Espansione meccanica dei tubi d'acciaio come una soluzione per i pozzi che perde

Riepilogo

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.

Introduzione

La procedura sperimentale riportato ha due componenti principali che sono critici: cilindri compositi che simulano i pozzi e l'apparecchio di espansione che viene utilizzato per effettuare la manipolazione meccanica del cemento.

I pozzi sono la porta principale per la produzione di fluidi del sottosuolo (acqua, olio, gas o vapore) e iniezione di fluidi diversi. Indipendentemente dalla sua funzione, il pozzo è tenuto a fornire un flusso controllato di / fluidi iniettati prodotte. Costruzione del pozzo ha due operazioni distinte: la perforazione e il completamento. Cemento pozzo, parte della procedura completamenti, fornisce principalmente l'isolamento zonale, supporto meccanico del tubo metallico (involucro), e la protezione dei componenti metallici da fluidi corrosivi. Questi sono gli elementi essenziali di compromessi, i pozzi pienamente funzionanti. L'integrità della guaina cemento pozzo è funzione delle proprietà chimiche e fisiche del cemento idratato, la geometria della cASED bene, e le proprietà del circostante formazione / formazione Fluidi ^2,3. Rimozione incompleta del fluido di perforazione si provocherebbe un calo isolamento zonale in quanto impedisce la formazione di legami forti a interfacce con rock e / o metallo. Guaine cemento possono essere sottoposti a molti tipi di guasto durante la vita di un pozzo. Pressione e temperatura oscillazioni causate dalle operazioni di completamento e di produzione contribuiscono allo sviluppo di fratture all'interno della matrice cementizia; debonding è causato dalla pressione e / o variazioni di temperatura e di idratazione ritiro ^4,5,6. Il risultato è quasi sempre la presenza di flusso di fluido microannular, anche se la sua presenza può essere rilevata presto o dopo anni di vita di servizio.

Heathman e Beck (2006) hanno creato un modello di telaio cementato sottoposto a più di 100 carichi ciclici di pressione e temperatura, che hanno mostrato debonding visibile, iniziazione di crepe cementizi in grado di rappresentare i percorsi preferenziali per la migrazione del fluido ^{7. Nel campo, l'espansione e la contrazione di componenti metallici di pozzo non coincidere con quelli di cemento e rocce, provocando debonding interfacciale e la formazione di un microannulus, portando ad un aumento della permeabilità della guaina di cemento. Un ulteriore involucro di carico può provocare la propagazione di cricche radiali nella matrice cementizia volta le tensioni di trazione superano la resistenza a trazione del materiale 8. Tutti i fallimenti cemento suddetti possono causare micro-canalizzazione che porta alla migrazione di gas, il verificarsi di SCP, e rischi ambientali a lungo termine.}

Un numero considerevole di produzione e abbandonati pozzetti con SCP rappresentano una potenziale nuova fonte di emissioni di gas naturale continua ^9. L'analisi condotta da Watson e Bachu (2009) di 315.000 petrolio, gas, e pozzi di iniezione in Alberta, Canada ha anche mostrato che la deviazione del pozzo, e tipo, metodo di abbandono, e la qualità del cemento sono fattori chiave contributing a potenziali perdite bene nella parte meno profonda del pozzo ^10. Le operazioni di recupero esistenti sono costosi e senza successo; la cementazione compressione, una delle tecniche di riparazione più comunemente utilizzati, ha un tasso di successo di appena il 50% ^11.

In questo articolo riportiamo sulla valutazione della Cassa tecnologia espandibile (ECT) come nuova tecnica di bonifica per i pozzi che perde ^12,13. ECT può essere applicato in nuove o esistenti pozzi ^14. La prima installazione commerciale di questa tecnologia è stata effettuata da Chevron in un pozzo nelle acque del Golfo del Messico poco profonde nel novembre 1999 ^15. La busta di funzionamento corrente dei tubolari espandibili incapsula una inclinazione di 100 ° rispetto alla verticale, temperatura fino a 205 ° C, Peso fango a 2,37 g / cm ^3, una profondità di 8.763 m, pressione idrostatica di 160,6 GPa e una lunghezza tubolare 2.092 m ^16. Un tasso di espansione tipica per tubolari espandibili solido è unpproximately 2,4 m / min ^17.

