DEVELOPMENT OF HIGH-PERFORMANCE LIGHTWEIGHT OIL-WELL CEMENT SYSTEMS

DEVELOPMENT OF HIGH-PERFORMANCE LIGHTWEIGHT OIL-WELL CEMENT SYSTEMS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (PhD Thesis)
PhD Thesis-g201806960.pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 15 February 2023.

Download (28MB)

Arabic Abstract

سمنتة آبار النفط هي عملية ضخ ملاط الأسمنت المصمم عن طريق خلط الأسمنت والماء والمواد المضافة الكيميائية الى أسفل البئر. فالأهداف الأولية هو دعم القيسون ، وتوفير عزل الطبقات وحماية القيسون من السوائل المسببة للتآكل. فعند استخدام أنظمة الأسمنت القياسية (15.7 الى 17 رطل لكل جالون) أمام الطبقات ذات ضغط الكسر المنخفض فان ذلك يؤدي إلى انهيار الطبقات وفقدان الملاط لاحقًا. و لمنع هذه المشكلة ، يتم استخدام أنظمة الأسمنت بكثافة 13.5 رطل لكل جالون أوأقل في هذه الطبقات الضعيفة. يتم تحضير أنظمة الأسمنت خفيفة الوزن بخلط عوامل اللزوجة (مثل البنتونيت وسيليكات الصوديوم) ، والجسيمات خفيفة الوزن (مثل الرماد المتطاير ، وخبث أفران الصهر المحبب ، ودخان السليكا ، والبيرلايت ، والميتاكولين) ، أو النيتروجين (الرغوة). يساعد استخدام المواد الإسمنتية التكميلية ، الأكثر شيوعًا الرماد المتطاير ، في تقليل الاعتماد على الأسمنت البورتلاندي العادي الذي يطلق إنتاجه كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. فالرماد المتطايريعد منتج ثانوي في عملية توليد الطاقة باستخدام محركات احتراق الفحم و تؤدي هذه العملية أيضًا إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. فالهدف من هذه الدراسة هو تصميم أنظمة أسمنت خفيفة الوزن باستخدام مواد لم تستخدم أبدا في عملية سمنتة آبار النفط ، وعلى الأخص ، مواد النفايات. و قد تم تصميم ملاط الاسمنت واختباره في درجة حرارة قاع البئر الدورانية التي تتراوح من 110 إلى 114 درجة فهرنهايت ، ودرجة حرارة قاع البئر الثابتة والتي تتراوح من 120 إلى 163 درجة فهرنهايت ، والضغط يتراوح من الضغط الجوي إلى 2600 رطل لكل بوصة مربعة وهذه هي ظروف معتادة في بعض الآبار في المملكة العربية السعودية. و قد تم تقييم دراسة استعراضية أجريت لفهم خصائص أنظمة الأسمنت خفيفة الوزن. وأشارت الدراسة إلى أن النظم التي تم تطويرها من الرماد المتطاير لديها قوة ضغط منخفضة جدا في وقت مبكر، وخاصة عند استخدامها بكميات كبيرة. ولمعالجة المسألة المتعلقة باستخدام الرماد المتطاير بكميات كبيرة، صيغ نظام جديد للرماد المتطاير سعة 13.5 باوند لكل جالون يستخدم التآزر الذي يمكن أن يوجد بين الرماد المتطاير، وأبخرة السيليكا، وخبث أفران الحديد. و أظهرت الوصفة خفيفة الوزن المطورة حديثا خصائص ريولوجية وميكانيكية ممتازة ، حيث يبلغ وقت الانتظار على الأسمنت حوالي 4 ساعة وقوة صوتية 24 ساعة تبلغ 3116 رطل لكل بوصة مربعة ، عند 150 درجة فهرنهايت و 1500 رطل لكل بوصة مربعة. وكان وقت التثخين حوالي 4 ساعات لبلوغ 70 وحدة بيردن و سيكون هذا الملاط مثاليًا في المناطق التي تتطلب عمودًا هيدروستاتيكيًا منخفضًا للملاط وتطورًا سريعًا لقوة الهلام. وغالبا ما يستخدم البنتونيت كموسع في أنظمة خفيفة الوزن لأنه يحسن الريولوجيا ويمنع المياه الحرة و غالبا ما يلاحظ خاصية تمدد البنتونيت عندما يكون الطين رطبا مسبقا قبل خلط مكونات الأسمنت. كان هناك نقاش حول الوقت الأمثل للإماهة المسبقة وتم دراسة أداء الإماهة المسبقة لطين البنتونيت في أوقات تتراوح من صفر إلى 120 دقيقة. ولوحظ أن عملية القص المسبقة للبنتونيت دون ترطيب مسبق كان كافيا لان عينات قد قصت مسبقا وتركت أوقات مختلفة أظهرت خصائص ريولوجية واستقرار مماثلة بنتونايت الصوديوم مادة لها خاصية بوزولانية و تتعزز هذه الخاصية عندما يتم تسخين الطين المكلس عند درجة حرارة مثالية حيث أن التسخين يسبب نزع الهيدروكسيل. حيث أنه لم يتم استخدام بنتونايت الصوديوم منزوع الهيدروكسيل مطلقًا في تصميم أسمنت بئر الزيت خفيف الوزن قبل هذه الدراسة. فقد تم تسخين بنتونايت الصوديوم عند 1526 درجة فهرنهايت لمدة 3 ساعات و تم استخدام حوالي 10 إلى 50٪ من البنتونايت منزوع الهيدروكسيل كبديل جزئي للأسمنت في تحضير أنظمة خفيفة الوزن 13 باوند لكل جالون حيث أظهرت الأنظمة القائمة على البنتونيت أداءً محسنًا ، مع قوة ضغط بعد 24 ساعة تبلغ 800 رطل لكل بوصة مربعة و 787 رطل لكل بوصة مربعة عند استبدال الأسمنت بنسبة 40٪ و 50٪ مقارنةً