Minimizing the Segregation of Heavy-Weighted Oil-Well Cement. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Minimizing the Segregation of Heavy Weighted Oil-Well Cement.pdf Restricted to Repository staff only until 4 February 2025. Download (13MB)

Arabic Abstract

تعتمد سلامة آبار النفط والغاز بشكل أساسي على وظيفة الأسمنت. يعد الحفاظ على خصائص طبقة الأسمنت طوال عمر البئر مهمة صعبة، لا سيما في ظروف الضغط العالي ودرجات الحرارة المرتفعة، مثل تلك الموجودة في الآبار العميقة حيث يلزم وجود ملاط أسمنتي عالي الكثافة لموازنة الضغط العالي بشكل فعال. يمكن تحقيق الزيادة في كثافة الملاط بإضافة مواد ثقيلة الوزن مثل الباريت والهيماتيت والإلمنيت. ومع ذلك، فإن المشكلة الكارثية المرتبطة بهذه المواد الثقيلة الوزن هي فصل الأسمنت. يؤدي فصل الأسمنت إلى تغيير خصائص الأسمنت ويمكن أن يؤدي إلى عواقب وخيمة، مثل فشل الأسمنت. تهدف هذه الأطروحة إلى تقييم تأثير الثلاثة المواد الثقيلة (الباريت، الهيماتيت، والإلمنيت) على العديد من خواص الأسمنت تحت ظروف الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية. بالإضافة إلى الاختبار التقليدي للترسيب والأشعة المقطعية، تم إجراء طريقة جديدة للرنين المغناطيسي النووي (NMR) لتقييم مشكلة فصل الأسمنت. علاوة على ذلك، تم تقديم أربعة حلول جديدة بشكل فردي لتقليل فصل الأسمنت في كل نوع من مواد الوزن الثلاثة. وهذه الحلول هي مايكروماكس، اللابونيت، البيرلايت والفيرميكوليت. تم استخدام مايكروماكس كبديل لمواد الوزن الموجودة. تمت إضافة عدة تراكيز من اللابونيت والبيرلايت والفيرميكوليت بشكل فردي إلى ملاط الأسمنت لاختيار التركيز الأمثل في كل نظام أسمنتي موزون بناءً على تأثيرها على ترسيب الجسيمات وخواص الأسمنت. أظهرت نتائج قياس الكثافة التقليدية وصور الأشعة المقطعية فصلًا حاسمًا للأسمنت بين عينات الأسمنت الباريت والإلمنيت والهيماتيت. من خلال تطبيق التكنولوجيا المتقدمة التي تنطوي على الرنين المغناطيسي النووي، أكد نهج الرنين المغناطيسي النووي نتائج طريقة الكثافة التقليدية والمسح المقطعي الذي تم فيه العثور على فصل شديد للأسمنت في عينات الأسمنت القائمة على الباريت والإلمنيت والهيماتيت. أدى استخدام ميكروماكس كمادة وزن إلى الحصول على عينة أسمنت متجانسة دون فصل الأسمنت. كان لدى مايكروماكس تباين في الكثافة عموديًا على طوله بنسبة 1.4 % فقط، في حين كان تباين الكثافة في عينات أسمنت الباريت والإلمنيت والهيماتيت 24.6 و 17.5 و 20.3 % على التوالي. أظهرت النتائج أن البيرلايت كان موهوبًا في تثبيت توزيع الكثافة وتقليل عزل الأسمنت بشكل ملحوظ إلى اختلافات منخفضة الكثافة جدًا تبلغ 1.5 و 0.13 و 0.91 ٪ في أنظمة أسمنت الباريت والإلمنيت والهيماتيت على التوالي. علاوة على ذلك، أدى اللابونيت إلى تقليل تباين الكثافة الرأسية على طول عمود الأسمنت بشكل ملحوظ إلى الحد الأدنى البالغ 2.2 ، 1.0 و 0.46 ٪ في أنظمة أسمنت الباريت والإلمنيت والهيماتيت، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، عند استخدام الفيرميكوليت، تم تقليل فصل الأسمنت إلى 0.75 ، 0.17 و 0.05 ٪ في الأسمنت القائم على الهيماتيت والإلمنيت والباريت، على التوالي . أكدت صور الأشعة المقطعية التجانس العمودي للأسمنت مع أسمنت ميكروماكس، لابونيت، بيرلايت وأسمنت الفيرميكوليت. أظهرت نتائج الرنين المغناطيسي النووي الجديدة أن توزيع مسامية الأسمنت القائم على الميكروماكس و البيرلايت و اللابونيت و الفيرميكيولايت كان بشكل رئيسي هو نفسه حيث لم تكن هناك نافذة انحراف بين أقسامها العلوية والمتوسطة والسفلية، في حين كان هناك تباين واضح في توزيع المسامية لعينات الأسمنت القائمة على الباريت والإلمنيت والهيماتيت مع نافذة انحراف كبيرة على طول عمود الأسمنت .

