Die Autoren danken den folgenden Personen und Institutionen für ihre Hilfe und Unterstützung danken: William Portas und James Heathman (Industry Advisors, Shell E &amp; P), Richard Littlefield und Rodney Pennington (Shell Westhollow Technology Center), Daniele di Crescenzo (Shell Research Nun Ingenieur ), Bill Carruthers (LaFarge), Tim Quirk (jetzt mit Chevron), Gerry Masterman und Wayne Manuel (LSU PERTT Lab), Rick Young (LSU Felsmechanik Lab), und die Mitglieder der SEER Lab (Arome Oyibo, Tao Tao, und Iordan Bossev).

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. <ol><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Maschine aus der Schweißraupe an der Innenwand des Innenrohres. </li><li> 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. </li><li> Schweißen das Außenrohr an der Stahlplatte Ring. </li><li> 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. </li><li> Cement das Volumen zwischen Innen- und Außenrohr mit 1,57 g / cm 3 Zementschlamm, 0,87 w / z-Wert. </li><li> 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. </li></ol></li><li> Vorbereitung von 13,1 lb / gal Zementschlamm (für Volumen von 2,2 L) <ol><li> 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). </li><li> 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. </li><li> 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). </li><li> 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. </li></ol></li></ol> 2. Pre-Expansion Durchflussversuche <ol><li> 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). </li><li> Druck zu Gasflasche Eingangsdruck von 50 kPa Initiale. Schalten Sie Computer-Software zur Aufzeichnung Drücken. </li><li> Öffnen Sie den Durchflussmesser und beginnen den Durchflusstest. Überwachen Eingangs- und Ausgangsdrücke auf dem Bildschirm für 1 min, wie in Figur 6 gezeigt ist. </li><li> Druck zu Gaszylinder, um den Druck von 172 kPa Einlass und der Druck für weitere 2 min zu überwachen. </li><li> 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. </li><li> Bestreichen Sie die Innenwand des Innenrohres mit lubricant für reibungslosen Ablauf der Expansionskegel und der Probe ist bereit für die Expansion. </li></ol> 3. Erweiterung Auf- und Ausbau Ordnung <ol><li> 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). </li><li> 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. </li><li> Schalten Sie das Hydraulikaggregat auf einen optimalen Druck von 10,3 MPa, und schalten Sie den Computer-Software für die axiale Kraft Aufnahme. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Nachdem die Probe entnommen, bereiten sie für die post-Erweiterung Multi-Rate-Gasdurchflussexperimenten. </li></ol> 4. Post-Expansion Multirate Durchflussversuche <ol><li> Einlass- und Auslasskanäle sauber aus jeder Überschuss von gepressten Zementpaste. </li><li> Schneckenrohrfittings in vier Einlass- und Auslassöffnungen an der Außenrohr der Probe. Verbinden Einlass- und Auslassleitungen zu den Armaturen, wie in gezeigt, <strong&gt; 5. </li><li> Druck den Gaszylinder, um Eingangsdruck von 172 kPa Initiale. Schalten Sie Computer-Software zur Aufzeichnung Drücken. </li><li> Öffnen Sie den Durchflussmesser und beginnen den Durchflusstest. Überwachen Eingangs- und Ausgangsdrücke auf dem Bildschirm (6). </li><li> Nach 5 min, Druck der Gasflasche zum Druck von 345 kPa Einlass und überwachen die Drücke für weitere 5 min. </li><li> Nach 5 min erhöhen den Eingangsdruck auf 517 kPa. </li><li> Nach 5 min erhöhen den Eingangsdruck auf endgültige Eingangsdruck von 690 kPa für weitere 5 min. </li><li> Beenden Sie die Durchflussexperiment und Druck Aufnahme. Schließen Sie die Gasflasche und entlüften verbleibende Gas in die Atmosphäre. Demontieren Verteilern aus der Probe. </li></ol> 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. <ol><li> 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. </li><li> 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 (&amp; 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: <img alt="Gleichung 1" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/52098/52098eq1.jpg" /> 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] </li><li> 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: <img alt="Gleichung 2" fo:content-width="3in" src="/files/ftp_upload/52098/52098eq2.jpg" /></li></ol>

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L., Bachu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+the+potential+for+gas+and+CO2+leakage+along+wellbores.">Evaluation of the potential for gas and CO2 leakage along wellbores.</a> SPE Drill &amp; Compl. 24 (1), 115-126 (2009).</li><li>Wojtanowicz, A. 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The authors have nothing to disclose.

