NUMERICAL APPROACH TO EVALUATE FLUID LEAKAGE THROUGH ANNULAR CEMENT SHEATH. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (PhD Dissertation Presented to the COLLEGE OF GRADUATE AND INTERDISCIPLINARY STUDIES KING FAHD UNIVERSITY OF PETROLEUM & MINERALS DHAHRAN, SAUDI ARABIA) Mahmoud Elzenary PhD Dissertation Ver.09 [FINAL] - August 2025 - Dean Signed.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 16 September 2026. Download (4MB)

Arabic Abstract

تُعدّ سلامة تصميم الآبار وكفاءة الأسمنت في العزل متطلبًا أساسيًا لضمان التشغيل الآمن والمستدام لآبار النفط والغاز. تهدف هذه الأطروحة إلى تقديم تحليل عددي شامل لمسارات تسرب الغاز، ولا سيما غاز الميثان، من خلال الأسمنت الحلقي المحيط بالغلاف المعدني للبئر، وذلك باستخدام نماذج محاكاة حاسوبية ثنائية وثلاثية الأبعاد. تسلط هذه الدراسة الضوء على جانب بالغ الأهمية من عناصر التحكم في سلامة الآبار، وتقدم مساهمة بحثية مبتكرة من خلال تطوير نماذج فيزيائية حرارية-جريان متعددة الخصائص، قادرة على التنبؤ بسلوك الغاز المضغوط تحت ظروف الضغط والحرارة المرتفعة. تأخذ هذه النماذج بعين الاعتبار التركيب الدقيق للأسمنت، والمسامات الدقيقة، بالإضافة إلى الطبيعة الطبقية المعقدة لكل من الخزان وتكوينات الصخور السقفية تم تطوير النموذج ثنائي الأبعاد باستخدام تمثيل متماثل المحور لمحاكاة ظروف البئر على نطاق مختبري مصغّر، مع التركيز على تحليل سلوك التدفق الشعاعي والمحوري في هندسة مثالية مبسطة. استخدم النموذج قانون دارسي بصيغة الضغط التربيعي لتدفقات الغاز القابلة للانضغاط، مما أتاح تنفيذ محاكاة عددية سريعة وفعالة وتحليلاً حساسًا للعوامل المختلفة مثل النفاذية، المسامية، الفجوات الدقيقة، وسمك طبقة الأسمنت. رغم أن النموذج قدّم رؤى مبدئية دقيقة بشأن ديناميكيات الضغط والتسرب، إلا أن اختزاله الهندسي منع تمثيل تأثيرات التدفق المحيطي أو الحلقي، مما حد من قدرته على تقديم توصيف مكاني كامل لسيناريوهات التسرب. وعلى الرغم من هذه المحدودية، فقد ساهم النموذج ثنائي الأبعاد بشكل أساسي في التحقق من استقرار الحل العددي وتثبيت النموذج المبدئي قبل الانتقال إلى النمذجة ثلاثية الأبعاد أما النموذج ثلاثي الأبعاد، فقد تم بناؤه لمحاكاة ظواهر تسرب الغاز على مستوى الحقل، مع مراعاة الأبعاد المكانية الكاملة، والتفاعلات الفيزيائية المتعددة بين الغاز والبنية الطبقية المعقدة للبئر. تضمنت النمذجة حالتين رئيسيتين: الأولى بافتراض تدفق متساوي الحرارة، والثانية تضمنت معادلات حفظ الطاقة، وتأثيرات الحرارة على خصائص الغاز، بما في ذلك اللزوجة المعتمدة على درجة الحرارة وفقاً لقانون ساوثيرلاند. أظهرت النتائج في غلاف الأسمنت، أن الضغوط النهائية في كل من النموذجين (الحراري ومتساوي الحرارة) قد استقرت حول 1998.3 رطل لكل بوصة مربعة، ولكن مسار تطور الضغط وتدرجه الزمني كان مختلفًا تمامًا. فقد أظهر النموذج الحراري استجابة أبطأ في الضغط، بمعدلات تدفق مستقرة أقل (~66.10 قدم³/يوم) مقارنة بالنموذج متساوي الحرارة (~91.27 قدم³/يوم). يعكس هذا التباين تأثير التبريد الموضعي الناتج عن تأثير جول-طومسون عند جبهة توسع الغاز، مما أدى إلى ارتفاع لزوجة الميثان وانخفاض حركة الغاز في وقت مبكر من المحاكاة، رغم التطابق النهائي في الضغط. يشير ذلك إلى أن العوامل الحرارية لا تزيد فقط من تعقيد النموذج، بل تعدّل توقيت وسلوك التسرب بشكل نوعي وفي منطقة التكوين المسامي، التي تتميز بنفاذية عالية (0.4 ملي دارسي)، أظهرت المحاكاة أن تأثير الحرارة ظل طفيفًا لكنه واضح في الديناميكيات الزمنية الأولية. استقر الضغط عند ~837.19 رطل/بوصة² في كلا الحالتين، ولكن النموذج الحراري أظهر معدلات تدفق أقل (~67.77 قدم³/يوم) مقارنة بـ (~93.45 قدم³/يوم) في الحالة متساوية الحرارة، خاصة خلال الدقائق الأولى من المحاكاة. ويعزى ذلك إلى تعديل لزوجة الغاز بفعل نقل الحرارة، حيث يقوم التكوين المسامي بامتصاص التغيرات بسرعة فائقة، مما يحد من الأثر التراكمي للحرارة. واللافت أن نسبة حجم المسام المستخدمة للوصول إلى هذا التوازن كانت أقل من 1%، مما يعكس كفاءة الخزان في تخفيف الضغط دون الحاجة إلى تشبع أو تغير كبير في الكتلة الغازية أما بالنسبة لتكوين الصخور السقفية، وهو الحاجز الجيولوجي الحاسم، فقد كان الأكثر تأثرًا بالتأثيرات الحرارية. أظهرت المحاكاة استقرار الضغط عند حوالي 402.4 رطل/بوصة² في كلا النموذجين، ولكن معدل التدفق النهائي في الحالة الحرارية كان أقل (~69.38 قدم³/يوم) مقارنة بـ (~94.16 قدم³/يوم) في الحالة متساوية الحرارة. تشير هذه النتائج إلى أن تأثيرات التوصيل الحراري وتبريد الغاز تقلل من تدرج الضغط الحاد، مما يؤخر تقدم الجبهة الضاغطة ويعيد توزيع التوترات على نحو أكثر تجانسًا. وبالتالي، فإن إغفال التأثيرات الحرارية في مثل هذه النماذج قد يؤدي إلى تقديرات غير دقيقة لمخاطر الانهيار وفشل الحاجز، مما يضعف موثوقية قرارات التصميم والتشغيل بناءً على هذه النتائج، تبرز ضرورة إدراج النمذجة الحرارية المتكاملة في تحليل سلامة الآبار، خصوصًا في البيئات العميقة أو ذات درجات الحرارة المرتفعة. إن اعتبار النمذجة الحرارية خيارًا إضافيًا بدلاً من معيار إلزامي قد يؤدي إلى تجاهل آليات تقييد حرارية حرجة كانت سببًا في الحد من التسرب في المحاكاة الحالية. وبذلك، توفر هذه الدراسة إطارًا عدديًا دقيقًا يدعم تطوير نماذج أكثر شمولية لتقييم المخاطر التصميمية والتشغيلية. وتعدّ هذه الأطروحة مرجعًا متقدمًا لمهندسي حفر الآبار وسلامتها، وتسهم في تصميم أنظمة أكثر موثوقية لمواجهة تحديات التسرب في ظروف الضغط والحرارة القاسية

