بهینه‌سازی ترکیب سیمان چاه‌های نفت و گاز با استفاده از لاتکس پلیمر-نانوذرات سیلیکا به منظور جبران پدیده ترک و میکرو آنالوس در غلاف سیمان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی عمران، واحد بین المللی کیش، دانشگاه آزاد اسلامی، جزیره کیش، ایران

2 گروه مهندسی عمران، واحد صفادشت، دانشگاه آزاد اسلامی ، تهران، ایران

3 گروه مهندسی عمران، واحد رودهن، دانشگاه آزاد اسلامی، رودهن، ایران

10.22078/pr.2021.4562.3054

چکیده

تولید پایدار از منابع هیدروکربنی امری بسیار مهم در ثبات اقتصادی، حفظ توان تولیدی و عمل به تعهدات صادراتی دولت‌ها در زمینه فراهم کردن منابع انرژی از سوخت‌های هیدروکربنی است. برای دست یافتن به اهداف تولید پایدار از ذخائر نفت و گاز لازم است تا چاه‌های نفت و گاز به‌عنوان مجراهای تولیدی، به ایمن‌ترین و کارآمدترین روش‌های ممکن حفاری و تکمیل شوند. یکی از تهدیدات تولید پایدار از مخازن نفت و گاز، از دست‌دادن یکپارچگی ساختار چاه و عدم تحقق تفکیک لایه‌های مختلف زیرزمینی از فضای درونی چاه است که مشکلات متعددی از جمله تولید زود هنگام آب از چاه‌های نفت و گاز، نشت گاز یا شورآب از حاشیه باند سیمانی پیرامون چاه یا لبه آستری فولادی محافظ دیواره چاه است. برای دست یافتن به اهداف تفکیک لایه‌های زیرزمینی و کنترل جریان دلخواه سیال هیدروکربنی به مجرای تولیدی، عملیات سیمان کاری به‌عنوان یک سد جداکننده در برابر لایه‌هایی با محتوای سیال و فشار منفذی متفاوت و ایجاد غلاف یکپارچه جدا کننده چاه از محیط خارجی استفاده می‌شود. این غلاف سیمانی که پس از راندن جداری‌های فولادی به فضای پشت آنها پمپ می‌شود، پس از استقرار و سخت شدن به استحکام سازه چاه و پایداری آن در برابر فشارهای خارجی می‌انجامد. این تحقیق به‌طور خلاصه عوامل مؤثر بر ایجاد پیوند ضعیف سیمانی به سازند و جداره فولادی، تشکیل فضای میکروآنالوس در حاشیه باند سیمانی، بهینه‌سازی ترکیبات سیمان جهت تقویت مشخصات مکانیکی آن، مهاجرت گاز درون سیمان و راه‌کارهای مؤثر بر کنترل این پدیده زیان بار تمرکز دارد. در آزمایشات انجام شده اثر نانوذرات سیلیکا در بهبود مقاومت تراکمی سیمان، کاهش تخلخل و نفوذپذیری مؤثر در مهاجرت گاز به‌خوبی مشخص گردیده است. همچنین، لاتکس پلیمری با توسعه خواص سیکسوتروپیک در دوغاب و کاهش پنجره زمانی حالت گذرا کمک شایانی به دوغاب سیمانی می‌کند تا احتمال مهاجرت گاز در زمان بحرانی که سیمان قادر به مقاومت مؤثر در برابر آن نیست را به حداقل رسانده و فرصت لازم برای تهاجم سیالات و خلل در ساختار غلاف سیمانی را به کمترین مقدار کاهش دهد.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Optimization of Oil and Gas Wells Cement Composition Using Polymer Latex-silica Nanoparticles to Compensate the Micro-annulus Phenomenon in Cement Bond

نویسندگان [English]

  • Hamid Bazrkar 1
  • Alireza Lork 2
  • Babak Aminnejad 3
1 Department of Civil Engineering, Kish International Branch, Islamic Azad University, kish island, Iran
2 Department of civil engineering, Safadasht Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
3 Department of Civil Engineering, Roudehen Branch, Islamic Azad University, Roudehen, Iran
چکیده [English]