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...

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 &lt;sup&gt; 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.

<table><tbody><tr><td>ASTM A53 Grade B ERW Schedule 40 Steel pipe - OD=10.16 cm, ID=10.04 cm, L=59.7 cm</td><td>Baker Sales</td><td>BPE-4.00BB40</td><td></td></tr><tr><td>ASTM A53 Grade B ERW Schedule 10 Steel pipe - OD=6 cm, ID=5.94 cm, L=61 cm&amp;nbsp;</td><td>Service Steel</td><td>n/a</td><td></td></tr><tr><td>Expansion Cones - AISI D2 grade alloy steel (60 RC hardness)</td><td>Shell</td><td>Custom-made</td><td></td></tr><tr><td>Pipe coupling - OD=6.35 cm, ID=6 cm, L=4.4 cm</td><td>LSU</td><td>Custom-made</td><td></td></tr><tr><td>Steel plate ring - OD=10.16 cm, ID=5.76 cm, thickness=6.35 mm</td><td>Louisiana Cutting</td><td>Custom-made</td><td></td></tr><tr><td>Class H Cement</td><td>LaFarge</td><td>04-16-12 / 14-18</td><td></td></tr><tr><td>Defoaming agent - D-Air 3000L</td><td>Halliburton</td><td>n/a</td><td></td></tr><tr><td>Bentonite clay</td><td>LSU</td><td>n/a</td><td></td></tr><tr><td>Calcium hydroxide</td><td>LSU</td><td>n/a</td><td></td></tr><tr><td>Expansion Fixture</td><td>Shell</td><td>Custom-made</td><td></td></tr><tr><td>Pressure transducers</td><td>Omega</td><td>PX480A-200GV&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Teflon tubing</td><td>Swagelok</td><td>PB0754100</td><td></td></tr><tr><td>Union tee</td><td>Swagelok</td><td>SS-400-3</td><td></td></tr><tr><td>Elbow union</td><td>Swagelok</td><td>SS-400-9</td><td></td></tr><tr><td>Female elbow</td><td>Swagelok</td><td>SS-400-8-8</td><td></td></tr><tr><td>Port connector</td><td>Swagelok</td><td>SS-401-PC</td><td></td></tr><tr><td>Forged body valve</td><td>Swagelok</td><td>SS-1RS4</td><td></td></tr><tr><td>Tube adapter</td><td>Swagelok</td><td>SS-4-TA-1-2</td><td></td></tr><tr><td>Pipe lubricant</td><td>E.F. Houghoton &amp;amp; Co.</td><td>71323998</td><td></td></tr><tr><td>Instant Galvanize Zinc Coating</td><td>CRC</td><td>78254184128</td><td></td></tr></tbody></table>

mechanical expansion of steel tubing as a solution to leaky wellbores

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.

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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Mechanical Expansion of Steel Tubing as a Solution to Leaky Wellbores

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.

Mechanische Spannstahlrohr als eine Lösung für Leaky Bohrlöchern

Wellbore cement, a procedural component of wellbore completion operations, primarily provides zonal isolation and mechanical support of the metal pipe ...

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Serie: Mechanical Expansion of Steel Tubing as a Solution to Leaky Wellbores

Reservoir Condition Pore-scale Imaging of Multiple Fluid Phases Using X-ray Microtomography

X-ray microtomography was used to image, at a resolution of 6.6 &#181;m, the pore-scale arrangement of residual carbon dioxide ganglia in the pore-space of a carbonate rock at pressures and temperatures representative of typical formations used for CO2 storage. Chemical equilibrium between the CO2, brine and rock phases was maintained using a high pressure high temperature reactor, replicating conditions far away from the injection site. Fluid flow was controlled using high pressure high temperature syringe pumps. To maintain representative in-situ conditions within the micro-CT scanner a carbon fiber high pressure micro-CT coreholder was used. Diffusive CO2 exchange across the confining sleeve from the pore-space of the rock to the confining fluid was prevented by surrounding the core with a triple wrap of aluminum foil. Reconstructed brine contrast was modeled using a polychromatic x-ray source, and brine composition was chosen to maximize the three phase contrast between the two fluids and the rock. Flexible flow lines were used to reduce forces on the sample during image acquisition, potentially causing unwanted sample motion, a major shortcoming in previous techniques. An internal thermocouple, placed directly adjacent to the rock core, coupled with an external flexible heating wrap and a PID controller was used to maintain a constant temperature within the flow cell. Substantial amounts of CO2 were trapped, with a residual saturation of 0.203 &#177; 0.013, and the sizes of larger volume ganglia obey power law distributions, consistent with percolation theory.

