Mechanische Uitbreiding van stalen buizen als een oplossing voor lekkende boorputten

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

De gerapporteerde experimentele procedure heeft twee belangrijke componenten die essentieel zijn gecombineerd cilinders boorputten en de expansie inrichting die wordt gebruikt voor het uitvoeren van mechanische manipulatie van het cement simuleren.

Boorputten zijn de belangrijkste toegangspoort voor de productie van ondergrondse vloeistoffen (water, olie, gas of stoom) en injectie van diverse vloeistoffen. Ongeacht zijn functie, is de boorput die nodig is om een ​​gecontroleerde stroom geproduceerd / geïnjecteerde vloeistoffen bieden. Boorput bouw heeft twee verschillende activiteiten: boren en voltooiing. Boorput cement, van afwerkingen procedure, dat voornamelijk zonale isolatie, mechanische ondersteuning van de metalen buis (behuizing) en bescherming van de metalen onderdelen van corrosieve vloeistoffen. Dit zijn essentiële elementen van compromisloze, volledig functionerende boorputten. De integriteit van de boorput cement mantel is een functie van de chemische en fysische eigenschappen van het gehydrateerde cement, de geometrie van de cgoed ased, en de eigenschappen van de omliggende formatie / formatievloeistoffen ^2,3. Onvolledige verwijdering van boorvloeistof zal resulteren in slechte zonale isolatie omdat het voorkomt vorming van sterke bindingen aan raakvlakken met steen en / of metaal. Cement scheden kan om vele soorten van mislukking worden onderworpen tijdens de levensduur van een goed. Druk en temperatuur oscillaties door voltooiing en productieactiviteiten bijdragen aan de ontwikkeling van breuken in het cement matrix; onthechting wordt veroorzaakt door druk en / of temperatuur verandert en cementhydratatie krimp ^4,5,6. Het resultaat is bijna altijd aanwezig microannular vloeistofstroom, hoewel het optreden of na vroege jaren van de levensduur kan worden gedetecteerd.

Heathman en Beck (2006) creëerde een model van gecementeerde behuizing blootgesteld aan meer dan 100 druk en temperatuur cyclische belastingen, die zichtbaar onthechten initiatie van cement scheuren die preferentiële wegen kunnen vormen voor de migratie van vocht toonde, <sup> 7. In het veld, zal de uitzetting en inkrimping van de metalen onderdelen van een boorput niet samenvallen met die van cement en steen, waardoor grensvlak onthechten en de vorming van een microannulus, leidt tot een verhoging van de permeabiliteit van het cement mantel. Een extra behuizing belasting kan de propagatie van radiale scheuren in het cement matrix veroorzaken zodra de trekspanningen hoger de treksterkte van het materiaal ^8. Alle voornoemde cement fouten kunnen leiden tot micro-channeling, wat leidt tot gasmigratie, het voorkomen van SCP en langdurige milieurisico's.

Een aanzienlijk aantal van de productie en verlaten putten met SCP vormen een potentieel nieuwe bron van continue aardgas emissie ^9. De analyse uitgevoerd door Watson en Bachu (2009) van 315.000 olie, gas, en injectieputten in Alberta, Canada toonde ook aan dat boorput afwijking, goed type, de verlating methode, en de kwaliteit van het cement zijn de belangrijkste factoren die medentributing potentiële goed lekkage in het ondiepere gedeelte van de put ^10. De bestaande corrigerende operaties zijn duur en mislukte; de squeeze cementeren, een van de meest gebruikte corrigerende technieken heeft succes van slechts 50% ^11.

In dit artikel doen we verslag van de evaluatie van de Expandable Casing Technology (ECT) als nieuwe saneringstechniek voor lekkende boorputten ^12,13. ECT kan worden toegepast bij nieuwe of bestaande putten ^14. De eerste commerciële installatie van deze technologie werd uitgevoerd door Chevron op een putje in ondiepe wateren van de Golf van Mexico in november 1999 ^15. De huidige operationele middelen voor expandeerbare buizen kapselt een helling van 100 ° van de verticaal, temperatuur tot 205 ° C, slijkgewicht 2,37 g / cm ^3, een diepte van 8763 m, hydrostatische druk van 160,6 GPa en een buisvormig lengte 2092 m ^16. Een typische uitbreiding tarief voor vaste uitbreidbaar tuben is eenpproximately 2.4 m / min ^17.

Deze studie heeft een unieke benadering voor de aanpassing van ECT technologie als een nieuwe sanering voor SCP. De uitbreiding van de stalen buis comprimeert de cement die leidt tot sluiting van de gasstroom aan het grensvlak en dicht de gaslek. Het is belangrijk te vermelden dat de focus van deze studie is de afdichting van een bestaande microannular gasstroom, dus we alleen gericht op dat als een mogelijke oorzaak van lekkende boorputten. Om de doeltreffendheid van nieuwe aangepaste technologie te testen hiervoor ontwierpen we een boorput model met een bestaande microannular flow. Dit wordt verkregen door het roteren van de binnenbuis tijdens cementhydratatie. Dit is elk gebied operaties niet te simuleren, maar gewoon om vooruit te spoelen wat er zou gebeuren na decennia van thermische en drukbelasting in een boorput.

Protocol

1. Composiet Monster (figuur 1) OPMERKING: De meeste cement jobs in de Golf van Mexico (USA) worden uitgevoerd volgens Klasse H cement 18 derhalve hetzelfde type cement werd gebruikt om de lab experimenten gesimuleerd veld-achtige omstandigheden, de potentiële toepasbaarheid van deze technologie voor SCP sanering in de Golf van Mexico. Monstervoorbereiding OPMERKING: De 61-cm lange monster bestaat uit twee leerjaar B elektrisch verzette gelast (ERW) stalen leidi…

Representative Results

Pre-expansie gas doorstroomtests op het samengestelde monster vertoonde druk opname op de uitlaatdruk transducer bevestigen gasstroom door de voorgefabriceerde microannulus (figuren 7 en 8). Initiële condities zijn gelijk gehouden, waar de initiële primaire druk was 103 kPa en de gas stroomsnelheid werd op 85 ml / min voor die periode bewaard. De vertraging in drukregistratie tussen de inlaat- en uitlaatdruk transducers 7,5 seconden, terwijl de hoogste drukken afgelezen na verhoging v…

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…

Materials

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