Expansión Mecánica de tubo de acero como una solución a los pozos con fugas

Resumen

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.

Resumen

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.

Introducción

El procedimiento experimental informado tiene dos componentes principales que son críticos: cilindros compuestos que simulan los pozos y el dispositivo de expansión que se utiliza para llevar a cabo la manipulación mecánica del cemento.

Pozos son la principal puerta de entrada para la producción de fluidos del subsuelo (agua, petróleo, gas, o vapor de agua), así como la inyección de diversos fluidos. Independientemente de su función, se requiere que el pozo para proporcionar un flujo controlado de producidos / fluidos inyectados. La construcción del pozo tiene dos operaciones distintas: la perforación y terminación. Cemento del pozo, que forma parte del procedimiento de terminaciones, ofrece principalmente el aislamiento zonal, soporte mecánico de la tubería de metal (carcasa), y la protección de los componentes metálicos de los fluidos corrosivos. Estos son los elementos esenciales de los pozos sin compromisos, en pleno funcionamiento. La integridad de la vaina de cemento del pozo es una función de las propiedades químicas y físicas del cemento hidratado, la geometría de la cASED bien, y las propiedades de la formación / formación que rodea Líquidos ^2,3. Eliminación incompleta del fluido de perforación que puede reducirse el aislamiento zonal, ya que previene la formación de enlaces fuertes en las interfases con el rock y / o metal. Revestimientos de cemento pueden ser sometidos a muchos tipos de fallo durante la vida de un pozo. Las oscilaciones de presión y de temperatura causados ​​por las operaciones de terminación y producción contribuyen al desarrollo de fracturas dentro de la matriz de cemento; desunión es causada por la presión y / o cambios de temperatura y la hidratación del cemento contracción ^4,5,6. El resultado es casi siempre la presencia de flujo de fluidos microannular, aunque su aparición se puede detectar temprano o después de años de vida útil.

Heathman y Beck (2006) crearon un modelo de tubería de revestimiento cementada sometido a más de 100 cargas cíclicas de presión y temperatura, que mostraron pérdida de adherencia visible, de iniciación de grietas de cemento que pueden plantear vías preferenciales para la migración de fluido ^{7. En el campo, la expansión y la contracción de los componentes de metal de un pozo no coincidirán con las de cemento y roca, causando pérdida de adherencia interfacial y la formación de un microespacio anular, dando lugar a un aumento en la permeabilidad de la vaina de cemento. Una carcasa de carga adicional puede causar la propagación de grietas radiales en la matriz de cemento una vez que las tensiones de tracción superan la resistencia a la tracción del material 8. Todos los fallos de cemento antes mencionados puede resultar en micro-canalización, lo que conduce a la migración de gas, la aparición de SCP, y los riesgos ambientales a largo plazo.}

Un número considerable de productores y abandonados pozos con SCP constituye un potencial nueva fuente de emisión de gas natural continua ^9. El análisis llevado a cabo por Watson y Bachu (2009) de 315.000 petróleo, gas, y pozos de inyección en Alberta, Canadá también mostró que la desviación del pozo, así tipo, método de abandono, y la calidad del cemento son factores clave contributing a posibles fugas bien en la parte menos profunda del pozo ^10. Las operaciones de recuperación existentes son costosas y sin éxito; la cementación apretón, una de las técnicas de recuperación más utilizados, tiene una tasa de éxito de sólo el 50% ^11.

En este trabajo se informe sobre la evaluación de la tecnología de la carcasa Expandible (TEC) como una nueva técnica de remediación de pozos con fugas ^12,13. ECT se puede aplicar en nuevas o existentes pozos ^14. La primera instalación comercial de esta tecnología fue realizada por Chevron en un pozo en aguas poco profundas del Golfo de México en noviembre de 1999 ^15. En el sobre de funcionamiento actual de los tubulares expandibles encapsula una inclinación de 100 ° respecto a la vertical, la temperatura de hasta 205 ° C, peso del lodo a 2,37 g / cm ^3, una profundidad de 8763 m, la presión hidrostática de 160,6 GPa y una longitud tubular 2,092 m ^16. Una tasa de expansión típico para los tubulares expandibles sólidos es unproximadamente 2,4 m / min ^17.