We present a methodology for the imaging of multiple fluid phases at reservoir conditions by the use of x-ray microtomography. We show some representative results of capillary trapping in a carbonate rock sample.

Reservoir Zustand Pore angelegte Imaging von mehreren fluiden Phasen Mit Hilfe der Röntgenmikrotomographie

X-ray microtomography was used to image, at a resolution of 6.6 &#181;m, the pore-scale arrangement of residual carbon dioxide ganglia in the pore-space ...

Forschung

Ingenieurwesen

High-pressure, High-temperature Deformation Experiment Using the New Generation Griggs-type Apparatus

In order to address geological processes at great depths, rock deformation should ideally be tested at high pressure (&#62; 0.5 GPa) and high temperature (&#62; 300 &#176;C). However, because of the low stress resolution of current solid-pressure-medium apparatuses, high-resolution measurements are today restricted to low-pressure deformation experiments in the gas-pressure-medium apparatus. A new generation of solid-medium piston-cylinder (&#34;Griggs-type&#34;) apparatus is here described. Able to perform high-pressure deformation experiments up to 5 GPa and designed to adapt an internal load cell, such a new apparatus offers the potential to establish a technological basis for high-pressure rheology. This paper provides video-based detailed documentation of the procedure (using the &#34;conventional&#34; solid-salt assembly) to perform high-pressure, high-temperature experiments with the newly designed Griggs-type apparatus. A representative result of a Carrara marble sample deformed at 700 &#176;C, 1.5 GPa and 10-5 s-1 with the new press is also given. The related stress-time curve illustrates all steps of a Griggs-type experiment, from increasing pressure and temperature to sample quenching when deformation is stopped. Together with future developments, the critical steps and limitations of the Griggs apparatus are then discussed.

Rock deformation needs to be quantified at high pressure. A description of the procedure to perform deformation experiments in a newly designed solid-medium Griggs-type apparatus is here given. This provides technological basis for future rheological studies at pressures up to 5 GPa.

Hochdruck- und Hochtemperatur-Verformung Experiment mit der neuen Generation Griggs-Typ Apparat

In order to address geological processes at great depths, rock deformation should ideally be tested at high pressure (&#62; 0.5 GPa) and high temperature ...

Umwelt

Wastewater Irrigation Impacts on Soil Hydraulic Conductivity: Coupled Field Sampling and Laboratory Determination of Saturated Hydraulic Conductivity

Since the early 1960s, an alternative wastewater discharge practice at The Pennsylvania State University has been researched and its impacts monitored. Rather than discharging treated wastewater to a stream, and thereby directly impacting the stream quality, the effluent is applied to forested and cropped land managed by the University. Concerns related to reductions in soil hydraulic conductivity occur when considering wastewater reuse. The methodology described in this manuscript, matching soil sample size with the size of the laboratory-based hydraulic conductivity measurement apparatus, provides the benefits of a relatively rapid collection of samples with the benefits of controlled laboratory boundary conditions. The results suggest that there may have been some impact of wastewater reuse on the soil&#39;s ability to transmit water at deeper depths in the depressional areas of the site. Most of the reductions in the soil hydraulic conductivity in the depressions appear to be related to the depth from which the sample was collected, and by inference, associated with the soil structural and textural differences.

Here we present a methodology which matches a soil sample size and a hydraulic conductivity measurement device to prevent the so-called wall flow along the inside of the soil container from being erroneously included in water flow measurements. Its use is demonstrated with samples collected from a wastewater irrigation site.

Abwasser Bewässerung Auswirkungen auf Boden hydraulische Leitfähigkeit: Bereich Probenahme und Labor-Bestimmung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit in Verbindung

Since the early 1960s, an alternative wastewater discharge practice at The Pennsylvania State University has been researched and its impacts monitored. ...

