Μέθοδοι πρόληψης αστοχιών στη τσιμέντωση γεωτρήσεων πετρελαίου

Abstract

Different Parameters such as: the geomorphology in a given basin, the environmental conditions, the applicable standards and the methods and the construction efficiency of an Oilwell can affect the integrity of the cementation throughout the life of the Oil Well. As cementing is one of of the most important stages of an Oilwell, best practices should be used during cement casting, to achieve proper rheological performance for adequate zonal isolation and resistance to changes due to the extreme pressure and temperature condition during the operation. Subsequent failures can lead to significant social, environmental and economic consequences.The aim of the present dissertation is to study methods for avoiding these failures and ensuring the cementing of Oilwells and the better understanding of the effects, related to the initial composition of the cement and the final properties of the hardened slurry, due to the use of additives and the different pressure temperature conditions in the Oilwell.Initially, the design logic of the special type of cement API 10A CLASS G is developed which is widely used and suitable for cementing operations at great depths with High Resistance to Sulphates capabilities. After the selection of proper raw materials (eg. low in alkali and low C3A content) and by using best production practices (drying, granulometry control and firing conditions) the produced clinker was grinded with dihydrate (CaSO4.2H2O) and studied according to the methods described in the standard API 10A. The performance of the Laboratory produced Cement (LAB) corresponds to the API 10A Class G HSR Oilwell Cement. The same tests were performed on another commercially available Class G HSR cement (COM), with different initial composition and a comparative study was performed based on API 10A and to investigate the hydration reactions of the two cements and their products.For the assessment of pumpability, thickening time is one of the key performance parameters as described by API 10A and 10B. To measure it, a Consistometer is used, where the slurry is continuously stirred in an autoclaved container, with simultaneous change of pressure and temperature conditions. When the mixture is no longer miscible, the thickening time is recorded. To regulate this parameter, slurries with different retarder concentrations were studied, by measuring thickening time under High Temperature/ High pressure Conditions. It was observed that with small changes in the content of the retarder, a significant increase in the thickening time was observed. After selecting the retarder concentration which corresponds to specific thickening time performance, the combined effect of constant concentrations of widely used additives (fluid loss regulators, dispersion and foaming regulators) was studied to investigate potential synergistic / antagonistic effects of the additives at the same HT/HP conditions. As it turns out the combined use of additives can have a significant effect on the final thickening time regardless of intended use of the additive, due to synergistic / competitive actions and there is need for experimental evaluation especially in mixtures with different additives and the HT/HP conditions can affect the hydration rate of the cement and the behavior of the additives in the slurry. As alternative to experimental evaluation a computational study of the thickening time was performed to investigate the correlation of the final properties (thickening time) of Oilwell cement with initial properties of dry cement, using machine learning techniques. For this study, a database was constructed from 230 oil well cements, which were collected by the industry (daily production results - daily averages of samples performed by the desired chemical analyzes, physical and mechanical measurements). The correlation between measurable properties of unhydrated cement and its final performance was achieved and It was confirmed that the physicochemical parameters can be used as a qualitative signature of each cement. During the first periods of cement hydration, High temperature conditions can lead to the development of cracks associated with chemical reactions or fluctuations in heat and humidity. For the better monitoring of the rate of hydration of the Oilwell Cements, test were performed on slurries consisted of laboratory produced Oil Well cement (LAB) and Phase Change Materials, i.e. Materials that go into a different phase -from solid to liquid, or vice versa- absorbing or releasing latent heat from / to the environment. The reduction of the temperature increase due to hydration of the Oilwell cement can be achieved by replacing part of the cement with additional cementitious materials that produce less heat. The use of different Phase Change Materials (PCMs) can lead to controlling the temperature rise of oil well cement due to their ability to store thermal energy. Melting point, fusion heat, density, thermal capacity, thermal conductivity, chemical compatibility and production cost are the main parameters for selecting the most suitable PCM. Tests were performed with curing of the specimens in two different curing conditions (ambient and partially in HT/HP conditions). With the use of this materials, the reduction of the maximum temperature and the control of the hydration rate was achieved, but with a significant effect on the properties of the hardened pulp, especially in HT/HP conditions.

