cement/metal interfaces, fracturing, and defects within the cement matrix. Failures and defects within the cement will ultimately lead to fluid migration, resulting in inter-zonal fluid migration and premature well abandonment. Currently, there are over 1.8 million operating wells worldwide and over one third of these wells have leak related problems defined as Sustained Casing Pressure (SCP)¹.

The focus of this research was to develop an experimental setup at bench-scale to explore the effect of mechanical manipulation of wellbore casing-cement composite samples as a potential technology for the remediation of gas leaks.

The experimental methodology utilized in this study enabled formation of an impermeable seal at the pipe/cement interface in a simulated wellbore system. Successful nitrogen gas flow-through measurements demonstrated that an existing microannulus was sealed at laboratory experimental conditions and fluid flow prevented by mechanical manipulation of the metal/cement composite sample. Furthermore, this methodology can be applied not only for the remediation of leaky wellbores, but also in plugging and abandonment procedures as well as wellbore completions technology, and potentially preventing negative impacts of wellbores on subsurface and surface environments.

Introduction

الإجراء تجريبي ذكرت واثنين من المكونات الرئيسية التي تعتبر بالغة الأهمية: اسطوانات المركبة التي تحاكي wellbores والمباراة التوسع التي يتم استخدامها لتنفيذ التلاعب الميكانيكية من الاسمنت.

Wellbores هي البوابة الرئيسية لإنتاج السوائل تحت السطحية (المياه والنفط والغاز، أو البخار) وكذلك حقن السوائل المختلفة. بغض النظر عن وظيفتها، يتعين على البئر لتوفير تدفق تسيطر عليها ل/ حقن السوائل المنتجة. بناء البئر له عمليتين متميزتين: الحفر والإكمال. الاسمنت حفرة البئر، وهو جزء من الإجراء الاكمال، ويوفر أساسا العزلة مناطقية والدعم الميكانيكي للأنبوب معدني (غلاف)، وحماية المكونات المعدنية من السوائل المسببة للتآكل. هذه هي العناصر الأساسية كاملة غير منقوصة، wellbores تعمل بشكل كامل. سلامة غمد البئر الاسمنت هي وظيفة من الخصائص الكيميائية والفيزيائية للأسمنت رطب، هندسة جASED جيدا، وخصائص المحيطة تشكيل / تشكيل السوائل ^2،3. سيتم إزالة كاملة من سائل الحفر يؤدي ذلك إلى ضعف العزل مناطقية لأنه يمنع تشكيل روابط قوية على واجهات مع الصخور و / أو المعادن. الأغماد الاسمنت يمكن ان تخضع لأنواع عديدة من الفشل خلال حياة أيضا. الضغط ودرجة الحرارة التذبذبات الناجمة عن عمليات إنجاز وإنتاج وتساهم في تطوير كسور داخل المصفوفة الاسمنت. ويتسبب debonding بالضغط و / أو التغيرات في درجات الحرارة والماء الأسمنت انكماش ^4،5،6. والنتيجة هي دائما تقريبا جود تدفق السوائل microannular، على الرغم من وقوعه يمكن الكشف مبكرا أو بعد سنوات من خدمة الحياة.

خلق Heathman وبيك (2006) نموذجا للغلاف ملاطي تعرض لأكثر من 100 الضغط ودرجة الحرارة الأحمال الدورية، والتي أظهرت debonding مرئية، والشروع في الشقوق الاسمنت التي يمكن أن تشكل مسارات تفضيلية للهجرة السوائل <سوب> 7. في هذا المجال، والتوسع والانكماش من المكونات المعدنية من البئر لا تتطابق مع تلك التي من الاسمنت والصخور، مما تسبب debonding بينية وتشكيل microannulus، مما يؤدي إلى زيادة نفاذية غمد الأسمنت. لتحميل غلاف إضافي يمكن أن يسبب انتشار الشقوق الشعاعية في مصفوفة الاسمنت مرة الضغوط الشد تتجاوز قوة الشد للمادة ^8. كل الإخفاقات الاسمنت المذكورة آنفا يمكن أن يؤدي إلى توجيه الصغيرة، الأمر الذي يؤدي إلى الهجرة الغاز، وقوع الدائمة، والمخاطر البيئية على المدى الطويل.