English Abstract

The integrity of oil and gas wells is mainly dependent on the cement job. Maintaining the properties of the cement layer throughout the life of a well is a difficult task, particularly in high-pressure and high-temperature conditions, such as those in deep wells where the cement slurry with high density is essential to balance the high-pressure formations effectively. Increasing the slurry density could be achieved by adding weighting materials such as barite, hematite, and ilmenite. However, a catastrophic problem associated with these weighting materials is cement segregation. Cement segregation changes the properties of the cement and can lead to severe consequences, such as cement failure. This dissertation evaluated the influence of the three weighting agents (barite, hematite, and ilmenite) on several cement properties under high-pressure and high-temperature conditions. In addition to the traditional sedimentation test and computerized tomography (CT) scan, a novel nuclear magnetic resonance (NMR) method was performed to evaluate the cement segregation problem. Moreover, four new solutions were introduced individually to minimize the cement segregation in every type of the three weighting materials. These solutions are Micromax, laponite, perlite and vermiculite. Micromax was used as a replacement for the existing weighting materials. Several concentrations of laponite, perlite and vermiculite were added individually to the cement slurry to select the best concentration in each weighted cement system based on their effects on particle settling and the cement’s properties. The conventional density measurement results and CT scan images showed critical cement segregation of barite, ilmenite, and hematite-based cement samples. By applying the advanced technology involving NMR, the NMR approach confirmed the results of the conventional density method and CT scan in which severe cement segregation was found in the barite, ilmenite, and hematite-based cement samples. Using Micromax as weighting material yielded a homogeneous cement sample without cement segregation. Micromax had only a 1.4% density variation (DV) through its column, while the density variation of barite, ilmenite, and hematite cement samples were 24.6, 17.5, and 20.3%, respectively. The results showed that laponite significantly decreased the DV along the cement length to its minimum of 2.2, 1.0 and 0.5% in the barite, ilmenite, and hematite cement systems, respectively. Moreover, perlite was talented in stabilizing the density distribution and significantly reducing the cement segregation to very low-density variations of 1.5, 0.1 and 0.9% in the barite, ilmenite, and hematite cement systems, respectively. In addition, when vermiculite was used, the cement segregation was reduced to 0.1, 0.2 and 0.8% in barite, ilmenite, and hematite-based cement, respectively. The CT scan images verified the uniformity of the cement with Micromax, laponite, perlite and vermiculite-based cement. The novel NMR results showed that the porosity distribution of Micromax, laponite perlite and vermiculite-based cement were mainly the same in which there was no deviation window between its top, middle and bottom sections, while there was obvious variation in the porosity distribution of the barite, ilmenite, and hematite-based cement samples with large deviation window along the cement column.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Petroleum > Drilling Engineering
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor:	Elkatatny, Salaheldin
Committee Members:	Mahmoud, Mohamed and Al Shehri, Dhafer A. and Mahmoud, Ahmed A.
Depositing User:	ABDULMALEK AHMED (g201080240)
Date Deposited:	07 Feb 2024 06:22
Last Modified:	07 Feb 2024 06:22
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142805