הרחבה מכאנית של הפלדה Tubing כפתרון שלשיטה רותחת

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

יש הליך ניסיוני דיווח על שני מרכיבים עיקריים שהם קריטיים: בלונים מורכבים המדמים ששיטה ומתקן ההרחבה המשמש לביצוע מניפולציה מכאנית של המלט.

ששיטת השער העיקרי לייצור של נוזלים מתחת לפני הקרקע (מים, נפט, גז, או קיטור) וכן הזרקה של נוזלים שונים. ללא קשר לתפקידו, נדרש בור הקידוח על מנת לספק זרימה מבוקרת של נוזלים המופקים / הזריקו. יש בניית בור קידוח שתי פעולות נפרדות: קידוח והשלמה. מלט בור קידוח, חלק מהליך הגמר, בעיקר מספק בידוד אֵזוֹרִי, תמיכה מכאנית של צינור המתכת (מעטפת), והגנה על רכיבי מתכת מנוזלי מאכל. אלה הם מרכיבים חיוניים של ששיטה ללא פשרות, לתפקוד מלא. שלמות נדן מלט בור הקידוח היא פונקציה של התכונות כימיות ופיסיות של מלט התייבשות, הגיאומטריה של גased גם, ואת המאפיינים של ההיווצרות / המבנה מסביב נוזלי ^2,3. ההסרה חלקית של קידוח נוזלים תגרום לבידוד אֵזוֹרִי העני שכן הוא מונע היווצרות של קשרים חזקים בממשקים עם רוק ו / או מתכת. יכולים להיות נתונה נדני מלט לסוגים רבים של כישלון בחייו של באר. תנודות בלחץ והטמפרטורה שנגרמו על ידי פעולות השלמה והפקה לתרום לפיתוח של שברים בתוך המטריצה ​​של המלט; debonding נגרמת על ידי לחץ ו / או שינויי טמפרטורה ולחות ^4,5,6 הצטמקות מלט. התוצאה היא כמעט תמיד נוכחות של זרימת נוזל microannular, למרות התרחשותו ניתן לאתר מוקדם או לאחר שנים של חיי שירות.

Heathman ובק (2006) יצרו מודל של המעטפת ביצרו נתון מעל 100 עומסים מחזוריים לחץ וטמפרטורה, אשר הראו debonding הגלוי, ייזום של סדקי בטון שיכול להוות מסלולים מועדפים להעברת נוזל ^{7. בתחום, ההתרחבות וההתכווצות של רכיבי מתכת של בור קידוח לא יעלו בקנה אחד עם אלה של מלט ורוק, גורמים debonding והיווצרות microannulus interfacial, שהובילו לעלייה בחדירות של נדן המלט. טעינת מעטפת נוספת יכולה לגרום להתפשטות של סדקים רדיאליים במטריצה ​​של מלט פעם מאמצי המתיחה יעלו חוזק המתיחה של החומר 8. כל כישלונות המלט האמורים עלולים לגרום למייקרו-תקשור, מה שמוביל להגירה גז, את המופע של SCP, וסיכונים סביבתיים לטווח ארוך.}

מספר רב של בארות הפקה ונטושות עם SCP מהווה מקור פוטנציאלי חדש של פליטת גז טבעי רציף ^9. הניתוח שנערך על ידי ווטסון וBachu (2009) של 315,000 נפט, גז, ובארות הזרקה באלברטה, קנדה הראתה גם כי סטיית בור קידוח, גם סוג, שיטת נטישה, והאיכות של מלט הם גורמי מפתח במשותףntributing לדליפה גם פוטנציאל בחלק הרדוד של הבאר ^10. הפעולות מתקנים הקיימות הן יקרות ולא מוצלחות; המלט לסחוט, אחת טכניקות מתקנת הנפוצות ביותר, יש שיעור הצלחה של 50% ^-11.

במאמר זה אנו מדווחים על ההערכה להרחבה מעטפת הטכנולוגיה (ECT) כטכניקת תיקון חדשה שלשיטה דולפת ^12,13. ניתן ליישם ECT בבארות חדשות או קיימים ^14. ההתקנה המסחרית הראשונה של טכנולוגיה זו בוצעה על ידי שברון על גם במים הרדודים של המפרץ מקסיקו בנובמבר 1999 ^15. מעטפת התפעול השוטפת לtubulars הרחבה מתמצתת עד 205 מעלות צלזיוס נטייה של מהמצב אנכי, טמפרטורה 100 מעלות, משקל בוץ כדי 2.37 גרם / סנטימטר ^3, לעומק של 8763 מ 'בלחץ, ההידרוסטטי של 160.6 GPA ואורך צינור 2,092 מ' ^16. קצב התפשטות טיפוסי לtubulars הרחבה המוצק הואpproximately 2.4 מ '/ דקת ^17.