وهناك عدد لا بأس به من إنتاج والآبار المهجورة مع SCP تشكل مصدرا جديدا من المحتمل انبعاث غاز الطبيعي المستمر ^9. تحليل أجرته واتسون وباتشو (2009) من 315،000 النفط والغاز وآبار الحقن في ألبرتا، كندا أظهر أيضا أن البئر الانحراف، وأيضا نوع أو أسلوب الهجر، ونوعية الاسمنت من العوامل الرئيسية المشتركةntributing لتسرب محتمل بشكل جيد في الجزء ضحالة البئر ^10. العمليات العلاجية الحالية مكلفة وفاشلة. والتدعيم ضغط، واحدة من التقنيات العلاجية الأكثر استخداما، لديها نسبة نجاح 50٪ بقليل ^(11).

في هذه الورقة فإننا تقريرا عن تقييم للتوسيع الغلاف تكنولوجيا (ECT) كأسلوب علاج جديدة للراشح wellbores ^12،13. العلاج بالصدمات الكهربائية يمكن تطبيقها في الآبار الجديدة أو القائمة ^14. تم إجراء تثبيت التجاري الأول لهذه التكنولوجيا من قبل شركة شيفرون على بئر في المياه الضحلة في خليج المكسيك ^{في 15} نوفمبر 1999. المغلف التشغيل الحالي للالدرنات القابلة للتوسيع بتغليف ميل من 100 درجة من رأسي، درجة حرارة تصل إلى 205 درجة مئوية، وزن الطين إلى 2.37 جم / سم ^3، على عمق 8763 متر، الضغط الهيدروليكي من 160.6 برنامج العمل العالمي ويبلغ طوله 2092 متر ¹⁶ أنبوبي. معدل التوسع نموذجي للالدرنات القابلة للتوسيع الصلبة هوpproximately 2.4 متر / دقيقة ^17.

وتقدم هذه الدراسة نهجا فريدا لتطويع التكنولوجيا ECT كعملية معالجة جديدة لSCP. توسيع أنابيب الصلب يضغط الاسمنت التي من شأنها أن تؤدي إلى إغلاق تدفق الغاز في واجهة وختم تسرب الغاز. من المهم أن نذكر أن محور هذه الدراسة هو ختم تدفق الغاز microannular الحالية، لذا ركزنا فقط على ذلك كسبب محتمل للwellbores راشح. من أجل اختبار فعالية للتكنولوجيا تكييفها حديثا لهذا الغرض، قمنا بتصميم نموذج حفرة البئر مع تدفق microannular القائمة. يتم الحصول على هذه من خلال تناوب الأنابيب الداخلية خلال ترطيب الاسمنت. هذه ليست لمحاكاة أي عمليات ميدانية، ولكن ببساطة أن تصوم إلى الأمام ما سيحدث بعد عقود من التحميل الحراري والضغط في البئر.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. نموذج مركب (الشكل 1)

ملاحظة: معظم الوظائف الاسمنت في خليج المكسيك (الولايات المتحدة الأمريكية) تتم باستخدام الفئة H الأسمنت ^18، لذلك، تم استخدام نفس النوع من الأسمنت لإجراء التجارب المعملية لمحاكاة الظروف الميدانية مثل، إمكانية تطبيق هذه التكنولوجيا لSCP المعالجة في خليج المكسيك.

