Mechanische Spannstahlrohr als eine Lösung für Leaky Bohrlöchern

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

Der gemeldete experimentelle Verfahren hat zwei Hauptkomponenten, die kritisch sind: Verbundflaschen, die Bohrlöcher und die Erweiterung Befestigung, die verwendet wird, um die Durchführung mechanische Manipulation des Zements zu simulieren.

Bohrlöcher sind das wichtigste Tor für die Produktion von unterirdischen Flüssigkeiten (Wasser, Öl, Gas oder Dampf) sowie Injektion verschiedener Flüssigkeiten. Unabhängig von seiner Funktion, wird das Bohrloch erforderlich ist, um einen kontrollierten Fluss von erzeugten / injizierten Fluide bereitzustellen. Bohrloch Bau hat zwei verschiedene Operationen: Bohr- und Fertig. Bohrloch Zement, Teil der Fertigstellungen Verfahren bietet vor allem Zonenisolierung, mechanische Unterstützung des Metallrohrs (Gehäuse), und den Schutz von Metallkomponenten von korrosiven Flüssigkeiten. Dies sind wesentliche Elemente der kompromisslose, voll funktions Bohrlöchern. Die Integrität des Bohrlochs Zementschicht ist eine Funktion der chemischen und physikalischen Eigenschaften des hydratisierten Zement, die Geometrie der cgut ased, und die Eigenschaften der umgebenden Formation / Formationsflüssigkeiten ^2,3. Unvollständige Entfernung der Bohrflüssigkeit zu schlechter zonale Isolation führen, da sie verhindert die Bildung von starken Bindungen an Grenzflächen mit Gestein und / oder Metall. Zementhüllen können während der Lebensdauer eines gut zu vielen Fehlerarten unterzogen werden. Druck und Temperaturschwankungen durch Fertigstellung und Produktion verursachten Beitrag zur Entwicklung von Brüchen innerhalb der Zementmatrix; Ablösen wird durch Druck und / oder Temperaturänderungen und Zementhydratation Schrumpfung ^4,5,6 verursacht. Das Ergebnis ist fast immer Gegenwart microannular Strömung, obwohl sein Auftreten kann früh oder nach Jahren der Lebensdauer nachgewiesen werden.

Heathman und Beck (2006) erstellt ein Modell aus Hartgehäuse auf über 100 Druck- und Temperaturwechselbeanspruchungen, die sichtbar Ablösung zeigte, Initiierung von Zement Risse, die Vorzugswege für die Migration von Flüssigkeit darstellen können zogen ^{7. Im Bereich, wird die Ausdehnung und Kontraktion der Metallkomponenten eines Bohrlochs nicht mit denen von Zement und Stein übereinstimmen, wodurch Grenzflächen Ablösen und die Bildung einer Mikroring, was zu einer Erhöhung der Permeabilität der Zementhülle. Ein zusätzliches Gehäuse Beladung kann die Ausbreitung von Radialrisse in der Zementmatrix verursachen, wenn die Zugspannungen die Zugfestigkeit des Materials 8 überschreiten. Sämtliche der vorgenannten Zement Ausfälle können in Mikro Kanalisierung, die Gasmigration, das Auftreten von SCP, und langfristigen Umweltrisiken führt führen.}

Eine beträchtliche Anzahl von Herstellung und verlassenen Brunnen mit SCP bilden eine potenziell neue Quelle der kontinuierlichen Erdgas Emissions ^9. Die Analyse von Watson und Bachu (2009) von 315.000 Öl, Gas, und Injektionsbohrungen in Alberta durchgeführt, Kanada zeigte auch, dass Bohrloch Abweichung, auch Art, Verlassen Verfahren, und die Qualität des Zements sind Schlüsselfaktoren Contributing um mögliche Leckagen auch in dem flacheren Teil der Bohrung ^10. Die bestehenden Sanierungsarbeiten sind teuer und nicht erfolgreich; die Druckzementieren, einer der am häufigsten verwendeten Heiltechniken, hat eine Erfolgsquote von nur 50% ^11.

In diesem Beitrag berichten wir über die Bewertung der Erweiterbar Gehäuse Technologie (ECT) als neue Sanierungsverfahren für undichte Bohrlöcher ^12,13. ECT kann in neue oder bestehende Brunnen ¹⁴ angewendet werden. Die erste kommerzielle Installation dieser Technologie wurde von Chevron auf einer gut im flachen Wasser des Golfs von Mexiko im November 1999 ¹⁵ durchgeführt wird. Der aktuelle Betriebsausstattung für erweiterbare Rohre kapselt eine Neigung von 100 ° aus der Senkrechten, Temperatur bis zu 205 ° C, Schlammgewicht auf 2,37 g / cm ^3, einer Tiefe von 8.763 m, hydrostatischen Druck von 160,6 GPa und einem Rohrlänge 2.092 m ^16. Eine typische Expansionsrate für feste erweiterbare Rohre ist eintwa 2,4 m / min ^17.