מחקר זה מציע גישה ייחודית להתאמה של טכנולוגית ECT כמבצע תיקון חדש לSCP. הרחבת צינור הפלדה דוחסת את המלט אשר יביא סגירת זרימת הגז בממשק ולאטום את דליפת הגז. חשוב להזכיר כי במוקד של מחקר זה הוא האיטום של זרימת גז microannular הקיימת, ולכן אנחנו מתמקדים רק בזה כסיבה אפשרית שלשיטה דולפת. על מנת לבחון את היעילות של טכנולוגיה מותאמת חדש למטרה זו, עיצבנו מודל בור קידוח עם זרימת microannular הקיימת. זה מתקבל על ידי החלפת הצינור הפנימי במהלך הידרציה מלט. אין בכך כדי לדמות כל פעולות שטח, אלא פשוט כדי להריץ קדימה מה יקרה אחרי עשרות שנים של טעינה תרמית ולחץ בבור קידוח.

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

Protocol

1. לדוגמא Composite (איור 1)

הערה: רוב מקומות עבודה המלט במפרץ מקסיקו (ארה"ב) נעשים באמצעות מלט הכיתה H ^18, לכן, אותו הסוג של בטון המשמשים לביצוע הניסויים במעבדה כדי לדמות תנאים כמו שדה-, התחולה הפוטנציאלית של טכנולוגיה זו לSCP תיקון במפרץ מקסיקו.

1. לדוגמא הכנה
   הערה: המדגם הארוך 61 סנטימטר מורכב מצינורות שתי כיתה ב 'חשמלי התנגד מרותכים (ERW) פלדת פחמן (איור 1). הצינור הפנימי ארוך 61 סנטימטר ויש לו 6 סנטימטר מחוץ הקוטר (OD) עם עובי דופן 2.8 מ"מ. הצינור החיצוני הוא ארוך 59.7 סנטימטר, יש 10 OD סנטימטר ועובי דופן של 5.7 מ"מ. כוח התשואה וחוזק מתיחה של הצינורות 241 מגפ"ס ו414 מגפ"ס, בהתאמה.
   1. לקדוח 12 חורים של 2.4 מ"מ בצינור החיצוני כדי לספק ההקלה של לחץ במהלך ההתרחבות נקבוביות חקיין של סלעים בתנאי שדה. תרגיל שמונה חורים 8.6 מ"מ הבא על הדואר צינור חיצוני, 90 מלבד מעלות עם ארבעה חורים 13 סנטימטרים מהחלק העליון וארבעה חורים 53 סנטימטר מהחלק העליון.
   2. השחל את החורים האלה עם 3.2 מ"מ NPT (אשכול צנרת הלאומי) קצה השחלה כדי לאפשר חיבור עם אבזרי צנרת והרכבת סעפת צינורות ניילון בתחתית (כניסה) והצד העליון (שקע) של המדגם. ודא שיציאות הכניסה ויציאה בנפרד 40.64 סנטימטר ומשמשות להפעלה של ניסויי זרימה דרך גז רב שיעור הרחבה לפני ואחרי.
   3. צינור חיצוני מעיל עם ספריי נגד קורוזיה למניעת קורוזיה במהלך תקופת הריפוי שיכול להפריע לניסויים עקב היווצרות של מוצרי הידרוקסיד וקורוזיה ברזל עלול לגרום microfracturing של מלט.
      הערה: תרחיש זה ייבחן בניסויים העתידיים כקורוזיה של מתכת היא לעתים קרובות במערכות בור קידוח.
   4. מכונת יצא חרוז הריתוך על הקיר הפנימי של הצינור הפנימי.
   5. חותך צימוד פלדה מותאמת אישית לאורך של 4.5 סנטימטר, מצינור OD 6.35 סנטימטר. Thread החתיכה על הקיר בתוך ולרתך אותו לטבעת 0.63 סנטימטר הפלדה עבה צלחת (איור 2). השחל את החלק התחתון של הצינור הפנימי בקיר החיצוני באורך של 4.5 סנטימטר כדי לאפשר חיבור עם הצימוד מרותך, כפי שמוצג באיור 2.
   6. לרתך את הצינור החיצוני לטבעת הפלדה.
   7. לשמן קיר החיצוני של הצינור הפנימי עם וזלין ותרסיס אפייה לכל אורכו. הברג את הצינור הפנימי לצימוד כדי לסיים את ההרכבה המדגם מורכבת.
   8. מלט הנפח בין צינורות הפנימיים וחיצוניים עם בוצת ³ מלט 1.57 גר '/ סנטימטר, 0.87 W / ג יחס.
   9. דגימות תרופה באמבט מים בתנאי הסביבה לתקופה מינימאלית של 28 ימים. שמור את ה- pH של המים באמבטיה בין 12 ל 13 על ידי הוספת Ca (OH) ₂ למים כדי לשמור על סביבת pH גבוהה.
2. הכנה של 13.1 ליברות / סלארי מלט גל (עבור נפח של 2.2 ל ')
   1. יוצקים 1,350 גרם של מים ל4 L, בלנדר 3.75 כוחות סוס מעבדה וטרום-מימה 30 גרם (2%, לפי משקל המלט) של בנטוניט במשך 5 דקות במהירות נמוכה (30,000 XG).
   2. , לאחר 5 דקות לשפוך 5 מיליליטר של סוכן קצף לכיבוי ו1,500 גרם של אבקת מלט לתוך הבלנדר והגזירה עבור 40 שניות על מהירות גבוהה של 51,755 x ז. יוצקים את תערובת הבטון לתוך annulus של ההרכבה הצינור ומכסה בניילון בד ופלסטיק רטוב כדי להימנע מחשיפה לאוויר ולמנוע סודה של מלט.
   3. שש שעות לאחר סלארי המלט הוא שפך בין הצינורות, לסובב את הצינור הפנימי הרבע סיבוב הלוך ושוב כל 15 דקות במשך 20 שעות הבאות של לחות מלט כדי למנוע הדבקת בטון עם הצינור הפנימי וליצור microchannel (חובה לmicroannular זרימת גז).
   4. מניחים את המדגם המורכב ביצרו אופקי באמבט המים במשך תקופה מינימאלית של 28 ימים. ודא שיש לו את האמבטיה במי ערך ה- pH של כ -13 אשר מושגת על ידי הוספה של Ca (OH) ₂ 100 גרמו ל -20 ליטר של מים.

