Çatlak kuyularda Çözümüne olarak Çelik Boru Mekanik Genişleme

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

Kuyularda ve çimentonun mekanik manipülasyon yürütmek için kullanılan genleşme fikstür simüle kompozit tüpler: bildirdi deneysel prosedür kritik iki ana bileşeni vardır.

Kuyuda yer altı sıvılar (su, petrol, gaz veya buhar) üretiminin yanı sıra çeşitli sıvıların püskürtülmesi için ana geçit bulunmaktadır. Ne olursa olsun, fonksiyonu, kuyu deliği üretilen / enjekte sıvıların kontrollü akışını sağlamak için gereklidir. Sondaj ve tamamlama: kuyu yapımı, iki ayrı operasyonları vardır. Kuyu deliği çimento, tamamlamaları prosedürünün bir parçası, temel olarak bölgesel izolasyon, metal boru (kılıf) mekanik destek ve aşındırıcı akışkanlar metal bileşenleri koruma sağlar. Bu ödün, tam işleyen bir kuyuda temel unsurlarıdır. Kuyu deliği çimento kılıfın bütünlüğü hidratlanmış çimento kimyasal ve fiziksel özelliklerinin bir fonksiyonu, c geometrisiiyi ased ve çevreleyen bir oluşum / oluşumun özelliklerini ^2,3 sıvıları. Bu kaya ve / veya metal arayüzlerde kuvvetli bağların oluşumunu engellediği için sondaj sıvısının tam olmayan şekilde ayrılması kötü bölgesel izolasyon neden olur. Çimento kılıflar bir kuyunun ömrü boyunca yetmezliği birçok türde tabi tutulabilir. Tamamlama ve üretim işlemleri neden olduğu basınç ve sıcaklık salınımları çimento matrisi içinde kırıklarının gelişimine katkıda; burada bağ açıcı basınç ve / veya sıcaklık değişimleri ve çimento hidratasyon büzülme ^4,5,6 neden olur. Oluşması erken ya da hizmet ömrü yıl sonra saptanabilir sonucu, hemen hemen her zaman microannular sıvı akış varlığıdır.

Heathman ve (2006) Beck <, görünür ayrılmaya gösterdi sıvıyı göç için tercihli yollar yaratabilecek çimento çatlak başlaması 100'ün üzerinde basınç ve sıcaklık döngüsel yüklere maruz çimentolu kasanın bir model oluşturdusup> 7. Alanında, genleşme ve bir sondaj kuyusu metal bileşenlerin kasılması çimento kılıfın geçirgenlikte bir artışa yol açan, ara yüzey kimyasal bağdan çıkarma ve microannulus oluşumuna neden, çimento ve kaya ile çakışmamaktadır olacaktır. Çekme gerilmeleri malzemenin ⁸ gerilme mukavemetini aşan bir kez bir ek kaplama yükleme çimento taşı matrisindeki radyal çatlaklarının yayılmasının neden olabilir. Yukarıda belirtilen çimento başarısızlıklarının tüm gaz göç, SCP ortaya çıkması ve uzun vadeli çevresel risklere neden mikro-kanalize, neden olabilir.

SCP ile üreten ve terk edilmiş kuyuların önemli bir kısmı sürekli doğal gaz emisyonu ⁹ potansiyel yeni bir kaynak oluşturmaktadır. Watson ve 315.000 petrol, gaz, ve Alberta enjeksiyon kuyuları Bachu (2009) tarafından yapılan analizler, Kanada da kuyuiçi sapma, kuyu tipi, terk yöntem ve çimento kalitesi önemli faktörler işbirliği olduğunu gösterdiKuyunun ¹⁰ sığ bölümünde potansiyeli iyi sızıntı ntributing. Mevcut düzeltici operasyonlar pahalı ve başarısız; sıkmak çimentolama, en sık kullanılan iyileştirici tekniklerden biri, sadece 50% ¹¹ başarı oranına sahiptir.

Bu yazıda sızdıran kuyuda ^12,13 için yeni bir iyileştirme tekniği olarak Genişletilebilir Gövde Teknolojisi (EKT) değerlendirilmesi hakkında rapor. ECT yeni veya mevcut kuyuların ¹⁴ uygulanabilir. Bu teknolojinin ilk ticari kurulum Kasım 1999 ¹⁵ Meksika Körfezi'nin sığ sularda bir kuyu üzerinde Chevron tarafından gerçekleştirildi. Genişletilebilir boruları için mevcut işletim zarf 205 ° C kadar dikey, sıcaklığı 100 ° 'lik bir eğim kapsüller, 2.37 g / ^cm3, 8.763 m, 160.6 GPa hidrostatik basınç ve boru şeklinde bir uzunluğu 2092 m, ¹⁶ derinliğe kadar çamur ağırlığı. Katı genişletilebilir boruları için tipik bir genişleme oranı birpproximately 2.4 m / ¹⁷ dak.