Diese Studie bietet einen einzigartigen Ansatz zur Anpassung der ECT-Technologie als neue Standardisierungsvorgang für SCP. Der Ausbau des Stahlrohrs komprimiert den Zement, der in Schließung der Gasfluss an der Schnittstelle führen und Abdichtung des Gasleck würde. Es ist wichtig zu erwähnen, dass der Schwerpunkt dieser Studie ist die Abdichtung eines bestehenden microannular Gasstrom, daher konzentrierten wir uns nur auf, dass als mögliche Ursache von undichten Bohrlöchern. Um die Wirksamkeit der neu adaptierten Technologie für diesen Zweck zu testen, haben wir ein Bohrlochmodell mit einem vorhandenen microannular Fluss. Dies wird durch Drehen des inneren Rohres bei der Zementhydratation erhalten. Dies ist, keine Feldoperationen zu simulieren, sondern einfach, um einen schnellen Vorlauf, was nach Jahrzehnten der thermischen und Druckbelastung in einem Bohrloch geschehen würde.

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Protokoll

1. Composite Probe (Abbildung 1)

HINWEIS: Die meisten Zement Arbeitsplätze in den Golf von Mexiko (USA) werden mit Zement der Klasse H ¹⁸ getan, also die gleiche Art von Zement wurde verwendet, um die Laborexperimente durchführen, um feldähnlichen Bedingungen, die potentielle Anwendbarkeit dieser Technologie für SCP simulieren Sanierung in den Golf von Mexiko.

1. Probenvorbereitung
   HINWEIS: Der 61 cm lange Probe besteht aus zwei Grad B elektrisch widerstanden geschweißt (ERW) Kohlenstoffstahl-Rohre (Abbildung 1). Das Innenrohr ist 61 cm lang und hat einen 6 cm Außendurchmesser (OD) von 2,8 mm Wandstärke. Das Außenrohr ist 59,7 cm lang, hat 10 cm Außendurchmesser und einer Wanddicke von 5,7 mm. Streckgrenze und Zugfestigkeit der Rohre sind 241 MPa und 414 MPa.
   1. Bohren Sie 12 Löcher von 2,4 mm auf dem Außenrohr, um die Druckentlastung während der Expansion und Mimik Porosität von Gesteinen unter Feldbedingungen zu schaffen. Drill acht 8,6 mm Löcher nächsten auf the Außenrohr um 90 ° versetzt mit vier Löchern 13 cm von der Oberseite und vier Löcher 53 cm von der Spitze.
   2. Fädeln Sie diese Löcher mit 3,2 mm NPT (National Pipe Thread) Gewindespitze Zusammenhang mit Fittings und Nylonschlauch Verteilerbaugruppe auf der Unterseite (Einlass) und Top (Auslass) Seite der Probe zu ermöglichen. Sicherzustellen, dass die Einlass- und Auslassöffnungen 40,64 cm voneinander entfernt sind und für den Betrieb der Pre-und Post-Expansion Multirate-Gasdurchflussexperimente verwendet.
   3. Coat Außenrohr mit Korrosionsschutzspray gegen Korrosion während der Aushärtezeit, die mit den Experimenten durch die Bildung von Eisenhydroxid und Korrosionsprodukte konnten Microfracturing Zement führen stören könnten.
      HINWEIS: Dieses Szenario wird in den zukünftigen Experimenten getestet, wie die Korrosion von Metall ist oft in Bohrloch Systemen vorhanden sein.
   4. Maschine aus der Schweißraupe an der Innenwand des Innenrohres.
   5. Geschnitten maßgeschneiderte Stahlkupplung auf eine Länge von 4,5 cm, von 6,35 cm OD Rohr. THread das Stück an der Innenwand und schweißen sie dem 0,63 cm dicken Stahlplatte Ring (Abbildung 2). Gewinde des unteren Teils des Innenrohrs an der Außenwand in der Länge von 4,5 cm, um eine Verbindung mit dem angeschweißten Kupplungs zu ermöglichen, wie in 2 gezeigt.
   6. Schweißen das Außenrohr an der Stahlplatte Ring.
   7. Schmieren Sie das Innenrohr der Außenwand mit Vaseline und Backspray auf seiner gesamten Länge. Schrauben Sie das Innenrohr in die Kupplung, um die Mischprobe Gehäuses.
   8. Cement das Volumen zwischen Innen- und Außenrohr mit 1,57 g / cm ³ Zementschlamm, 0,87 w / z-Wert.
   9. Cure Proben in einem Wasserbad bei Umgebungsbedingungen für einen Zeitraum von mindestens 28 Tage. Halten des pH des Wasserbads zwischen 12 und 13 durch Zugabe von Ca (OH) _2, um das Wasser zu hohen pH-Umgebung aufrechtzuerhalten.
2. Vorbereitung von 13,1 lb / gal Zementschlamm (für Volumen von 2,2 L)
   1. Gießen 1350 g Wasser in den4 L, 3,75 PS Labormischer und Pre-Hydrat 30 g (2% vom Zementgewicht) von Bentonit für 5 min bei niedriger Geschwindigkeit (30.000 xg).
   2. Nach 5 min, gießt 5 ml Antischaummittel und 1500 g Zementpulver in den Mischer und die Scherung für 40 Sekunden bei hoher Geschwindigkeit von 51.755 x g. Gießen Sie die Zementschlamm in den Ringraum der Rohranordnung und Abdeckung mit einem feuchten Tuch und Plastikfolie, um an der Luft zu vermeiden und zu verhindern, Karbonisierung von Zement.
   3. Sechs Stunden nach der Zementschlamm wird zwischen den Rohren gegossen, drehen Sie das Innenrohr eine Vierteldrehung und zurück alle 15 min für die nächsten 20 Stunden der Zementhydratation zu Zementbindung mit dem Innenrohr zu verhindern und eine Mikrokanal (für microannular erforderlich Gasfluss).
   4. Legen Sie das zementiert Mischprobe horizontal im Wasserbad für einen Mindestzeitraum von 28 Tagen. Sicherzustellen, dass das Wasser-Bad hat einen pH-Wert von etwa 13, die durch Zugabe von 100 g Ca (OH) ₂ in 20 l Wasser gelöst wird.