Este estudio ofrece un enfoque único para la adaptación de la tecnología de la TEC como una nueva operación de remediación para el SCP. La expansión de la tubería de acero comprime el cemento que resultaría en el cierre del flujo de gas en la interfase y sellar la fuga de gas. Es importante mencionar que el enfoque de este estudio es el sellado de un flujo de gas microannular existente, por lo tanto, sólo nos enfocamos en eso como una posible causa de los pozos con fugas. Con el fin de probar la efectividad de la tecnología recién adaptado para este fin, se diseñó un modelo de pozo con un flujo de microannular existente. Esto se obtiene haciendo girar el tubo interior durante la hidratación del cemento. No se trata de simular las operaciones sobre el terreno, sino simplemente para avanzar rápidamente lo que sucedería después de décadas de carga térmica y la presión en un pozo.

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Protocolo

1. La muestra compuesta (Figura 1)

NOTA: La mayoría de los puestos de trabajo de cemento en el Golfo de México (EE.UU.) se realizan utilizando la clase H de cemento ^18, por lo tanto, el mismo tipo de cemento se utilizó para llevar a cabo los experimentos de laboratorio para simular las condiciones de campo, como la aplicabilidad potencial de esta tecnología para el SCP remediación en el Golfo de México.

1. Preparación de la muestra
   NOTA: La muestra de 61 cm de largo consta de dos de grado B se resistían eléctricamente soldadas tuberías (REG) de acero al carbono (Figura 1). El tubo interior es de 61 cm de largo y tiene unos 6 cm de diámetro exterior (OD) con un espesor de pared de 2,8 mm. El tubo exterior es 59,7 cm de largo, tiene 10 cm OD y un espesor de pared de 5,7 mm. Resistencia a la fluencia y resistencia a la tracción de los tubos son 241 MPa y 414 MPa, respectivamente.
   1. Perforar orificios 12 de 2,4 mm en el tubo exterior para proporcionar el alivio de la presión durante la expansión y porosidad sinóptico de las rocas en condiciones de campo. Drill ocho agujeros 8,6 mm próximos en el the tubería exterior, 90 ° de separación, con cuatro agujeros de 13 cm desde la parte superior y los cuatro agujeros de 53 cm desde la parte superior.
   2. Pase estos agujeros con 3,2 mm NPT (National Pipe Thread) punta roscado para permitir la conexión con las instalaciones de tuberías y tubos de nylon conjunto de colector en la parte inferior (de entrada) y parte superior (salida) de la muestra. Asegúrese de que los puertos de entrada y salida son 40,64 cm de distancia y se utilizan para el funcionamiento de los experimentos de flujo continuo de gas multi-tasa de pre-y post-expansión.
   3. Escudo tubería exterior con spray anti-corrosión para evitar la corrosión durante el período de curado que podría interferir con los experimentos debido a la formación de hidróxido de hierro y productos de corrosión podría causar la microfractura de cemento.
      NOTA: Este escenario se pondrá a prueba en los experimentos futuros como la corrosión del metal es a menudo presente en los sistemas de pozos.
   4. Máquina el cordón de soldadura en la pared interior de la tubería interior.
   5. Cortar acoplamiento de acero hecha a medida para una longitud de 4,5 cm, de tubo de diámetro exterior de 6,35 cm. THRead la pieza en la pared interior y soldar a la 0.63 cm anillo de la placa de acero de espesor (Figura 2). Pase la parte inferior del tubo interior en la pared exterior de la longitud de 4,5 cm para permitir la conexión con el acoplamiento soldada, como se muestra en la Figura 2.
   6. Soldar el tubo exterior al anillo de la placa de acero.
   7. Lubricar pared exterior del tubo interior con vaselina y bicarbonato de pulverización a lo largo de toda su longitud. Enrosque el tubo interior en el acoplamiento para terminar el montaje de la muestra compuesta.
   8. Cemento el volumen entre los tubos interior y exterior con 1,57 g / cm ³ lechada de cemento, 0,87 w / c ratio.
   9. Muestras de curación en un baño de agua en condiciones ambientales durante un período mínimo de 28 días. Mantener el pH del baño de agua entre 12 y 13 mediante la adición de Ca (OH) ₂ al agua para mantener el medio ambiente de pH alto.
2. Preparación del 13,1 lb / gal de lechada de cemento (por volumen de 2,2 L)
   1. Verter 1.350 g de agua en el4 L, mezclador de laboratorio 3,75 caballos de fuerza y ​​pre-hidrato de 30 g (2% en peso de cemento) de la bentonita durante 5 min a baja velocidad (30.000 xg).
   2. Después de 5 min, se vierte 5 ml de agente antiespumante y 1500 g de polvo de cemento en el mezclador y el cizallamiento durante 40 segundos a alta velocidad de 51.755 x g. Vierta la mezcla de cemento en el espacio anular del conjunto de tubo y cubrir con una envoltura de tela y plástico húmedo para evitar la exposición al aire y evitar la carbonatación del cemento.
   3. Seis horas después de la lechada de cemento se vierte entre los tubos, gire el tubo interior un cuarto de vuelta hacia atrás y adelante cada 15 min para el próximo 20 h de hidratación del cemento para evitar la unión de cemento con el tubo interior y crear un microcanal (necesario para microannular flujo de gas).
   4. Coloque la muestra compuesta cimentado horizontalmente en el baño de agua durante un período mínimo de 28 días. Asegúrese de que el baño de agua tiene un valor de pH de alrededor de 13 que se consigue mediante la adición de 100 g de Ca (OH) ₂ en 20 L de agua.