Διαφορετικοί παράμετροι όπως : Η γεωμορφολογία σε μια δεδομένη λεκάνη, οι περιβαλλοντικές συνθήκες, τα πρότυπα και οι μέθοδοι που εφαρμόζονται και η αποτελεσματικότητα κατασκευής του πηγαδιού επηρεάζουν την ακεραιότητα της τσιμέντωσης των γεωτρήσεων καθ 'όλη τη διάρκεια ζωής του. Η τσιµέντωση γεωτρήσεων πετρελαίου αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα στάδια κατά το οποίο επιλέγονται βέλτιστες πρακτικές στις εργασίες τοποθέτησης τσιμέντου ώστε να επιτευχθεί κατάλληλη ρεολογική συμπεριφορά των ρευστοαιωρημάτων, επαρκής ζωνική θωράκιση και ανθεκτικότητα στις αλλαγές πιέσεων και θερμοκρασιών κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του. Ενδεχόμενες αστοχίες μπορούν να οδηγήσουν σε σημαντικές κοινωνικές, περιβαλλοντικές και οικονομικές συνέπειες. Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη μεθόδων αποφυγής αστοχιών και διασφάλισης της τσιμέντωσης των πηγαδιών και της επίδρασης της αρχικής σύστασης του τσιμέντου στις τελικές ιδιότητες του τσιμεντοπολφού λόγω χρήσης προσθέτων και επίδρασης διαφορετικών συνθηκών θερμοκρασίας πίεσης.Αρχικά αναπτύσσεται η λογική σχεδιασμού του ευρέως χρησιμοποιούμενου ειδικού τύπου τσιμέντου API 10A CLASS G Υψηλής Ανθεκτικότητας σε Θειικά (High Sulphate Resistant- HSR), κατάλληλου για τσιμεντώσεις γεωτρήσεων πετρελαίου σε μεγάλα βάθη. Με επιλογή κατάλληλων πρώτων υλών (πχ. χαμηλές συγκεντρώσεις σε αλκάλια και επίτευξη χαμηλού C3A) και χρήση κατάλληλων πρακτικών (ξήρανση, έλεγχος κοκκομετρίας και συνθηκών έψησης) το παραχθέν κλίνκερ συναλέστηκε με διυδρίτη (CaSO4.2H2O) και παρήχθη το εργαστηριακό τσιμέντο (LAB) στο οποίο πραγματοποιήθηκαν οι δοκιμές που προδιαγράφονται από το πρότυπο API 10A. Οι επιδόσεις του εργαστηριακού τσιμέντου (LAB) που επιτεύχθησαν ανταποκρίνονται σε τσιμέντο κλάσης G HSR. Οι ίδιες δοκιμές πραγματοποιήθηκαν και σε εμπορικά διαθέσιμο τσιμέντο κλάσης G HSR (COM), με διαφορετική αρχική σύσταση και πραγματοποιήθηκε συγκριτική μελέτη των επιδόσεων τους βάση API 10A, και διερευνήθηκαν οι αντιδράσεις ενυδάτωσης και τα προϊόντα τους. Για την εκτίμηση της αντλησιμότητας των ρευστοαιωρημάτων γεωτρήσεων πετρελαίου, ο χρόνος πάχυνσης είναι μια από τις βασικές επιδόσεις που παρακολουθούνται και περιγράφονται στο API 10B. Για την μέτρηση του, χρησιμοποιείται συσκευή μέτρησης συνεκτικότητας (Κονσιστόμετρο), όπου το ρευστοαιώρημα τοποθετείται σε αυτόκλειστο στροφείο, το οποίο περιστρέφεται συνεχώς με ταυτόχρονη αλλαγή των συνθηκών πίεσης και θερμοκρασίας. Όταν το μείγμα δεν είναι πια εργάσιμο άρα έχει υψηλή συνεκτικότητα (100Bc), ο χρόνος πάχυνσης καταγράφεται. Για την ρύθμιση της συγκεκριμένης ιδιότητας, μελετήθηκαν ρευστοαιωρήματα με διαφορετικές συγκεντρώσεις επιβραδυντή, με μέτρηση του Χρόνου πάχυνσης σε πρόγραμμα Υψηλών Θερμοκρασιών/ Υψηλών Πιέσεων (ΥΘ/ΥΠ) παρατηρήθηκε ότι με μικρές αλλαγές στην περιεκτικότητα του επιβραδυντή υπήρχε σημαντική αύξηση του χρόνου πάχυνσης. Αφού επιλέχθηκε η συγκέντρωση