2. ניסויי זרימה דרך קדם הרחבה

1. בורג 3.2 מ"מ אביזרים לארבע יציאות כניסה ויציאה בצינור החיצוני של המדגם. חבר סעפות כניסה ויציאה עם מתמרי לחץ לאביזרים (איור 5).
2. לחצי בלון גז ראשוני לחץ בכניסה של 50 kPa. הפעל תוכנות מחשב ללחצי שיא.
3. פתח את מד הזרימה ולהתחיל בבדיקת הזרימה דרך. צג כניסה ויציאה לחצים על מסך דקות 1, כפי שמוצג באיור 6.
4. לחצי בלון גז למפרצון לחץ של 172 kPa ולנטר את הלחץ לעוד 2 דקות.
5. זרימה דרך סוף ניסוי והקלטת לחץ. סגור את בלון הגז ולפרוק את הגז שנותר לאטמוספרה. לפרק את היריעות וכיסוי עליון של המדגם עם מטלית רטובה בזמן הפעלת יחידת ההרחבה, כדי למנוע דו-תחמוצת הפחמן וייבוש של מלט.
6. מעיל הקיר הפנימי של הצינור הפנימי עם lubricant לניהול תקין של חרוט ההרחבה והמדגם מוכן להרחבה.

התקנת 3. הרחבה ונוהל הרחבה

1. באופן מלא לשמור על mandrel ההרחבה מהדיור נמוך יותר על ידי הצילינדר ההידראולי, כפי שמוצג באיור 4 א. מניחים את המדגם המורכב עם מלט התייבשות בדיור המדגם הנמוך של המתקן דרך הפתח בחלק העליון (איור 4).
2. באופן מלא להאריך את mandrel ההתרחבות באמצעות המדגם לאחר שחרוט ההרחבה עם יחס הרחבה רצוי (איור 3) הוא חמק אליו, כפי שמוצג באיור 4C. הברג את mandrel השמירה על mandrel הרחבה, לאחר מכן להבריג את מדריך mandrel התמך על המחבר התחתון של הדיור נמוך יותר. המדגם מוכן להרחבה.
3. כוח היחידה ההידראולית ללחץ אופטימלי של 10.3 מגפ"ס, והפעל את תוכנת מחשב להקלטת כוח צירית.
4. הפעל את שיתוףntrol לעבור לחזור mandrel הרחבה ולמשוך את ההתרחבות באמצעות הצינור הפנימי של המדגם, ובכך להרחיב את הצינור ודחיסת נדן המלט. להרחיב דגימות לאורכו של 40.64 סנטימטר (4D איור) ולאחר מכן להאריך את mandrel ההתרחבות להמצב מקורי. לעצור את ההקלטה של ​​כוחות צירי.
5. להתיר את מדריך mandrel ייצוב והסיר את mandrel התמך. תוריד את הקונוס ההרחבה מmandrel הרחבה ולחזור בו מmandrel באופן מלא על מנת להסיר את המדגם בצורת הדיור נמוך יותר.
6. אחרי המדגם מוסר, להכין אותו לניסויי זרימה דרך גז רב שיעור שלאחר הרחבה.