Design and Use of a Full Flow Sampling System (FFS) for the Quantification of Methane Emissions

The use of natural gas continues to grow with increased discovery and production of unconventional shale resources. At the same time, the natural gas industry faces continued scrutiny for methane emissions from across the supply chain, due to methane&#39;s relatively high global warming potential (25-84x that of carbon dioxide, according to the Energy Information Administration). Currently, a variety of techniques of varied uncertainties exists to measure or estimate methane emissions from components or facilities. Currently, only one commercial system is available for quantification of component level emissions and recent reports have highlighted its weaknesses.
In order to improve accuracy and increase measurement flexibility, we have designed, developed, and implemented a novel full flow sampling system (FFS) for quantification of methane emissions and greenhouse gases based on transportation emissions measurement principles. The FFS is a modular system that consists of an explosive-proof blower(s), mass airflow sensor(s) (MAF), thermocouple, sample probe, constant volume sampling pump, laser based greenhouse gas sensor, data acquisition device, and analysis software. Dependent upon the blower and hose configuration employed, the current FFS is able to achieve a flow rate ranging from 40 to 1,500 standard cubic feet per minute (SCFM). Utilization of laser-based sensors mitigates interference from higher hydrocarbons (C2+). Co-measurement of water vapor allows for humidity correction. The system is portable, with multiple configurations for a variety of applications ranging from being carried by a person to being mounted in a hand drawn cart, on-road vehicle bed, or from the bed of utility terrain vehicles (UTVs). The FFS is able to quantify methane emission rates with a relative uncertainty of &#177; 4.4%. The FFS has proven, real world operation for the quantification of methane emissions occurring in conventional and remote facilities.

Design and Use of a Full Flow Sampling System FFS for the Quantification of Methane Emissions

We have designed, developed, and implemented a novel full flow sampling system (FFS) for quantification of methane emissions and greenhouse gases from across the natural gas supply chain.

Design und die Verwendung eines Vollstrom-Probenahmesystem (FFS) für die Quantifizierung von Methanemissionen

The use of natural gas continues to grow with increased discovery and production of unconventional shale resources. At the same time, the natural gas ...

Measurement of Outgassing Rates of Steels

Steels are commonly used materials in the fabrication of vacuum systems because of their good mechanical, corrosion, and vacuum properties. A variety of steels meet the criterion of low outgassing required for high or ultrahigh vacuum applications. However, a given material can present different outgassing rates depending on its manufacturing process or the various pretreatment processes involved during the fabrication. Thus, the measurement of outgassing rates is highly desirable for a specific vacuum application. For this reason, the rate-of-pressure rise (RoR) method is often used to measure the outgassing of hydrogen after bakeout. In this article, a detailed description of the design and execution of the experimental protocol involved in the RoR method is provided. The RoR method uses a spinning rotor gauge to minimize errors that stem from outgassing or the pumping action of a vacuum gauge. The outgassing rates of two ordinary steels (stainless steel and mild steel) were measured. The measurements were made before and after the heat pretreatment of the steels. The heat pretreatment of steels was performed to reduce the outgassing. Extremely low rates of outgassing (on the order of 10&#8722;11 Pa m3 sec&#8722;1 m&#8722;2) can be routinely measured using relatively small samples.

A protocol for the measurement of outgassing rates of hydrogen from ordinary steel vacuum chambers using the rate-of-pressure rise method is presented.

Die Messung der Ausgasraten von Stahl

Steels are commonly used materials in the fabrication of vacuum systems because of their good mechanical, corrosion, and vacuum properties. A variety of ...

A Coupled Experiment-finite Element Modeling Methodology for Assessing High Strain Rate Mechanical Response of Soft Biomaterials