2. Pre-Expansion Durchflussversuche

1. Schraube 3.2 mm Beschläge in vier Einlass- und Auslassöffnungen an der Außenrohr der Probe. Verbinden Einlass- und Auslassleitungen mit Druckwandlern zu den Armaturen (Abbildung 5).
2. Druck zu Gasflasche Eingangsdruck von 50 kPa Initiale. Schalten Sie Computer-Software zur Aufzeichnung Drücken.
3. Öffnen Sie den Durchflussmesser und beginnen den Durchflusstest. Überwachen Eingangs- und Ausgangsdrücke auf dem Bildschirm für 1 min, wie in Figur 6 gezeigt ist.
4. Druck zu Gaszylinder, um den Druck von 172 kPa Einlass und der Druck für weitere 2 min zu überwachen.
5. End Flow-Through-Experiment und Druck Aufnahme. Schließen Sie die Gasflasche und entlüften verbleibende Gas in die Atmosphäre. Demontieren Sie die Mannigfaltigkeiten und decken Oberseite der Probe mit einem feuchten Tuch, während die Stromversorgung des Erweiterungseinheit, um Kohlensäure und Trocknung von Zement verhindern.
6. Bestreichen Sie die Innenwand des Innenrohres mit lubricant für reibungslosen Ablauf der Expansionskegel und der Probe ist bereit für die Expansion.

3. Erweiterung Auf- und Ausbau Ordnung

1. Voll behalten Spreizdorn aus dem unteren Gehäuse durch den Hydraulikzylinder, wie in 4a gezeigt. Legen Sie die Mischprobe mit Zementstein in der unteren Probe Gehäuse der Leuchte durch die Öffnung an der Spitze (Abbildung 4b).
2. Vollständig die langgestreckten Expansionsdorn durch die Probe nach der der Expansionskegel mit gewünschten Expansionsverhältnis (Figur 3) wird auf sie geschoben wird, wie in 4c gezeigt. Schrauben Sie den Haltedorn auf Expansionsdorn, schrauben Sie den Haltedorn Führung auf dem unteren Verbinder des unteren Gehäuse. Die Probe ist bereit für die Expansion.
3. Schalten Sie das Hydraulikaggregat auf einen optimalen Druck von 10,3 MPa, und schalten Sie den Computer-Software für die axiale Kraft Aufnahme.
4. Aktivieren Sie die Zusammenarbeitntrol wechseln, um die Expansionsdorn zurückzuziehen und ziehen Sie die Erweiterung durch das Innenrohr der Probe und erweitert damit das Rohr und Komprimieren der Zementhülle. Erweitern Proben der Länge 40,64 cm (4d) und das längliche Expansionsdorn in die ursprüngliche Position. Stoppen Sie die Aufnahme von axialen Kräften.
5. Schrauben Sie den Haltedorn Führung und entfernen Sie den Haltedorn. Nehmen Sie den Expansionskegel aus dem Expansionsdorn und dem Dorn, um die Probe zu entfernen das untere Gehäuse bilden vollständig einfahren.
6. Nachdem die Probe entnommen, bereiten sie für die post-Erweiterung Multi-Rate-Gasdurchflussexperimenten.