بـ 580 رطل لكل بوصة مربعة لنظام قائم على الرماد المتطاير مصمم بنسبة 40٪. بنتونايت الكالسيوم هو مادة طينية سائدة مع تفاعل البوزولاني المحسن بعد التكليس. تم تحويل بنتونايت الكالسيوم إلى مسحوق وتم تسخينه عند 1526 درجة فهرنهايت لمدة 3 ساعات و تم استبدال ما يقرب من 10 إلى 30 ٪ من الأسمنت بالطين لتصميم أنظمة الأسمنت 12.5 باوند لكل جالون. و أظهرت النتائج أن الكمية المثلى للبنتونايت لتحسين الأداء كانت 20٪ و كما أظهرت الدراسات الريولوجية واختبار وقت التثخين والخواص الميكانيكية لأنظمة للرماد المتطاير وأنظمة بنتونايت الكالسيوم المصممة بنفس التركيز بنسبة 20٪ أداءً مشابهًا. حيث أشار تحليل حيود الأشعة السينية والقياس الحراري إلى أن بنتونايت الكالسيوم المكلس والرماد المتطاير يظهران تفاعلًا بوزولانيًا مشابهًا. تم فحص الصخر الكاوليني الذي تم جمعه من المملكة العربية السعودية على أنه خليط من البوزولاني في نظام خفيف الوزن. تم تحميص الصخور المسحوقة عند 1202 و 1292 و 1382 و 1472 و 1562 درجة فهرنهايت لمدة ساعة واحدة ، وتم فحص درجة حرارة التكلس المثلى باستخدام تحليل تقنيات حيود الأشعة السينية و جهاز مطياف تحويل فورييه بالأشعة تحت الحمراء. حيث أظهرت الدراسة أن تسخين المسحوق عند 1562 درجة فهرنهايت ينتج مادة غير متبلورة بدرجة عالية. و كما أظهرت أن أنظمة الأسمنت المصممة بكثافة 12.5 رطل لكل جالون مع الطين المكلس خصائص ميكانيكية أفضل (من حيث قوة السحق ، قوة الخدش ، معامل يونغ ، نسبة بواسون) مقارنةً بنظام الأسمنت المصمم باستخدام الميتاكولين التجاري. أجريت دراسة مراجعة لبحث تطبيق المخلفات الصناعية والزراعية في أنظمة الأسمنت. حيث كشفت الدراسة أن نفايات مسحوق الجرانيت والسيليكا و النفايات الغنية بالألومينا الناتجة عن صناعة الجرانيت لم يتم فحصها على أنها مادة موسعة للبوزولاني في أنظمة الأسمنت خفيفة الوزن لآبار النفط. فمسحوق الجرانيت عبارة عن نفايات ناتجة عن صناعة الجرانيت وهي مادة تتكون من السيليكا والألومينا وتفي بمتطلبات البوزولان المحتمل و جاذبيتها النوعية أقل من الأسمنت البورتلاندي. لم يتم فحص أنظمة الأسمنت الخفيف الوزن القائمة على مسحوق الجرانيت. فقد تم تحضير الملاط الثنائي للأسمنت و مسحوق الجرانيت بكثافة 13.5 رطل / جالون تقريبًا (1.62 جم / سم 3) عن طريق استبدال الأسمنت بـ 0 و 5 و 10 و 15 و 20٪ من مسحوق الجرانيت. بالإضافة إلى ذلك ، تم دمج مسحوق الجرانيت مع البيرلايت لدراسة التآزر الذي يمكن أن يتواجد بين هذه المواد و تمت معالجة الملاط عند درجة حرارة تدوير قاع البئرالتي تبلغ 114 درجة فهرنهايت ، ودرجة حرارة ثابتة لقاع البئر تبلغ 163 درجة فهرنهايت ، وضغط أسفل البئر يبلغ 2600 رطل لكل بوصة مربعة و تم استخدام حيود الأشعة السينية لتقييم عملية الاماهة والبوزولاني. وقد لوحظ أن مسحوق الجرانيت لها نشاط بوزولاني بطيء ولها تأثير حشو. فقد أدى إدراج البيرلايت في مركب الأسمنت ومسحوق الجرانيت إلى تحسين القوة في أوقات مبكرة جدًا بسبب النشاط البوزولاني العالي للبيرلايت حيث سمح ذلك بتصميم أنظمة خفيفة الوزن باستخدام مسجوق الجرانيت بكميات كبيرة. فعندما تم استبدال الأسمنت بـنسبة 35٪ بمسحوق الجرانيت و 15٪ بيرلايت ، أظهر النظام خواص ميكانيكية أعلى لكن خواص ريولوجية سيئة. ومع ذلك ، فقد أظهرت الأنظمة المصممة باستخدام 30٪ من مسحوق الجرانيت و 10٪ بيرلايت خصائص ريولوجية جيدة وخصائص ميكانيكية عالية. الجيوبوليمرات هي مواد رابطة اسمنتية تم تطويرها من خلال تفاعل بين المواد الغنية بالألمونيا و السيليكات والمحاليل القلوية. فعلى الرغم من أن أنظمة الجيوبوليمر لم تشهد تطبيقات واسعة في سمنتة الآبار ، إلا أن الباحثين يدرسون إمكانات المادة تحت ظروف الآبار. حيث أجريت دراسة مراجعة لتحديد مدى البحث عن تطبيق الجيوبوليمر في عملية سمنتة آبار النفط و أظهرت الدراسة أن أنظمة الجيوبوليمر تظهر أداءً متفوقًا على أنظمة الأسمنت التقليدية ، وبالتالي ستكون بديلاً قابلاً للتطبيق للأسمنت البورتلاندي العادي.

English Abstract