Questo studio offre un approccio unico per l'adattamento della tecnologia ECT come una nuova operazione di bonifica per SCP. L'espansione del tubo in acciaio comprime il cemento che comporterebbe la chiusura del flusso del gas all'interfaccia e sigillare la perdita di gas. E 'importante ricordare che l'obiettivo di questo studio è la tenuta di un flusso di gas microannular esistente, quindi ci siamo concentrati solo su quello come possibile causa di i pozzi che perde. Al fine di testare l'efficacia della tecnologia recentemente adattato per questo scopo, abbiamo progettato un modello di pozzo con un flusso microannular esistente. Ciò è ottenuto ruotando il tubo interno durante idratazione del cemento. Non si tratta di simulare tutte le operazioni sul campo, ma semplicemente far avanzare rapidamente quello che sarebbe successo dopo decenni di carico termico e di pressione in un pozzo.

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Protocollo

1. campione composito (Figura 1)

NOTA: La maggior parte dei posti di lavoro di cemento nel Golfo del Messico (USA) sono fatte con Classe H cemento ^18, quindi, lo stesso tipo di cemento è stato utilizzato per eseguire gli esperimenti di laboratorio per simulare le condizioni sul campo, come la potenziale applicabilità di questa tecnologia per SCP bonifica nel Golfo del Messico.

1. Preparazione del campione
   NOTA: Il campione di circa 61 cm è costituito da due di grado B elettricamente resistito tubi saldati (ERW) in acciaio al carbonio (Figura 1). Il tubo interno è di circa 61 cm ed ha un 6 cm all'esterno diametro (OD) con spessore 2,8 millimetri. Il tubo esterno è lungo 59,7 centimetri, ha 10 centimetri diametro e uno spessore di 5,7 mm. Snervamento e la resistenza alla trazione dei tubi sono 241 MPa e 414 MPa rispettivamente.
   1. Perforare 12 fori per 2,4 mm tubo esterno per fornire il sollievo della pressione durante l'espansione e porosità mimica di rocce in condizioni di campo. Praticare otto fori 8,6 millimetri prossimi su The tubo esterno, 90 ° con quattro fori 13 cm dal bordo superiore e quattro fori 53 centimetri dalla cima.
   2. Far passare questi fori spessore 3,2 mm, NPT (National Pipe Thread) punta filettatura per consentire la connessione con raccordi e tubi di nylon gruppo collettore sul fondo (ingresso) e superiore (uscita) lato del campione. Accertarsi che le porte di ingresso e uscita sono 40,64 centimetri a parte e sono utilizzati per l'esecuzione di esperimenti di flusso continuo di gas multi-rate pre- e post-espansione.
   3. Cappotto tubo esterno con anti-spray per prevenire la corrosione durante il periodo di maturazione che potrebbe interferire con gli esperimenti a causa della formazione di idrossido di ferro e prodotti di corrosione potrebbe causare microfratture del cemento.
      NOTA: Questo scenario sarà testato nei futuri esperimenti come corrosione del metallo è spesso presente nei sistemi di pozzo.
   4. Macchina il cordone di saldatura sulla parete interna del tubo interno.
   5. Tagliare di aggancio in acciaio su misura per una lunghezza di 4,5 cm da 6,35 centimetri di dimensioni esterne. Thread il pezzo sulla parete interna e saldare al 0,63 centimetri anello piastra di acciaio di spessore (Figura 2). Infilare la parte inferiore del tubo interno sulla parete esterna di lunghezza di 4,5 cm per consentire il collegamento con il giunto saldato, come illustrato nella figura 2.
   6. Saldare il tubo esterno per l'anello di placca in acciaio.
   7. Lubrificare parete esterna del tubo interno di vaselina e bicarbonato di spruzzo tutta la sua lunghezza. Avvitare il tubo interno nel giunto per completare il gruppo campione composito.
   8. Cemento volume tra i tubi interni ed esterni con 1,57 g / cm ³ boiacca cementizia, 0,87 w / c rapporto.
   9. Campioni Cure in un bagno d'acqua in condizioni ambiente per un periodo minimo di 28 giorni. Mantenere il pH del bagno di acqua tra 12 e 13 con l'aggiunta di Ca (OH) ₂ per l'acqua per mantenere alta ambiente pH.
2. Preparazione del 13,1 lb / gal boiacca cementizia (per il volume di 2,2 L)
   1. Versare 1,350 g di acqua nel4 L, 3,75 cavalli frullatore da laboratorio e pre-idrato di 30 g (2% sul peso del cemento) di bentonite per 5 min a bassa velocità (30.000 xg).
   2. Dopo 5 minuti, versare 5 ml di agente antischiuma e 1.500 g di polvere di cemento nel frullatore e di taglio per 40 sec a velocità di 51.755 x g. Versare l'impasto di cemento in l'anello del gruppo tubo e coprire con un panno e plastica avvolgere bagnato per evitare l'esposizione all'aria ed evitare la carbonatazione del cemento.
   3. Sei ore dopo la sospensione di cemento viene versato tra i tubi, ruotare il tubo interno di un quarto di giro avanti e indietro ogni 15 minuti per la prossima 20 ore di idratazione del cemento per evitare cemento legame con il tubo interno e creare un microcanali (necessaria per microannular flusso di gas).
   4. Mettere il campione composito cementato orizzontalmente nel bagno d'acqua per un periodo minimo di 28 giorni. Assicurarsi che il bagno di acqua ha un pH di circa 13 che è ottenuto aggiungendo 100 g di Ca (OH) ₂ in 20 L di acqua.