This study offers a combined experimental and finite element (FE) simulation approach for examining the mechanical behavior of soft biomaterials (e.g. brain, liver, tendon, fat, etc.) when exposed to high strain rates. This study utilized a Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) to generate strain rates of 100-1,500 sec-1. The SHPB employed a striker bar consisting of a viscoelastic material (polycarbonate). A sample of the biomaterial was obtained shortly postmortem and prepared for SHPB testing. The specimen was interposed between the incident and transmitted bars, and the pneumatic components of the SHPB were activated to drive the striker bar toward the incident bar. The resulting impact generated a compressive stress wave (i.e. incident wave) that traveled through the incident bar. When the compressive stress wave reached the end of the incident bar, a portion continued forward through the sample and transmitted bar (i.e. transmitted wave) while another portion reversed through the incident bar as a tensile wave (i.e. reflected wave). These waves were measured using strain gages mounted on the incident and transmitted bars. The true stress-strain behavior of the sample was determined from equations based on wave propagation and dynamic force equilibrium. The experimental stress-strain response was three dimensional in nature because the specimen bulged. As such, the hydrostatic stress (first invariant) was used to generate the stress-strain response. In order to extract the uniaxial (one-dimensional) mechanical response of the tissue, an iterative coupled optimization was performed using experimental results and Finite Element Analysis (FEA), which contained an Internal State Variable (ISV) material model used for the tissue. The ISV material model used in the FE simulations of the experimental setup was iteratively calibrated (i.e. optimized) to the experimental data such that the experiment and FEA strain gage values and first invariant of stresses were in good agreement.

The current study prescribes a coupled experiment-finite element simulation methodology to obtain the uniaxial dynamic mechanical response of soft biomaterials (brain, liver, tendon, fat, etc.). The multiaxial experimental results that arose because of specimen bulging obtained from Split-Hopkinson Pressure Bar testing were rendered to a uniaxial true stress-strain behavior when simulated through iterative optimization of the finite element analysis of the biomaterial.

A Gekoppelt Experiment-Finite-Elemente-Modeling-Methode zur Bewertung Hohe Strain Rate Mechanisches Verhalten von weicher Biomaterialien

This study offers a combined experimental and finite element (FE) simulation approach for examining the mechanical behavior of soft biomaterials (e.g. ...

Biotechnik

Rapid and Low-cost Prototyping of Medical Devices Using 3D Printed Molds for Liquid Injection Molding

Biologically inert elastomers such as silicone are favorable materials for medical device fabrication, but forming and curing these elastomers using traditional liquid injection molding processes can be an expensive process due to tooling and equipment costs. As a result, it has traditionally been impractical to use liquid injection molding for low-cost, rapid prototyping applications. We have devised a method for rapid and low-cost production of liquid elastomer injection molded devices that utilizes fused deposition modeling 3D printers for mold design and a modified desiccator as an injection system. Low costs and rapid turnaround time in this technique lower the barrier to iteratively designing and prototyping complex elastomer devices. Furthermore, CAD models developed in this process can be later adapted for metal mold tooling design, enabling an easy transition to a traditional injection molding process. We have used this technique to manufacture intravaginal probes involving complex geometries, as well as overmolding over metal parts, using tools commonly available within an academic research laboratory. However, this technique can be easily adapted to create liquid injection molded devices for many other applications.

We have devised a method for low-cost and rapid prototyping of liquid elastomer rubber injection molded devices by using fused deposition modeling 3D printers for mold design and a modified desiccator as a liquid injection system.

Schnelle und Low-Cost-Prototyping für Medizinische Geräte mit 3D Printed Formen für Liquid Injection Molding

Biologically inert elastomers such as silicone are favorable materials for medical device fabrication, but forming and curing these elastomers using ...

Pore-scale Imaging and Characterization of Hydrocarbon Reservoir Rock Wettability at Subsurface Conditions Using X-ray Microtomography

In situ wettability measurements in hydrocarbon reservoir rocks have only been possible recently. The purpose of this work is to present a protocol to characterize the complex wetting conditions of hydrocarbon reservoir rock using pore-scale three-dimensional X-ray imaging at subsurface conditions. In this work, heterogeneous carbonate reservoir rocks, extracted from a very large producing oil field, have been used to demonstrate the protocol. The rocks are saturated with brine and oil and aged over three weeks at subsurface conditions to replicate the wettability conditions that typically exist in hydrocarbon reservoirs (known as mixed-wettability). After the brine injection, high-resolution three-dimensional images (2 &#181;m/voxel) are acquired and then processed and segmented. To calculate the distribution of the contact angle, which defines the wettability, the following steps are performed. First, fluid-fluid and fluid-rock surfaces are meshed. The surfaces are smoothed to remove voxel artefacts, and in situ contact angles are measured at the three-phase contact line throughout the whole image. The main advantage of this method is its ability to characterize in situ wettability accounting for pore-scale rock properties, such as rock surface roughness, rock chemical composition, and pore size. The in situ wettability is determined rapidly at hundreds of thousands of points. 
The method is limited by the segmentation accuracy and X-ray image resolution. This protocol could be used to characterize the wettability of other complex rocks saturated with different fluids and at different conditions for a variety of applications. For example, it could help in determining the optimal wettability that could yield an extra oil recovery (i.e., designing brine salinity accordingly to obtain higher oil recovery) and to find the most efficient wetting conditions to trap more CO2 in subsurface formations.