1. إعداد عينة
   ملاحظة: تتكون عينة طويلة 61 سم اثنين من الدرجة الثانية كهربائيا قاوم الأنابيب الملحومة (ERW) الكربون الصلب (الشكل 1). الأنبوب الداخلي هو 61 سنتيمترا ولها 6 سم القطر الخارجي (OD) مع 2.8 مم سماكة الجدار. الأنبوب الخارجي هو 59.7 سم، 10 سم لديه OD وسمك الجدار 5.7 مم. مقاومة الخضوع وقوة الشد من الأنابيب هي 241 ميجا باسكال و 414 ميجا باسكال، على التوالي.
   1. حفر 12 حفرة من 2.4 ملم في الأنبوب الخارجي لتوفير الإغاثة من الضغط خلال التوسع ومسامية الصخور تقليد في الظروف الميدانية. حفر ثمانية ثقوب 8.6 ملم القادمة على الالبريد الأنابيب الخارجي، و 90 درجة على حدة مع أربعة ثقوب 13 سم من أعلى وأربعة ثقوب 53 سم من الأعلى.
   2. كاتب هذه الثقوب مع 3.2 ملم معاهدة حظر الانتشار النووي (الوطنية الأنابيب الموضوع) خيوط طرف للسماح للاتصال مع الأنابيب والتجهيزات والتجمع مشعب أنابيب النايلون على الجزء السفلي (مدخل) وأعلى (مخرج) جانب من العينة. تأكد من أن مدخل ومخرج المنافذ 40.64 سم عن بعضها وتستخدم لتشغيل من معدل متعدد التجارب التدفق من خلال الغاز قبل وبعد التوسع.
   3. معطف الأنبوب الخارجي مع الرش ومكافحة التآكل لمنع التآكل خلال فترة التصلب الذي يمكن أن تتداخل مع التجارب بسبب تكوين هيدروكسيد وتآكل منتجات الحديد يمكن أن تسبب microfracturing من الاسمنت.
      ملاحظة: سيتم اختبار هذا السيناريو في التجارب المستقبلية كما تآكل المعدن وغالبا ما يكون موجودا في النظم حفرة البئر.
   4. آلة من حبة اللحام على الجدار الداخلي للأنبوب الداخلي.
   5. قطع مصنوعة خصيصا لاقتران الصلب بطول 4.5 سم، 6.35 سم من أنبوب OD. تيhread قطعة على الحائط داخل وحام إلى 0.63 سم الصلب السميك لوحة حلقة (الشكل 2). كاتب الجزء السفلي من الأنبوب الداخلي على الجدار الخارجي في طول 4.5 سم للسماح للاتصال مع اقتران الملحومة، كما هو مبين في الشكل رقم 2.
   6. لحام الأنابيب الخارجي إلى الحلبة لوحة الصلب.
   7. تليين الأنبوب الداخلي للجدار الخارجي مع الفازلين ورذاذ الخبز على طول كامل طولها. المسمار الأنبوب الداخلي في اقتران لإنهاء تجميع عينة مركب.
   8. تعزيز حجم الأنابيب بين الداخلي والخارجي مع 1.57 جم / سم ³ الاسمنت الطين، 0.87 ث / ج النسبة.
   9. عينات علاج في حمام مائي في الظروف المحيطة لمدة لا تقل عن 28 يوما. الحفاظ على درجة الحموضة في حمام الماء بين 12 و 13 وذلك بإضافة الكالسيوم (OH) ₂ إلى الماء للحفاظ على البيئة ودرجة الحموضة العالية.
2. إعداد 13.1 رطل / غال الطين الاسمنت (لحجم 2.2 لتر)
   1. صب 1350 غرام من الماء إلى4 L، 3.75 حصان خلاط مختبر وقبل هيدرات 30 ز (2٪ من وزن الأسمنت) من البنتونيت لمدة 5 دقائق على سرعة منخفضة (30000 x ج).
   2. بعد 5 دقائق، صب 5 مل من وكيل defoaming و 1500 غرام من مسحوق الاسمنت في الخلاط والقص لمدة 40 ثانية على سرعة عالية من 51755 س ز. صب الطين الاسمنت في بالطوق الجمعية الأنابيب وتغطي مع الرطب من القماش والبلاستيك التفاف لتجنب التعرض للهواء ومنع الكربنة من الاسمنت.
   3. بعد ست ساعات يسكب المزيج بين أنابيب الأسمنت، تدوير الأنبوب الداخلي ربع-تتحول ذهابا وإيابا كل 15 دقيقة للساعة 20 المقبلة من الماء لمنع الاسمنت الاسمنت الترابط مع الأنبوب الداخلي وخلق متناهية (مطلوب للmicroannular تدفق الغاز).
   4. ضع عينة مركبة عزز أفقيا في حمام الماء لمدة لا تقل عن 28 يوما. تأكد من أن حمام الماء له قيمة الرقم الهيدروجيني من حوالي 13 الذي يتحقق من خلال إضافة 100 غرام من الكالسيوم (OH) ₂ إلى 20 لتر من الماء.