Bu çalışma SCP için yeni bir iyileştirme operasyonu olarak EKT teknolojinin adaptasyonu için benzersiz bir yaklaşım sunuyor. Çelik borunun genişletilmesi ara yüzeyde gaz akışının kapatılmasına neden ve gaz kaçak sızdırmaz olur çimento sıkıştırır. Bu nedenle biz sadece sızdıran kuyuda olası bir nedeni olarak bunun üzerinde duruldu, bu çalışmanın odak noktası mevcut microannular gaz akışının sızdırmazlık olduğunu belirtmek önemlidir. Bu amaç için yeni adapte teknolojinin etkinliğini test etmek için, var olan bir microannular akışına sahip bir kuyu deliği modeli oluşturulmuştur. Bu çimento hidratasyon sırasında iç boru döndürülerek elde edilir. Bu bir sondaj kuyusu termal ve basınç yüklenmesi yıl sonra ne olacağını ileri sarmak için sadece herhangi bir saha operasyonları simüle, ama değil.

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

Protokol

1. Kompozit Numune (Şekil 1)

NOT: Sınıf H çimento ¹⁸ kullanılarak yapılır Meksika Körfezi (ABD) En çimento işleri, bu nedenle, çimento aynı tip alan benzeri koşullar, SCP için bu teknolojinin potansiyel uygulanabilirliğini simüle etmek için laboratuvar deneyleri gerçekleştirmek için kullanılan Meksika Körfezi'nde iyileştirme.

1. Örnek hazırlanması
   NOT: 61 cm uzunluğunda numune iki dereceli B elektrik kaynaklı direndi (ERW) karbon çelik boru (Şekil 1) oluşur. Iç boru 61 cm uzunluğunda ve 2.8 mm duvar kalınlığı ile çapı (OD) dışında 6 cm. Dış boru, 59.7 cm uzunluğunda, 10 cm OD ve 5.7 mm kadar bir çeper kalınlığına sahiptir. Sünme mukavemeti ve boru çekme mukavemeti, sırasıyla, 241 Mpa ve 414 MPa bulunmaktadır.
   1. Tarla koşullarında genişleme ve kayaların mimik gözeneklilik sırasında basınç rahatlama sağlamak için dış boru üzerine 2.4 mm 12 delik delin. Th sonraki matkap sekiz 8,6 mm delike boru dış, dört delik üstten 13 cm ve dört delik üstten 53 cm arayla 90 °.
   2. Numunenin alt (giriş) ve üst (çıkış) tarafındaki boru bağlantı parçaları ve naylon tüp manifoldu montaj ile bağlantısını sağlamak için 3.2 mm NPT (Ulusal Boru Konu) parçacığı ucu ile bu delikler geçirin. Giriş ve çıkış portları 40,64 cm arayla öncesi ve sonrası genişleme çok hızlı gaz akış yoluyla deneyler çalıştırmak için kullanılan emin olun.
   3. Korozyon önleyici sprey ile kaplayın boru dış çimento microfracturing neden olabilir, demir hidroksit ve aşınma ürünlerinin oluşumuna bağlı olarak deney müdahale eden kür süresi boyunca korozyonu önlemek için.
      NOT: metal korozyon çoğunlukla kuyu deliği eden sistemler içinde mevcut olduğu gibi bu senaryo gelecek deneylerde test edilecektir.
   4. İç borunun iç duvarı üzerinde bir kaynak kordonu üzerinden makine.
   5. 6,35 cm OD boru, 4.5 cm uzunluğunda ısmarlama çelik bağlanmasına engel. Tiç duvarında bulunan parça hread ve 0.63 cm kalınlığında bir çelik levha bir halka (Şekil 2), kaynak. Şekil 2'de gösterildiği gibi, kaynaklı bağlama ile bir bağlantı sağlamak için, 4.5 cm uzunluğunda bir dış duvar, iç borunun alt kısmını geçirin.
   6. Çelik levha halkasına dış boru kaynak.
   7. Onun bütün uzunluğu boyunca petrol jölesi ve pişirme spreyi ile, iç borunun dış duvar yağlanması. Kompozit örnek düzeneğini bitirmek için bağlantının içine iç boru vida.
   8. Oranı C / W, 1.57 g / ^cm3 çimento bulamacı ile 0,87 iç ve dış borular arasındaki hacmi Çimento.
   9. 28 günlük minimum bir süre için çevre koşullarında bir su banyosu içinde Tedavi örnekleri. Yüksek bir pH ortamı sağlamak için suya Ca (OH) ₂ ilave edilerek 12 ve 13 arasında, su banyosunun pH tutun.
2. 13,1 £ / gal çimento bulamacının hazırlanması (2.2 L hacim)
   1. Içine su 1,350 gr dökün4L, 3.75 beygir gücü laboratuar blenderi ve düşük hızda (30,000 xg) üzerinde 5 dakika boyunca bentonit ön-hidrat, 30 g (çimentonun ağırlık ile% 2).
   2. 5 dakika sonra, köpük önleyici madde 5 ml ve 51.755 x g, yüksek hızda 40 sn için blender ve kesme içine çimento tozu 1.500 g dökün. Boru montaj annulusa içine çimento şerbeti dökün ve havaya maruz kalmasını önlemek ve çimento karbonatlanmasını önlemek için ıslak bir bez ve plastik wrap ile kaplayın.
   3. Çimento bulamacı borular arasında dökülür altı saat sonra, iç boru bir arka çeyrek dönüş ileri ve çimento hidratasyon sonraki 20 saat boyunca her 15 dakikada bir iç boru ile çimento bağlanmasını engellemek için bir mikrokanalı oluşturmak döndürmek (microannular için gereklidir gaz akışı).
   4. 28 günlük bir süre için asgari su banyosuna yatay olarak çimentolu karışım örneği yerleştirin. Su banyosu, su ve 20 L'lik bir Ca (OH) _2, 100 gr eklenerek elde edilir, yaklaşık 13 arasında bir pH değerine sahip olduğundan emin olun.