Sustainable production from hydrocarbon resources is very important in economic stability, maintaining production capacity, and fulfilling the export commitments of governments in providing energy sources from hydrocarbon fuels. Drilling and completing oil and gas wells in the safest and most efficient manner is possible in order to meet sustainable production objectives from oil and gas reserves. One of the threats to sustainable production from oil and gas reservoirs is the wellbore integrity failure and missing isolation for various underground layers from the inner space of the well. Alternatively, the leakage of gas and saltwater from the liner lap or casing shoe due to the micro-annulus phenomenon at the margin of the cement bond is another threat to oil and gas wells. To fulfill the aims of separating subsurface layers and directing the appropriate flow of hydrocarbon fluid to the production duct, the cement sheath acts as a sealing barrier against formation layers with varying fluid content and pore pressure. Cement slurry is pumped to the annular space after driving the steel casing. Improving the properties of cement structures is a continuous technical-engineering effort to increase the durability of structures and prevent the destruction or occurrence of problems related to weakness in these structures. Cement design requirements for oil and gas wells are accompanied by perfect sealing of the well. This research seeks to provide an efficient solution to cover the gas and fluid migration issues due to cement sealing inefficiency. Combining the superior rheological properties of latexes in cement with the strength properties of silica nanoparticles is an idea that has been developed in this research. In experiments, the effect of silica nanoparticles on improving the compressive strength of cement, reducing porosity, and effective permeability in gas migration has been well established. Polymer latex also helps cement slurry by developing thixotropic properties in the slurry and reducing the transient time window to minimize the gas migration possibility in critical times when the cement column is not able to effectively resist the formation fluids and restrict the opportunity for formation fluid invasion.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Oil and gas well cement
  • optimization of cement compounds
  • microannulus
  • Gas Migration
  • Polymer latex-Silica nanoparticles
[1]. Shadizadeh SR, Kholghi M, Kassaei MHS (2010) Experimental investigation of silica fume as a cement extender for liner cementing in iranian oil, Gas Wells, 7, 1. ##
[2]. Boukhelifa L, Moroni N, James SG, Roy-Delage L, Thiercelin MJ, Lemaire G (2004) Evaluation of cement systems for oil and gas well zonal isolation in a full-scale annular geometry, In IADC/SPE Drilling Conference, Society of Petroleum Engineers. ##
[3]. Thiercelin M J, Dargaud B, Baret J F, Rodriquez W J (1998) Cement design based on cement mechanical response. SPE Drilling and Completion, 13, 04: 266-273. ##
[4]. Carpenter R B, Brady J L, Blount C G (1992) The effects of temperature and cement admixes on bond strength, Journal of Petroleum Technology, 44, 08: 936-941. ##
[5]. Bertschinger C, Paul S J, Lüthy H, Schärer P (1996) Dual application of dentin bonding agents: effect on bond strength, American Journal of Dentistry, 9, 3: 115-119. ##
[6]. Carter L G, Evans G W (1964) A study of cement-pipe bonding, Journal of Petroleum Technology, 16, 02: 157-160. ##
[7]. Plank J, Tiemeyer C, Buelichen D, Echt T (2014) A study of cement/mudcake/formation interfaces and their impact on the sealing quality of oilwell cement, In IADC/SPE Asia Pacific drilling Technology Conference, Society of Petroleum Engineers. ##
[8]. Hao H, Gu J, Huang J, Wang Z, Wang Q, Zou Y, Wang W (2016) Comparative study on cementation of cement-mudcake interface with and without mud-cake-solidification-agents application in oil and gas wells, Journal of Petroleum Science and Engineering, 147: 143-153. ##
[9]. Gu J, Huang J, Hao H (2017) Influence of mud cake solidification agents on thickening time of oil well cement and its solution, Construction and Building Materials, 153: 327-336. ##
[10]. Lichinga K N, Maagi M T, Wang Q, Hao H, Gu J (2019) Experimental study on oil based mudcake removal and enhancement of shear bond strength at cement-formation interface, Journal of Petroleum Science and Engineering, 176: 754-761. ##
[11]. VRTINE GCZN (1998) Gelation of Oilwell Cement. Kovine, Zlitine, Tehnologije, 32, 1-2. ##
[12]. Zhang J, Weissinger EA, Peethamparan S, Scherer GW (2010) Early hydration and setting of oil well cement. Cement and Concrete Research, 40, 7: 1023-1033. ##
[13]. De Rozieres J, Sabins F (1995) Shrinkage and expansion of oil well cements, Report of the API Work Group on Shrinkage.
[14]. Justnes H, Van Loo D, Reyniers B, Skalle P, Sveen J, Sellevold E J (1995) Chemical shrinkage of oil well cement slurries, Advances in Cement Research, 7, 26: 85-90. ##
[15]. Khalil M, Amanda A, Yunarti RT, Jan B M, Irawan S (2020) Synthesis and application of mesoporous silica nanoparticles as gas migration control additive in oil and gas cement, Journal of Petroleum Science and Engineering, 195: 107660. ##
[16]. Bayanak M, Zarinabadi S, Shahbazi K, Azimi A (2021) Comprehensive review on gas migration and preventative strategies through well cementing. International Journal of New Chemistry, 8, 1: 16-29. ##
[17]. Liu H, Jin J, Yu Y, Liu H, Liu S, Shen J, Ji H (2020) Influence of halloysite nanotube on hydration products and mechanical properties of oil well cement slurries with nano-silica, Construction and Building Materials, 247: 118545. ##
[18]. Alkhamis M, and Imqam A (2018) New cement formulations utilizing graphene nano platelets to improve cement properties and long-term reliability in oil wells, In SPE Kingdom of Saudi Arabia annual technical symposium and exhibition, Society of Petroleum Engineers. ##
[19]. Calloni G, Moroni N, Miano F (1995) Carbon black: a low-cost colloidal additive for controlling gas-migration in cement slurries, In SPE International Symposium on Oilfield Chemistry. Society of Petroleum Engineers. ##
[20]. Seidel F A, Greene T G (1985) Use of expanding cement improves bonding and aids in eliminating annular gas migration in Hobbs Grayburg-San Andres wells, In SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Society of Petroleum Engineers. ##
[21]. Oyarhossein M, Dusseault M B (2015) Wellbore stress changes and microannulus development because of cement shrinkage. In 49th US rock mechanics/geomechanics symposium, American Rock Mechanics Association, OnePetro. ##
[22]. Dahi Taleghani A, Li G, Moayeri M (2017) Smart expandable cement additive to achieve better wellbore integrity. Journal of Energy Resources Technology, 139: 6. ##
[23]. Al Ramadan M, Salehi S, Kwatia G, Ezeakacha C, Teodoriu C (2019) Experimental investigation of well integrity: Annular gas migration in cement column, Journal of Petroleum Science and Engineering, 179: 126-135. ##
[24]. Abdul-Rahman R, Chong A (1997) Cementing multilateral well with latex cement, In SPE/IADC drilling conference, Society of Petroleum Engineers. ##
[25]. API R (2013) 10B-2. Recommended Practice for Testing Well Cements. ##