2. قبل التوسع التجارب التدفق من خلال

1. المسمار 3.2 مم التجهيزات في أربعة منافذ مدخل ومخرج على الأنبوب الخارجي للعينة. ربط مدخل ومخرج الفتحات مع محولات الضغط على حديد التسليح (الشكل 5).
2. ضغط اسطوانة غاز المبدئي ضغط مدخل من 50 كيلو باسكال. تشغيل برامج الكمبيوتر لضغوط قياسية.
3. فتح تدفق متر والبدء في اختبار التدفق من خلال. مراقبة مدخل ومخرج الضغوط على الشاشة لمدة 1 دقيقة، كما هو مبين في الشكل (6).
4. ضغط اسطوانة الغاز إلى مدخل ضغط 172 كيلو باسكال ومراقبة الضغط لمدة 2 دقيقة أخرى.
5. نهاية التدفق من خلال التجربة وتسجيل ضغط. إغلاق اسطوانة الغاز وتنفيس الغاز المتبقي في الغلاف الجوي. تفكيك الفتحات والغطاء العلوي للعينة بقطعة قماش مبللة أثناء بدء تشغيل وحدة توسع، لمنع الكربنة وتجفيف الاسمنت.
6. معطف الجدار الداخلي للأنبوب الداخلي مع لترubricant لحسن سير العمل في مخروط التوسع والعينة مستعدة للتوسع.

الإعداد 3. التوسع والتمدد الداخلي

1. الاحتفاظ الكامل للمغزل التوسع من السكن أقل من أسطوانات هيدروليكية، كما هو مبين في الشكل 4A. ضع عينة مركبة مع الأسمنت رطب في الجزء الأسفل من عينة الإسكان من المباراة من خلال فتح في الجزء العلوي (الشكل 4B).
2. استطال تماما مغزل التوسع من خلال العينة التي يتم بعدها تراجع مخروط التوسع مع نسبة التوسع المطلوب (الشكل 3) على ذلك، كما هو مبين في الشكل 4C. المسمار مغزل الحفاظ على مغزل التوسع، ثم المسمار دليل مغزل الإبقاء على الرابط السفلي من السكن أقل. العينة مستعدة للتوسع.
3. السلطة في وحدة هيدروليكية للضغط الأمثل من 10.3 ميجا باسكال، وتشغيل برامج الكمبيوتر لتسجيل القوة المحورية.
4. تفعيل التعاونntrol التحول إلى التراجع عن مغزل التوسع وسحب التوسع من خلال الأنبوب الداخلي للعينة، وبالتالي توسيع الأنابيب وضغط غمد الأسمنت. توسيع عينات لطول 40.64 سم (الشكل 4D) ثم استطال مغزل التوسع في موقعها الأصلي. إيقاف التسجيل من القوى المحورية.
5. فك دليل الاحتفاظ مغزل ومغزل إزالة الاحتفاظ. خلع مخروط التوسع من مغزل التوسع وسحب كامل مغزل من أجل إزالة عينة تشكيل الإسكان أقل.
6. بعد إزالة عينة، إعداده لمرحلة ما بعد توسع معدل متعدد التجارب الغاز التدفق من خلال.

4. بعد توسع معدل متعدد التجارب التدفق من خلال

1. نظيفة مدخل ومخرج الموانئ من أي فائض من عجينة الأسمنت تقلص.
2. المسمار الأنابيب والتجهيزات في أربعة منافذ مدخل ومخرج على الأنبوب الخارجي للعينة. ربط مدخل ومخرج الفتحات إلى التجهيزات، كما هو مبين في الشكل 5.
3. الضغط على اسطوانة الغاز المبدئي ضغط مدخل من 172 كيلو باسكال. تشغيل برامج الكمبيوتر لضغوط قياسية.
4. فتح تدفق متر والبدء في اختبار التدفق من خلال. مراقبة مدخل ومخرج الضغوط على الشاشة (الشكل 6).
5. بعد 5 دقائق، الضغط على اسطوانة الغاز إلى مدخل ضغط 345 كيلو باسكال ورصد الضغوط لمدة 5 دقائق أخرى.
6. بعد 5 دقائق زيادة الضغط مدخل إلى 517 كيلو باسكال.
7. بعد 5 دقائق زيادة الضغط مدخل إلى مدخل الضغط النهائي من 690 كيلو باسكال لمدة 5 دقائق أخرى.
8. إنهاء التجربة التدفق من خلال تسجيل والضغط. إغلاق اسطوانة الغاز وتنفيس الغاز المتبقي في الغلاف الجوي. تفكيك الفتحات من العينة.