2. Pre-espansione Esperimenti flusso attraverso

1. Vite 3,2 millimetri raccordi in quattro porte di entrata e di uscita sul tubo esterno del campione. Collegare collettori di ingresso e di uscita con trasduttori di pressione ai raccordi (Figura 5).
2. In pressione bombola del gas iniziale pressione di ingresso di 50 kPa. Accendere il software per computer per registrare le pressioni.
3. Aprire il flussimetro e iniziare la prova a flusso continuo. Monitorare aspirazione e mandata pressioni sullo schermo per 1 min, come mostrato in figura 6.
4. In pressione bombola del gas a pressione di alimentazione di 172 kPa e monitorare la pressione per altri 2 min.
5. Flusso continuo End esperimento e la registrazione della pressione. Chiudere la bombola del gas e sfiatare il gas rimanente in atmosfera. Smontare i collettori e il coperchio superiore del campione con un panno umido mentre si accende l'unità di espansione, per evitare la carbonatazione e l'essiccazione di cemento.
6. Rivestire la parete interna del tubo interno con lubricant per il buon funzionamento del cono di espansione e il campione è pronto per l'espansione.

Setup 3. Espansione e procedura di espansione

1. Mantenere completamente il mandrino di espansione dal alloggiamento inferiore del cilindro idraulico, come mostrato nella Figura 4a. Posizionare il campione composito con cemento idratato nell'alloggiamento del campione inferiore del dispositivo attraverso l'apertura nella parte superiore (Figura 4b).
2. Allungare completamente il mandrino ad espansione attraverso il campione, dopo di che il cono di espansione con rapporto di espansione desiderato (Figura 3) viene fatto scivolare su di essa, come mostrato in figura 4c. Avvitare il mandrino di ritegno sulla espansione mandrino, quindi avvitare il mandrino guida ritegno sul connettore inferiore dell'involucro inferiore. Il campione è pronto per l'espansione.
3. Alimentare l'unità idraulica ad una pressione ottimale di 10,3 MPa, e accendere il software per la registrazione forza assiale.
4. Attivare il control passare retrarre il mandrino ad espansione e tirare l'espansione attraverso il tubo interno del campione, ampliando così il tubo e comprimendo la guaina di cemento. Expand campioni della lunghezza di 40,64 centimetri (Figura 4D) e poi allungare il mandrino di espansione nella posizione originaria. Interrompere la registrazione di forze assiali.
5. Svitare il mandrino guida di fissaggio e rimuovere il mandrino di fissaggio. Rimuovere il cono di espansione dal mandrino espansione e ritrarre completamente il mandrino in modo da rimuovere il campione formare l'alloggiamento inferiore.
6. Dopo che il campione è stato rimosso, prepararla per la post-espansione multi-rate esperimenti di gas a flusso continuo.