Oil well cementing is the process of pumping cement slurry designed by admixing cement, water, and chemical additives downhole. The primary objective is to support the casing, provide zonal isolation and protect the casing from corrosive fluids. When standard cement systems (density of 15.6-17 ppg) are used in formations with low fracture gradient, it would result in formation breakdown and subsequent loss of slurry. To prevent this issue, cement systems with a density of 13.5 ppg and below are used at these weak intervals. Lightweight cement systems are prepared by admixing viscosifiers (e.g., bentonite, sodium silicate), lightweight particles (e.g., fly ash, ground granulated blast furnace slag, silica fume, perlite, metakaolin), or nitrogen (foam). The use of supplementary cementitious materials, most commonly fly ash, helps reduce the dependence on ordinary Portland cement whose production releases a considerable amount of carbon dioxide into the atmosphere. The fly ash is produced as a byproduct in the generation of energy using coal combustion engines. This process also releases CO2 into the atmosphere. The objective of this study is to design lightweight cement systems using materials that have never been used in oil-well cementing, most especially, waste materials. The slurries were designed and tested at bottomhole circulation temperature (BHCT) of 110 to 114 °F, bottomhole static temperature (BHST) of 120 to 163 °F, and bottomhole pressure of ambient pressure to 2600 psi. Such conditions are typical in wells in Saudi Arabia. A review study conducted to understand the properties of lightweight cement systems was evaluated. The study indicated that systems developed with fly ash have very low compressive strength at an early age, especially when used in high volumes. To address the issue with using fly ash in high volume, a new 13.5 ppg fly ash system was formulated employing the synergism that could exist between fly ash, silica fume, and ground granulated blast furnace slag (GGBFS). The newly developed lightweight recipe exhibited excellent rheological and mechanical properties, having a wait-on cement time of about 4 h and a 24 h sonic strength of 3116 psi, at 150 °F and 1500 psi. The thickening time was approximately 4 h (70 BC). This slurry will be ideal in zones that would require a low hydrostatic slurry column and rapid gel strength development. Bentonite is often used as an extender in lightweight systems because it improves the rheology and prevents free water. The extending property of the bentonite is often observed when the clay is pre-hydrated before admixing the cement components. There has been a debate on the optimum prehydration time. The performance of bentonite clay at different prehydration times (0 to 120 minutes) was studied. It was observed that pre-shearing of bentonite without pre hydration was enough as the samples pre-sheared and left to stand at different times exhibited similar rheological properties and stability. Sodium bentonite is a material with the pozzolanic property. This property is enhanced when the clay is heated (calcined) at an optimum temperature. Heating cause dehydroxylation. Before this study, dehydroxylated sodium bentonite had never been used in lightweight oil-well cement design. Sodium bentonite was heated at 1526 °F for 3 hours. About 10 to 50% of the dehydroxylated bentonite was used as partial replacement of cement in the preparation of 13-ppg lightweight systems. The bentonite-based systems showed improved performance, with a 24-hour compressive strength of 800 psi and 787 psi for 40% and 50% cement replacement in comparison to the 580 psi of a fly ash-based system designed at 40%. Calcium bentonite is a prevalent clay material with enhanced pozzolanic reactive after calcination. The calcium bentonite was turned into powder and heated at 1526 °F for 3 hours. Approximately 10 to 30% of cement was replaced with clay to design 12.5 ppg cement systems. The results showed that the optimum amount of bentonite for enhanced performance was 20%. Rheological