5. حسابات النفاذية الفعالة للMicroannulus

وكان الغرض الرئيسي من هذه الدراسة هو توفير معلومات نوعية حول وجود تدفق الغاز قبل وبعد ه ملاحظة:xpansion. التصميم التجريبي لا تملك مكونات متطورة لتكون قادرة على قياس عرض القناة وتدفق معدل دقة. خلال هذه التجارب الأولية ختم تدفق الغاز كان التركيز الرئيسي. وبالتالي، فإن أي من حسابات نفاذية المعروضة هنا هي أكثر شبه الكمي وليس الهدف الرئيسي من هذه الدراسة.

1. لحساب النفاذية الفعالة، واستخدام ثابت معدل تدفق النيتروجين حوالي ف = 1.42 سم ³ / ثانية على استقرار الضغط. عامل الانحراف غاز النيتروجين في الظروف المحيطة هو Z = 1 واللزوجة μ = 0.018 CP. إجراء جميع الاختبارات في التدفق من خلال الظروف المحيطة من T = 535 ºR.
2. حساب مساحة الحيز الحلقي مدعومين أخذ نصف القطر الداخلي للأنبوب الخارجي، ص _Oinn = 4.6 سم، وقطرها الخارجي من الأنبوب الداخلي، ص _Iout = 3.05 سم. المسافة بين مدخل ومخرج الموانئ (ΔL) هو 40.64 سم. فرق الضغط (P _{منفذ مدخل} ف)، التوصيةأورديد من قبل مدخل ومحولات ضغط مخرج، هو المتغير الوحيد المستخدمة في حسابات النفاذية الفعالة للmicroannulus المصنعة مسبقا (K _EF) ^19:
   مكافئ. 1
   س - النيتروجين معدل التدفق ^[3 سم / ثانية] K _EF - بيرم فعال. من microannulus [MD]
   ص _Iout - ID من الأنابيب الخارجي [سم] ص _Oinn - OD الأنابيب الداخلي [سم]
   μ - اللزوجة الغاز [CP] Z - عامل انحراف الغاز
   T - من درجات الحرارةإعادة [ºR] ΔL - المسافة بين محولات ضغط [سم]
   P _مدخل - ضغط مدخل [جوي] P _مخرج - الضغط منفذ [جوي]
3. استبدال كافة القيم أعلاه في المعادلة (1) وحساب النفاذية الفعالة كما هو مبين أدناه في المثال 1. الضغط مدخل سجلت خلال التجربة قبل التوسع التدفق من خلال _مدخل كان P = 12 كيلو باسكال (0.12 ضغط جوي)، في حين كان محول الضغط منفذ P _منفذ = 0.4 كيلو باسكال (0.004 ATM).
   مثال 1:

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

وأظهرت اختبارات ما قبل التوسع الغاز تدفق من خلال عينة مركبة على تسجيل الضغط على المفاتيح الضغط منفذ، مؤكدا تدفق الغاز عبر microannulus المصنعة مسبقا (الشكلان 7 و 8). بقيت الظروف الأولية نفسها حيث كان الضغط مدخل الأولي 103 كيلو باسكال وأبقى معدل تدفق الغاز في...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

The reported experimental procedure has two main components that are critical: composite cylinders that simulate wellbores and the expansion fixture that is used to carry out mechanical manipulation of cement. When designing wellbore models (cement/pipe composite cylinders), it is critical to choose adequate cement density, store samples under total humidity conditions (100% RH) and establish pipe-cement debonding before cement slurry completely sets. Failing to achieve this would make the entire gas flow experiment impo...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

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