2. Pre-expansión experimentos de flujo continuo

1. Tornillo de 3,2 mm accesorios en cuatro puertos de entrada y salida en el tubo exterior de la muestra. Conectar colectores de entrada y de salida con transductores de presión a los accesorios (Figura 5).
2. Regule la presión del cilindro de gas a presión de entrada inicial de 50 kPa. Encienda el software de computadora para presiones sin precedentes.
3. Abra el medidor de flujo y comenzar el ensayo de flujo a través. Supervisar las presiones de entrada y salida en la pantalla durante 1 min, como se muestra en la Figura 6.
4. Presurizar el cilindro de gas a la entrada de presión de 172 kPa y controlar la presión durante otras 2 min.
5. Flujo a través Fin experimento y registro de la presión. Cierre el cilindro de gas y ventilar el gas restante a la atmósfera. Desmontar los colectores y cubrir la parte superior de la muestra con un paño húmedo mientras enciende la unidad de expansión, para evitar la carbonatación y el secado de cemento.
6. Escudo de la pared interior de la tubería interna con lubricant para buen funcionamiento del cono de expansión y la muestra está lista para la expansión.

Configuración 3. Ampliación y Procedimiento de expansión

1. Retener completamente el mandril de expansión de la carcasa inferior por el cilindro hidráulico, como se muestra en la Figura 4a. Coloque la muestra de material compuesto con cemento hidratado en la carcasa de la muestra inferior del aparato a través de la abertura en la parte superior (Figura 4b).
2. Alargar completamente el mandril de expansión a través de la muestra después de lo cual el cono de expansión con relación de expansión deseada (Figura 3) se desliza sobre ella, como se muestra en la Figura 4c. Atornillar el mandril de retención en la mandril de expansión, a continuación, el tornillo de la guía mandril de retención en el conector inferior de la carcasa inferior. La muestra está lista para la expansión.
3. Alimente la unidad hidráulica a una presión óptima de 10,3 MPa, y encienda el software para la grabación de fuerza axial.
4. Active la control cambiar a retraer el mandril de expansión y tire de la expansión a través de la tubería interior de la muestra, ampliando de esta manera el tubo y comprimir el revestimiento de cemento. Expandir muestras a la longitud de 40,64 cm (Figura 4D) y luego alargar el mandril de expansión en posición original. Detener la grabación de las fuerzas axiales.
5. Aflojar la guía mandril de sujeción y retire el mandril de sujeción. Quitar el cono de expansión del mandril de expansión y retraer completamente el mandril con el fin de retirar la muestra formar la carcasa inferior.
6. Después de retirar la muestra, prepararla para la post-expansión de múltiples experimentos de tasa de flujo de gas a través de.