επιβραδυντή όπου επιτυγχάνει συγκεκριμένη επίδοση χρόνου πάχυνσης, μελετήθηκε η συνδυαστική επίδραση σταθερών συγκεντρώσεων ευρέως χρησιμοποιούμενων προσθέτων(ρυθμιστές απώλειας ρευστών, μείωσης διασποράς και αφρισμού) για την παρακολούθηση ενδεχόμενων συνεργιστικών/ανταγωνιστικών δράσεων των προσθέτων στις τελικές ιδιότητες του ρευστοαιωρήματος στις ίδιες συνθήκες ΥΘ/ΥΠ. Όπως προκύπτει η χρήση προσθέτων έχει σημαντική επίδραση στον χρόνο πάχυνσης του ρευστοαιωρήματος ανεξαρτήτως προοριζόμενης χρήσης, λόγω συνεργιστικών/ανταγωνιστικών δράσεων και υπάρχει ανάγκη πειραματικής εκτίμησης ειδικότερα σε μείγματα με διαφορετικά πρόσθετα. Επίσης οι συνθήκες ΥΘ/ΥΠ που επικρατούν επηρεάζουν το ρυθμό ενυδάτωσης του τσιμέντου άρα και την συμπεριφορά των προσθέτων με το τσιμέντο.Επίσης σαν εναλλακτική των πειραματικών εκτιμήσεων διερευνήθηκε υπολογιστική μελέτη του χρόνου πάχυνσης και διερεύνηση συσχετισμού τελικών ιδιοτήτων ρευστοαιωρήματος τσιμέντου γεωτρήσεων με αρχικές ιδιότητες ξηρού τσιμέντου με χρήση τεχνικών μηχανικής μάθησης και ο συσχετισμός μεταξύ μετρήσιμων ιδιοτήτων μη ενυδατωμένου τσιμέντου και τελικών επιδόσεων του. Για την συγκεκριμένη έρευνα κατασκευάστηκε βάση δεδομένων από 230 περιπτώσεις τσιμέντων πετρελαιοπηγών, τα οποία συλλέχθηκαν από τη βιομηχανία (καθημερινά αποτελέσματα παραγωγής - ημερήσιοι μέσοι όροι δειγμάτων που έχουν πραγματοποιεί οι επιθυμητές χημικές αναλύσεις, φυσικές και μηχανικές μετρήσεις). Επιτεύχθηκε συσχετισμός μεταξύ των ιδιοτήτων του ξηρού τσιμέντου με το χρόνο πάχυνσης και επιβεβαιώθηκε ότι οι φυσικοχημικές παράμετροι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη των ιδιοτήτων του τσιμέντου. Kατά τις πρώτες περιόδους ενυδάτωσης τσιμέντου, η αυξημένη θερμοκρασία θερμοκρασία μπορεί να οδηγήσει σε αναπτύξη ρωγμών που σχετίζονται με χημικές αντιδράσεις ή διακυμάνσεις στη θερμότητα και την υγρασία. Για την παρακολούθηση του ρυθμού ενυδάτωσης των τσιμέντων γεωτρήσεων πετρελαίου έγιναν μετρήσεις σε ρευστοαιωρήματα που περιείχαν LAB και Υλικά Αλλαγής Φάσης (ΥΑΦ) του εργαστηριακού τσιμέντου (LAB) ώστε να επιτευχθεί ο έλεγχος της αύξησης της θερμοκρασίας του τσιμέντου γεωτρήσεων πετρελαίου λόγω της ικανότητάς τους να αποθηκεύουν θερμική ενέργεια. Τα ΥΑΦ μεταβαίνουν σε διαφορετική φάση -από στερεό σε υγρό, ή αντιστρόφως- απορροφώντας ή απελευθερώνοντας λανθάνουσα θερμότητα από / προς το περιβάλλον. Το σημείο τήξης, η θερμότητα σύντηξης, η πυκνότητα, η θερμική ικανότητα, η θερμική αγωγιμότητα, η χημική συμβατότητα και το κόστος παραγωγής είναι οι κύριες παράμετροι για την επιλογή του καταλληλότερου. Οι δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε δοκίμια που είχαν συντηρηθεί σε δυο διαφορετικές συνθήκες (Περιβάλλοντος και σε ΥΘ/ΥΠ). Με την χρήση των συγκεκριμένων υλικών επιτεύχθηκε η μείωση της μέγιστης θερμοκρασίας και ο έλεγχος του ρυθμού ενυδάτωσης αλλά με σημαντική επίπτωση στις ιδιότητες του τσιμεντοπολφού, ειδικά σε συνθήκες ΥΘ/ΥΠ.