4. Post-espansione multi-rate Esperimenti flusso attraverso

1. Ingresso e di uscita porti puliti da qualsiasi eccesso di pasta di cemento compresso.
2. Vite raccordi in quattro porte di entrata e di uscita sul tubo esterno del campione. Collegare ingresso e uscita collettori ai raccordi, come mostrato in Figura 5.
3. Pressione della bombola del gas iniziale pressione di ingresso di 172 kPa. Accendere il software per computer per registrare le pressioni.
4. Aprire il flussimetro e iniziare la prova a flusso continuo. Monitorare aspirazione e mandata pressioni sullo schermo (figura 6).
5. Dopo 5 minuti, pressurizzare la bombola del gas per pressione di alimentazione di 345 kPa e monitorare le pressioni per altri 5 min.
6. Dopo 5 min aumentare la pressione di ingresso a 517 kPa.
7. Dopo 5 min aumentare la pressione di entrata di pressione di ingresso finale di 690 kPa per altri 5 minuti.
8. Terminare l'esperimento flusso continuo e la registrazione della pressione. Chiudere la bombola del gas e sfiatare il gas rimanente in atmosfera. Smontare collettori dal campione.

5. I calcoli della permeabilità effettiva dei Microannulus

NOTA: Lo scopo principale di questo studio è stato quello di fornire informazioni qualitative riguardo all'esistenza di flusso di gas prima e dopo eXpansion. Il disegno sperimentale non possiede componenti sofisticati per poter misurare la larghezza del canale di flusso e precisione della portata. Nel corso di questi esperimenti preliminari di tenuta del flusso di gas è stato l'obiettivo principale. Pertanto, qualsiasi calcoli permeabilità mostrate qui più semiquantitativa e non obiettivo principale dello studio.

1. Per il calcolo della permeabilità effettiva, il tasso di flusso di azoto costante di circa q 1,42 cm ³ / sec sulla stabilizzazione della pressione. Il fattore di deviazione dei fumi per l'azoto in condizioni ambiente è Z = 1 e la viscosità μ = 0.018 cP. Eseguire tutti i test a flusso continuo alle condizioni ambientali di T = 535 ºR.
2. Calcolare l'area dello spazio anulare cementato prendendo raggio interno del tubo esterno, r _Oinn = 4,6 centimetri e raggio esterno del tubo interno, r _Iout = 3,05 centimetri. La distanza tra le porte di ingresso e uscita (d L) è 40,64 centimetri. Differenza di pressione (P -P _{presa di ingresso),} recorded da ingresso e trasduttori di pressione di uscita, è l'unica variabile usata nei calcoli di effettiva permeabilità della microannulus prefabbricato (K _ef) ^19:
   Eq. 1
   velocità di flusso di azoto [cm ³ / s] K _ef - - q perm efficace. di microannulus [MD]
   r _Ia - ID del tubo esterno [cm] r _Oinn - diametro esterno del tubo interno [cm]
   μ - viscosità del gas [cP] Z - fattore di deviazione dei fumi
   T - temperare [ºR] d L - distanza tra i trasduttori di pressione [cm]
   P _ingresso - pressione di ingresso [atm] P _outlet - pressione in uscita [atm]
3. Sostituire tutti i valori sopra nell'equazione 1 e calcolare la permeabilità efficacia qui mostrata nell'esempio 1. La pressione di ingresso registrata durante l'esperimento flusso continuo di pre-espansione era _entrata P = 12 kPa (0,12 atm) mentre il trasduttore di pressione di uscita era P _uscita = 0,4 kPa (0,004 atm).
   Esempio 1:

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Risultati

Test di gas a flusso continuo pre-espansione a campione composito mostrato registrazione pressione sul trasduttore di pressione a valle, confermando flusso di gas attraverso la microannulus prefabbricato (figure 7 e 8). Condizioni iniziali sono stati mantenuti gli stessi dove pressione di ingresso iniziale era 103 kPa e la portata del gas è stata mantenuta a 85 ml / min per quel periodo. Il ritardo nella registrazione di pressione tra i trasduttori di pressione primaria e secondaria er...

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Discussione

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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Materiali

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