4. Post-Expansion Multirate Durchflussversuche

1. Einlass- und Auslasskanäle sauber aus jeder Überschuss von gepressten Zementpaste.
2. Schneckenrohrfittings in vier Einlass- und Auslassöffnungen an der Außenrohr der Probe. Verbinden Einlass- und Auslassleitungen zu den Armaturen, wie in gezeigt, 5.
3. Druck den Gaszylinder, um Eingangsdruck von 172 kPa Initiale. Schalten Sie Computer-Software zur Aufzeichnung Drücken.
4. Öffnen Sie den Durchflussmesser und beginnen den Durchflusstest. Überwachen Eingangs- und Ausgangsdrücke auf dem Bildschirm (6).
5. Nach 5 min, Druck der Gasflasche zum Druck von 345 kPa Einlass und überwachen die Drücke für weitere 5 min.
6. Nach 5 min erhöhen den Eingangsdruck auf 517 kPa.
7. Nach 5 min erhöhen den Eingangsdruck auf endgültige Eingangsdruck von 690 kPa für weitere 5 min.
8. Beenden Sie die Durchflussexperiment und Druck Aufnahme. Schließen Sie die Gasflasche und entlüften verbleibende Gas in die Atmosphäre. Demontieren Verteilern aus der Probe.

5. Berechnungen der effektiven Permeabilität der Mikroring

HINWEIS: Der Hauptzweck dieser Studie war es, qualitative Informationen über Existenz von Gasstrom vor und nach e liefernXpansion. Das experimentelle Design nicht anspruchsvolle Komponenten besitzen, um in der Lage, um die Breite des Kanals messen und Durchfluss Genauigkeit sein. Während dieser Vorversuche Abdichtung von Gasfluss war der Hauptfokus. Daher kann jede der hier gezeigten Durchlässigkeit Berechnungen sind semi-quantitative und nicht Hauptziel der Studie.

1. Für die Berechnung der effektiven Permeabilität, die Konstante Stickstoffflussgeschwindigkeit von etwa q = 1,42 cm ³ / sec bei Druckstabilisierung. Das Gas Abweichungsfaktor für Stickstoff bei Umgebungsbedingungen ist, Z = 1 und Viskosität μ = 0,018 cP. Führen alle Durchflussprüfungen bei Umgebungsbedingungen von T = 535 ºR.
2. Berechnung der Fläche des zementierten ringförmigen Raum, indem Innenradius des Außenrohres, R _Oinn = 4,6 cm, und der Außenradius des Innenrohres, R _Iout = 3,05 cm. Der Abstand zwischen dem Einlass und Auslassöffnungen (& Delta; L) ist 40,64 cm. Druckdifferenz (P _Einlass -P _Ausgang), recvon Ein- und Austrittsdrucksensoren orded, ist die einzige Variable bei der Berechnung der effektiven Permeabilität des vorgefertigten Mikroring (K _ef) ¹⁹ verwendet:
   Gl. 1
   q - Stickstoffvolumenstrom [cm ³ / sec] K _ef - effektive zul. der Mikroring [MD]
   r _Ia - ID des Außenrohr [cm] r _Oinn - OD von Innenrohr [cm]
   μ - Gasviskosität [CP] Z - Gasabweichungsfaktor
   T - temperatuRe [ºR] AL - Abstand zwischen Druckwandler [cm]
   P _Einlass - Eingangsdruck [atm] P _{outlet -} Ausgangsdruck [atm]
3. Ersetzen alle der obigen Werte in die Gleichung 1 und die Berechnung der effektiven Permeabilität, wie unten in Beispiel 1. Der Einlaßdruck während der Pre-Expansion Durchfluss Experiment aufgezeichnet wurde gezeigt, P = _Einlaß 12 kPa (0,12 atm), während der Ausgangsdruck war Wandler P _Steckdose = 0,4 kPa (0,004 atm).
   Beispiel 1:

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Ergebnisse

Vorexpandierung Gasdurchflussprüfungen auf der Verbundprobe zeigte Druckaufzeichnung auf dem Austrittsdruckwandler bestätigt Gasströmung durch die vorgefertigten Mikroring (7 und 8). Anfangsbedingungen wurden übernommen, wo anfängliche Einlaßdruck betrug 103 kPa und die Gasströmungsrate wurde auf 85 ml / min für diesen Zeitraum gehalten. Die Zeitverzögerung bei der Druckerfassung zwischen den Eintritts- und Austrittsdrucksensoren betrug 7,5 Sekunden, während die höchsten Drü...

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Diskussion

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...

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Materialien

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