2. Ön-genleşme Flow-through Deneyler

1. Numunenin dış boru üzerine dört giriş ve çıkış delikleri içine 3.2 mm vida bağlantı elemanlarını. Parçaları basınç dönüştürücüler (Şekil 5) ile giriş ve çıkış manifoldlarını bağlayın.
2. 50 kPa giriş basıncını başlangıç ​​gaz silindiri basınçlayınız. Rekor baskılara bilgisayar yazılımı açın.
3. Akış ölçer açın ve akış testinde başlar. Giriş Monitör ve Şekil 6'da gösterildiği gibi, 1 dakika için ekran üzerinde baskı çıkış.
4. 172 kPa basınç girişine ve ek 2 dakika boyunca basıncın izlenmesi için gaz silindirini zorlar.
5. End-akış deneyi ve basınç kaydı. Gaz silindirini kapatın ve atmosfere kalan gazın boşaltılması. Manifoldları sökün ve karbonatlaşmanın ve çimento kurumasını önlemek için, genişletme birimini açarken ıslak bezle numunenin üst kapağı.
6. L iç boru Coat iç duvardüz genişletme konisi çalışan ve örnek için ubricant genişlemesi için hazırdır.

3. Genişleme Kurulum ve Genişletme Prosedürü

1. Tam Şekil 4a'da gösterildiği gibi, bir hidrolik silindir ile alt muhafazadan genişleme mandreli saklayın. En iyi (Şekil 4b) açıklıktan düzeninin alt örnek yuva içinde hidratlanmış çimento ile karışım örneği yerleştirin.
2. Tam Şekil 4c'de gösterildiği gibi, arzu edilen genleşme oranı (Şekil 3) ile genişletme konisi, bunun üzerine kaydırılmakta sonra numune boyunca genişleme mandreli tabakasından oluşur. Genişleme mandrel üzerine istinat Mandreli vida, sonra alt yuvasının alt konnektörüne üzerine istinat mandrel kılavuzu vida. Numune, genişleme için hazırdır.
3. 10.3 MPa optimum basınca hidrolik ünite güç ve eksenel kuvvet kayıt için bilgisayar yazılımı açın.
4. Co etkinleştiringenişleme mandreli geri ve böylece boru genişletilmesi ve çimento kılıf sıkıştırılması, örneğin, iç boru boyunca genişleme çekmek için geçiş ntrol. 40,64 cm (Şekil 4d) uzunluğuna örnekleri aç ve daha sonra başlangıç ​​konumuna geri genişleme mandreli tabakasından oluşur. Eksenel kuvvetlerin Kaydı durdur.
5. Tespit mandrel kılavuzunu sökün ve tutucu mandrel çıkarın. Genleştirme mandreli, genleşme konisi çıkar ve tam alt gövdesini oluşturan örnek çıkarmak için mandrel geri çekilir.
6. Numune çıkartıldıktan sonra, büyüme sonrası çoklu-hızlı gaz-akış deneyleri için hazırlayın.