This protocol is presented to characterize the complex wetting conditions of an opaque porous medium (hydrocarbon reservoir rock) using three-dimensional images obtained by X-ray microtomography at subsurface conditions.

Pore-Scale Imaging und Charakterisierung von Kohlenwasserstoff Reservoir Rock Benetzbarkeit am Untergrund Bedingungen mit Röntgen-Mikrotomographie

In situ wettability measurements in hydrocarbon reservoir rocks have only been possible recently. The purpose of this work is to present a protocol to ...

A Multi-Cue Bioreactor to Evaluate the Inflammatory and Regenerative Capacity of Biomaterials under Flow and Stretch

The use of resorbable biomaterials to induce regeneration directly in the body is an attractive strategy from a translational perspective. Such materials induce an inflammatory response upon implantation, which is the driver of subsequent resorption of the material and the regeneration of new tissue. This strategy, also known as in situ tissue engineering, is pursued to obtain cardiovascular replacements such as tissue-engineered vascular grafts. Both the inflammatory and the regenerative processes are determined by the local biomechanical cues on the scaffold (i.e., stretch and shear stress). Here, we describe in detail the use of a custom-developed bioreactor that uniquely enables the decoupling of stretch and shear stress on a tubular scaffold. This allows for the systematic and standardized evaluation of the inflammatory and regenerative capacity of tubular scaffolds under the influence of well-controlled mechanical loads, which we demonstrate on the basis of a dynamic co-culture experiment using human macrophages and myofibroblasts. The key practical steps in this approach&#8212;the construction and setting up of the bioreactor, preparation of the scaffolds and cell seeding, application and maintenance of stretch and shear flow, and sample harvesting for analysis&#8212;are discussed in detail.

The goal of this protocol is to execute a dynamic co-culture of human macrophages and myofibroblasts in tubular electrospun scaffolds to investigate material-driven tissue regeneration, using a bioreactor which enables the decoupling of shear stress and cyclic stretch.

Ein Multi-Cue-Bioreaktor zur Bewertung der entzündlichen und regenerativen Kapazität von Biomaterialien unter Strömung und Dehnung

The use of resorbable biomaterials to induce regeneration directly in the body is an attractive strategy from a translational perspective. Such materials ...

Finite Element Modeling for the Simulation of the Quasi-Static Compression of Corrugated Tapered Tubes

In this study, the quasi-static compression performance of tapered tubes was investigated using finite element simulations. Previous studies have shown that a thickness gradient can reduce the initial peak force and that lateral corrugation can increase the energy absorption performance. Therefore, two kinds of lateral corrugated tapered tubes with variable thicknesses were designed, and their deformation patterns, load displacement curves, and energy absorption performance were analyzed. The results showed that when the thickness variation factor (k) was 0.9, 1.2, and 1.5, the deformation mode of the single corrugated tapered tube (ST) changed from transverse expansion and contraction to axial progressive folding. In addition, the thickness gradient design improved the energy absorption performance of the ST. The energy absorption (EA) and specific energy absorption (SEA) of the model with k = 1.5 increased by 53.6% and 52.4%, respectively, compared with the ST model with k = 0. The EA and SEA of the double corrugated tapered tube (DT) increased by 373% and 95.7%, respectively, compared with the conical tube. The increase in the k value resulted in a significant decrease in the peak crushing force of the tubes and an increase in the crushing force efficiency.

<meta charset="utf8"></head><body>Finite-Elemente-Modellierung zur Simulation der quasistatischen Kompression von gewellten konischen Rohren

This protocol describes the study of the quasi-static compression performance of corrugated tapered tubes using finite element simulations. The influence of the thickness gradient on the compression performance was investigated. The results show that proper thickness gradient design can change the deformation mode and significantly improve the energy absorption performance of the tubes.

Finite-Elemente-Modellierung zur Simulation der quasistatischen Kompression von gewellten konischen Rohren

In this study, the quasi-static compression performance of tapered tubes was investigated using finite element simulations. Previous studies have shown ...