studies, thickening time test, mechanical properties of fly ash, and calcium bentonite systems designed at the same concentration of 20% showed similar performance. X-ray diffraction and thermogravimetry analysis indicated that calcined calcium bentonite and fly ash exhibit similar pozzolanic reactivity. The feasibility of using kaolinitic shale collected from Saudi Arabia was investigated as a pozzolanic admixture in a lightweight system. The powdered rock was calcined at 1202, 1292, 1382, 1472, and 1562 °F for 1 hour, and the optimum calcination temperature was investigated using XRD and FTIR analytical techniques. The study showed that heating the powder at 1562 °F yields a highly amorphous material. Cement systems designed at 12.5 ppg with the calcined clay exhibited better mechanical properties (crush strength, scratch strength, Young’s modulus, Poisson Ratio) in comparison to a control cement system designed with the commercial metakaolin. A review study was conducted to investigate the application of industrial and agro-wastes in cement-based systems. The study revealed that granite waste powder, silica, and alumina-rich waste material generated by the granite industry had not been investigated as a pozzolanic extender in lightweight oil-well cement systems. Granite was powder (GWP) is a waste material generated by the granite industry. It is a material composed of silica and alumina and meets the requirement of a potential pozzolan. Its specific gravity is lower than Portland cement. GWP-based lightweight cement systems have not been investigated in well cementing. Cement-GWP binary slurries were prepared at approximately 13.5 lbm/gal (1.62 g/cm3) by replacing cement with 0, 5, 10, 15, and 20% GWP. Additionally, the GWP powder was combined with perlite to study the synergism that could exist between these materials. The slurries were cured at a bottomhole circulating temperature (BHCT) of 114 °F, bottomhole static temperature (BHST) of 163 °F, and bottomhole pressure (BHP) of 2600 psi. X-ray diffraction (XRD) was used to evaluate the hydration and pozzolanic processes. It was observed that the GWP possessed slow pozzolanic activity and had a filler effect. The inclusion of perlite into the cement-GWP composite resulted in improved strength at very early times due to the high pozzolanic activity of the perlite. This allowed for the design of lightweight systems using the GWP in high volume. When the cement was replaced with 35% GWP and 15% perlite, the system exhibited higher mechanical properties but poor rheological properties. However, systems designed with 30% GWP and 10% perlite showed favorable rheological properties and high mechanical properties. Geopolymers are cementitious binders developed through a reaction between aluminosilicate materials and alkaline solutions. Even though geopolymer systems have not seen wide applications in well cementing, researchers are investigating the potential of the material under wellbore conditions. A review study was conducted to determine the extent of research on the application of geopolymer in oil-well cementing. The study showed that geopolymer systems exhibit superior performance to conventional cement systems and hence would be a viable alternative to OPC.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Research > Petroleum
Petroleum > Drilling Engineering
Department: College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor: Elkatatny, Salaheldin
Committee Members: Abdulraheem, Abdulazeez and Patil, Shirish and Al-Majed, Abdulaziz Abdulla E
Depositing User: STEPHEN ADJEI (g201806960)
Date Deposited: 17 Feb 2022 11:53
Last Modified: 17 Feb 2022 11:53
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142063