Expansion mécanique de tubes en acier en tant que solution de puits de forage qui fuient

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

La procédure expérimentale a rapporté deux principales composantes qui sont essentielles: les bouteilles composites qui simulent des puits de forage et le montage d'expansion qui est utilisé pour effectuer la manipulation mécanique du ciment.

Puits de forage sont la principale porte d'entrée pour la production de fluides souterrains (eau, pétrole, gaz ou de la vapeur) ainsi que l'injection de fluides divers. Quelle que soit sa fonction, le puits de forage est nécessaire pour fournir un flux contrôlé de fluides produits / injectés. Construction de puits de forage a deux opérations distinctes: forage et la complétion. Ciment puits de forage, une partie de la procédure de complétion, fournit principalement l'isolation zonale, support mécanique du tuyau de métal (boîtier), et la protection des composants métalliques de fluides corrosifs. Ce sont des éléments essentiels de puits de forage sans compromis, pleinement opérationnels. L'intégrité de la gaine de puits de forage ciment est une fonction des propriétés chimiques et physiques du ciment hydraté, la géométrie de la celon bien, et les propriétés de la formation / formation entourant Fluides ^2,3. Une élimination incomplète du fluide de forage se traduira par une mauvaise isolation zonale, car il empêche la formation de liens solides au niveau des interfaces avec le rock et / ou en métal. gaines de ciment peuvent être soumis à de nombreux types de défaillance au cours de la vie d'un bien. Les variations de pression et de température provoquées par des opérations de complétion et de production contribuent au développement de fractures au sein de la matrice cimentaire; le décollement est provoqué par la pression et / ou des changements de température et le retrait ^4,5,6 hydratation du ciment. Le résultat est presque toujours la présence de l'écoulement du fluide microannular, bien que sa présence peut être détectée tôt ou après des années de durée de vie.

Heathman et Beck (2006) ont créé un modèle de cuvelage cimenté soumis à plus de 100 pression et de température des charges cycliques, qui ont montré un décollement visible, initiation des fissures de ciment qui peuvent poser chemins préférentiels pour la migration fluide <sup> 7. Sur le terrain, l'expansion et la contraction de composants métalliques d'un puits de forage ne sont pas coïncider avec celles du ciment et la roche, ce qui provoque un décollement interfacial et la formation d'un microanneau, conduisant à une augmentation de la perméabilité de la gaine de ciment. Une enveloppe supplémentaire chargement peut provoquer la propagation de fissures radiales dans la matrice de ciment une fois que les contraintes de traction dépasse la résistance à la traction de la matière ^8. Tous les échecs de ciment ci-dessus peut se traduire par des micro-acheminement, ce qui conduit à la migration de gaz, l'apparition de SCP et de risques pour l'environnement à long terme.

Un nombre considérable de producteurs et abandonnés puits avec SCP constitue une nouvelle potentiellement source d'émission de gaz naturel continue ^9. L'analyse effectuée par Watson et Bachu (2009) de 315 000 pétrole, du gaz, et des puits d'injection de l'Alberta, Canada a également montré que l'écart de puits de forage, type bien, méthode d'abandon, et la qualité du ciment sont des facteurs clés contributing à bien des fuites potentielles dans la partie profonde du puits ^10. Les opérations d'assainissement existants sont coûteux et infructueux; la cimentation de compression, l'une des techniques de réparation les plus couramment utilisés, a un taux de seulement 50% de ¹¹ succès.

Dans cet article, nous présentons l'évaluation de l'enveloppe de la technologie extensible (ECT) comme une nouvelle technique d'assainissement des puits de forage qui fuient ^12,13. ECT peut être appliquée dans les puits ¹⁴ nouvelles ou existantes. La première installation commerciale de cette technologie a été réalisée par Chevron sur un bien dans les eaux peu profondes du golfe du Mexique en Novembre 1999 ^15. L'enveloppe de fonctionnement actuel pour tubulaires extensibles encapsule une inclinaison de 100 ° à la verticale, de la température jusqu'à 205 ° C, poids de la boue à 2,37 g / cm ^3, une profondeur de 8763 m, la pression hydrostatique de 160,6 GPa et un tronçon tubulaire ¹⁶ 2092 m. Un taux d'expansion typique pour tubulaires extensibles solides est unnviron 2,4 m / min ^17.

Cette étude propose une approche unique de l'adaptation de la technologie ECT comme une nouvelle opération d'assainissement des SCP. L'expansion du tube en acier comprime le ciment qui entraînerait la fermeture de l'écoulement de gaz à l'interface et à colmater la fuite de gaz. Il est important de mentionner que l'objectif de cette étude est l'étanchéité d'un flux de gaz microannular existant, donc nous ne concentrons sur que comme une cause possible de puits de forage qui fuient. Afin de tester l'efficacité de la nouvelle technologie adaptée à cet effet, nous avons conçu un modèle de puits de forage avec un débit de microannular existant. Ceci est obtenu en faisant tourner le tube intérieur au cours de l'hydratation du ciment. Cela ne veut pas simuler des opérations sur le terrain, mais simplement pour faire avancer rapidement ce qui se passerait après des décennies de charge thermique et la pression dans un puits de forage.

Protocol

1. échantillon composite (Figure 1) REMARQUE: La plupart des emplois de ciment dans le Golfe du Mexique (Etats-Unis) sont effectuées à l'aide de la classe H ciment 18, donc, le même type de ciment a été utilisé pour réaliser les expériences de laboratoire pour simuler les conditions de terrain comme, l'applicabilité potentielle de cette technologie pour SCP l'assainissement dans le golfe du Mexique. La préparation des échantillons REMARQUE…

Representative Results

Essais dynamiques de gaz pré-extension sur l'échantillon composite a montré enregistrement de la pression sur le capteur de pression de sortie, confirmant flux de gaz à travers le microanneau pré-fabriqué (figures 7 et 8). Les conditions initiales sont restés les mêmes, où la pression d'entrée initiale était de 103 kPa et le débit de gaz a été maintenu à 85 ml / min pour cette période. Le délai pour l'enregistrement de pression entre l'entrée et la pres…

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