ניסויי זרימה דרך Multi-שיעור 4. פוסט הרחבה

1. כניסה ויציאות יציאה נקיות מכל עודף של דבק מלט לחץ.
2. בורג אבזרי צנרת לארבע יציאות כניסה ויציאה בצינור החיצוני של המדגם. חבר סעפות כניסה ויציאה לאביזרים, כפי שמוצגת ב איור 5.
3. ללחוץ על בלון הגז ראשוני לחץ בכניסה של 172 kPa. הפעל תוכנות מחשב ללחצי שיא.
4. פתח את מד הזרימה ולהתחיל בבדיקת הזרימה דרך. צג כניסה ויציאה לחצים על המסך (איור 6).
5. לאחר 5 דקות, לחצים על בלון הגז למפרצון לחץ של 345 kPa ולנטר את הלחצים ל5 דקות נוספות.
6. לאחר 5 דקות להגדיל את הלחץ בכניסה ל517 kPa.
7. לאחר 5 דקות להגדיל את הלחץ בכניסה ללחץ בכניסה סופית של 690 kPa למשך 5 דקות נוספות.
8. בסופו של ניסוי הזרימה דרך הקלטת לחץ. סגור את בלון הגז ולפרוק את הגז שנותר לאטמוספרה. לפרק סעפות מהמדגם.

5. חישובים של החדירות האפקטיבית של Microannulus

הערה: מטרתו העיקרית של מחקר זה הייתה לספק מידע איכותי לגבי קיומה של זרימת גז לפני ואחרי הדוארxpansion. עיצוב ניסיוני אין לו רכיבים מתוחכמים כדי להיות מסוגל למדוד את רוחב הערוץ וזרימת דיוק שיעור. במהלך הניסויים הראשוניים הללו האיטום של זרימת גז היה המוקד העיקרי. לכן, כל חישובי חדירות המוצגים כאן הם יותר חצי כמותית ולא מטרה העיקרית של המחקר.

1. לחישוב של החדירות יעילות, להשתמש בזרימת חנקן קצב הקבוע של כ q = 1.42 סנטימטר ³ / sec על ייצוב לחץ. גורם סטיית גז חנקן בתנאי הסביבה הוא Z = 1 וצמיגות μ = 0.018 CP. לנהל את כל בדיקות הזרימה דרך בתנאי הסביבה של T = 535 ºR.
2. לחשב את השטח של החלל טבעתי ביצרו ידי לקיחת רדיוס פנימי של הצינור החיצוני, r _Oinn = 4.6 סנטימטר, ורדיוס חיצוני של הצינור הפנימי, r _Iout = 3.05 סנטימטר. המרחק בין כניסה ויציאות יציאה (ΔL) הוא 40.64 סנטימטר. ההפרש לחץ _(שקע -P _כניסת P), recorded על ידי כניסה ומתמר ללחץ לשקע, הוא רק משתנה המשמשים בחישובים של חדירות יעילות של microannulus-מיוצר מראש _(EF K) ^19:
   EQ. 1
   קצב זרימת חנקן ^[3 סנטימטר / sec] _EF K - - q סלסול יעיל. של microannulus [mD]
   r _Iout - ID של צינור חיצוני [סנטימטר] r _Oinn - OD של צינור פנימי [סנטימטר]
   μ - גורם סטיית גז - Z [CP] צמיגות גז
   T - טמפרטורותמחדש [ºR] ΔL - מרחק בין מתמרי לחץ [סנטימטר]
   _כניסת P - לחץ בכניסה [כספומט] _לשקע P - לחץ לשקע [כספומט]
3. להחליף את כל הערכים שמעל למשוואה 1 ולחשב את החדירות יעילות כמוצג להלן בדוגמא 1. הלחץ בכניסה שנרשמה במהלך ניסוי זרימה דרך קדם-הרחבה הייתה _כניסת P = 12 kPa (0.12 אטמוספרות) תוך מתמר הלחץ לשקע היה _שקע P = 0.4 kPa (0.004 אטמוספרות).
   דוגמא 1:

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

תוצאות

בדיקות זרימה דרך גז טרום הרחבה על המדגם המורכב הראו הקלטה לחץ על מתמר הלחץ לשקע, המאשרת זרימת גז דרך microannulus-מיוצר מראש (איורים 7 ו -8). תנאים ראשוניים נשמרו באותו שבו לחץ בכניסה ראשונית היה 103 kPa וגז קצב הזרימה נשמר ב 85 מיליליטר / דקה לאותה תקופה. פער הזמן...

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