4. Post-expansión multi-tasa de experimentos de flujo continuo

1. Puertos de entrada y salida limpias de cualquier exceso de pasta de cemento exprimido.
2. Tornillo de accesorios de tubería en cuatro puertos de entrada y salida en el tubo exterior de la muestra. Conectar colectores de entrada y de salida a los accesorios, como se muestra en Figura 5.
3. Presión del cilindro de gas a presión de entrada inicial de 172 kPa. Encienda el software de computadora para presiones sin precedentes.
4. Abra el medidor de flujo y comenzar el ensayo de flujo a través. Controle las presiones de entrada y salida en la pantalla (Figura 6).
5. Después de 5 min, presurizar el cilindro de gas a la entrada de presión de 345 kPa y controlar las presiones durante otros 5 min.
6. Después de 5 min aumentar la presión de entrada a 517 kPa.
7. Después de 5 min aumentar la presión de entrada al final de la presión de entrada de 690 kPa durante otros 5 min.
8. Termine el experimento de flujo continuo y registro de la presión. Cierre el cilindro de gas y ventilar el gas restante a la atmósfera. Desmontar colectores de la muestra.

5. Los cálculos de la permeabilidad efectiva de los microanular

NOTA: El objetivo principal de este estudio era proporcionar información cualitativa con respecto a la existencia de flujo de gas antes y después eXpansion. El diseño experimental no posee componentes sofisticados para ser capaz de medir la anchura del canal y el flujo de precisión de la frecuencia. Durante estos preliminares de cierre del flujo de gas experimentos fue el foco principal. Por lo tanto, cualquiera de los cálculos de permeabilidad se muestran aquí son más semi-cuantitativo y no objetivo principal del estudio.

1. Para el cálculo de la permeabilidad efectiva, utilizar la velocidad de flujo constante de nitrógeno de aproximadamente q = 1,42 cm ³ / s sobre estabilización de la presión. El factor de desviación del gas de nitrógeno en condiciones ambientales es Z = 1 y μ = viscosidad de 0.018 cP. Llevar a cabo todas las pruebas de flujo continuo en condiciones ambientales de T = 535 ºR.
2. Calcular el área del espacio anular cementado tomando radio interior de la tubería exterior, r _Oinn = 4,6 cm, y el radio exterior de la tubería interior, r _Iout = 3,05 cm. La distancia entre los puertos de entrada y salida (? L) es 40,64 cm. Diferencia de presión (P -P _{toma de entrada),} recorded por transductores de entrada y presión de salida, es la única variable que se utiliza en los cálculos de la permeabilidad efectiva de la microanular prefabricado (K _ef) ^19:
   Eq. 1
   caudal de nitrógeno ^[cm3 / s] K _ef - - q perm eficaz. de microanular [mD]
   r _Isal - Identificación de tubo exterior [cm] r _Oinn - OD del tubo interior [cm]
   μ - viscosidad del gas [cP] Z - factor de desviación de gas
   T - temperature [ºR]? L - distancia entre transductores de presión [cm]
   P _{de entrada} - presión de entrada [atm] _{de salida} P - presión de salida [atm]
3. Sustituir todos los valores anteriores en la ecuación 1 y calcular la permeabilidad eficaz como se muestra a continuación en el Ejemplo 1. La presión de entrada registrada durante el experimento de flujo a través de pre-expansión se P _{de entrada} = 12 kPa (0,12 atm) mientras que el transductor de presión de salida fue de P _{de salida} = 0,4 kPa (0,004 atm).
   Ejemplo 1:

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Resultados

Pre-expansión pruebas de gas de flujo continuo en la muestra compuesta mostraron registro de la presión en el transductor de presión de salida, lo que confirma el flujo de gas a través de la microanular pre-fabricado (Figuras 7 y 8). Las condiciones iniciales se mantuvieron la misma, donde la presión de entrada inicial fue de 103 kPa y la tasa de flujo de gas se mantuvo a 85 ml / min para ese período. El retraso de tiempo en la grabación de presión entre los transductores de ent...

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Discusión

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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Materiales

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