4. Post-genleşme Çok oranı Flow-through Deneyler

1. Sıkılmış çimento hamurunun herhangi aşan temiz giriş ve çıkış portları.
2. Numunenin dış boru üzerine dört giriş ve çıkış delikleri içine boru bağlantı parçaları vidalayın. Gösterildiği gibi, bağlantı parçaları giriş ve çıkış manifoldlarını bağlayın Şekil 5.
3. 172 kPa giriş basıncını başlangıç ​​gaz silindiri Basınç. Rekor baskılara bilgisayar yazılımı açın.
4. Akış ölçer açın ve akış testinde başlar. Giriş Monitör ve ekranda (Şekil 6) üzerindeki baskıları çıkış.
5. 5 dakika sonra, 345 kPa basınç girişine ve 5 dakika boyunca basıncını kontrol etmek için gaz silindirini basınç.
6. 5 dakika sonra 517 kPa giriş basıncını yükseltebilir.
7. 5 dakika sonra, başka bir 5 dakika için 690 kPa nihai giriş basıncına giriş basıncını yükseltebilir.
8. Flow-through deneyi ve basınç Kaydı sonlandırmak. Gaz silindirini kapatın ve atmosfere kalan gazın boşaltılması. Örnekten manifoldlarını sökün.

Microannulus Yürürlük geçirgenliği 5. Hesaplamaları

NOT: Bu çalışmanın temel amacı önce ve e sonra gaz akışının varlığını ilişkin niteliksel bilgi vermek için olduXpansion. Deneysel tasarım, kanalın genişliğini ölçmek ve oranı doğru akımı edebilmek için karmaşık bileşenler sahip değildir. Gaz akışının sızdırmazlık bu ön deneyler sırasında ana odak noktası oldu. Bu nedenle, burada gösterilen geçirgenlik hesaplamaları daha fazla yarı-nicel ve çalışmanın değil ana hedefi vardır.

1. Etkin geçirgenliğinin hesaplanması için, yaklaşık q sabit azot akış hızı = basınç sabitleyici üzerine 1.42 cm ³ / sn kullanın. Çevre koşullarında azot gazı sapma faktörü Z = 1 ve viskozite μ = 0.018 cP'dir. T = 535 ºR ortam koşullarında, tüm-akış testleri yürütmek için.
2. Dış borunun iç çapındaki alarak çimentolu halka biçimli boşluğun alanı hesaplayın, _Oinn = 4.6 cm, ve iç borunun dış çapındaki r _Içıkış = 3.05 cm r. Giriş ve çıkış delikleri arasındaki mesafe (DL) 40.64 cm'dir. Basınç farkı (P _giriş -P _{çıkışı),} recGiriş ve çıkış basınç transdüseri ile orded, önceden üretilmiş microannulus (K _EF) ¹⁹ etkin geçirgenlik hesaplamalarında kullanılan tek değişkendir:
   Denk. 1
   q - azot akış hızı [cm ³ / sn] K _ef - Etkili perma. microannulus of [mD]
   r _Iout - dış boru [cm] r _Oinn ID - iç boru [cm] OD'si
   μ - gaz viskozitesi [cP'ye] Z - gaz sapma faktörü
   T - caklıktaYeniden [ºR] DL - Basınç dönüştürücüler arasındaki mesafe [cm]
   P _giriş - giriş basıncı [atm] P _çıkış - çıkış basıncı [atm]
3. Denklem 1 içine yukarıdaki değerlerin tümünün ikame ve Örnek 1 ön-genleşme-akış deney sırasında kaydedilen giriş basıncı aşağıda gösterildiği gibi, etkin geçirgenliğinin hesaplanması p _girişi = 12 kPa (0.12 atm) çıkış basınç dönüştürücü iken P _çıkış = 0.4 kPa (0.004 atm).
   Örnek 1:

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

Sonuçlar

Bileşik örnek ön-genleşme gaz-akış testleri (Şekil 7 ve 8), önceden imal edilmiş microannulus içinden gaz akışı teyit çıkış basınç transdüktörü basınç kayıt göstermiştir. İlk giriş basıncı 103 kPa ve gazı akış hızı, bu süre boyunca 85 ml / dakika tutuldu burada başlangıç ​​koşulları aynı tutuldu. Yüksek basınçlar 172 kPa giriş basıncını artırarak sonra kaydetti giriş ve çıkış basınç dönüştürücüler arasındaki basınç k...

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

Tartışmalar

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.

Malzemeler

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