English Abstract

The evaluation and assurance of well integrity is a cornerstone of safe and sustainable petroleum production. This dissertation presents a comprehensive numerical investigation into gas migration through the cement sheath and along pathways within annular cement using both two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) computational fluid dynamics (CFD) frameworks. The novelty of this work lies in the development and validation of full-physics models capable of resolving the transient behavior of compressible methane gas through heterogeneous cemented annuli, porous formations, and overlying caprock structures. The research rigorously addresses the persistent challenge of fluid leakage through the casing-liner overlap cement sheath and introduces modeling alternatives to conventional well control assumptions. The 2D axisymmetric CFD model was designed to replicate laboratory-scale configurations, ideal for isolating radial and axial flow behavior in simplified cylindrical geometries. Implementing pressure-squared Darcy flow for compressible gases, the model enabled rapid simulations and detailed parametric sensitivity analyses across permeability, porosity, microannulus gaps, and cement thickness. While these simulations provided foundational insights into pressure buildup and leak onset within the cement sheath, the limited geometric dimensionality imposed artificial constraints on pressure dissipation and flow dispersion, overestimating final pressures and potentially mischaracterizing early failure risk. Nonetheless, the 2D model proved essential as a preliminary validation tool for solver stability and pressure-coupled flow formulations. In contrast, the 3D CFD framework was developed to capture reservoir-scale gas migration phenomena with full spatial and temporal fidelity. Unlike the axisymmetric counterpart, the 3D model discretized a complete casing–cement–formation–caprock system, thereby enabling circumferential pressure redistribution and more realistic simulation of annular flow behavior. Two simulation paradigms were explored: an isothermal case assuming constant temperature and a fully thermally coupled scenario incorporating energy conservation, heat conduction, and temperature-dependent gas properties. The thermal model leveraged full energy balance equations alongside Sutherland’s formulation for dynamic viscosity, capturing critical multiphysical processes including Joule–Thomson cooling and thermal expansion. In the cement sheath, both thermal and isothermal cases converged to nearly identical final pressures (~1998.3 psi), but their temporal dynamics diverged sharply. The thermal model exhibited an initially slower pressure ramp-up due to transient thermal buffering, and ultimately reached a reduced flow rate compared to the isothermal counterpart. This suggests that thermal effects, rather than amplifying flow, can act as moderators, delaying front propagation and flattening pressure gradients through localized cooling and viscosity enhancement, even in low-permeability environments. These findings directly challenge earlier assumptions that thermal coupling would necessarily increase migration severity by enhancing compressibility or reducing viscosity. The porous formation domain, characterized by its high porosity and permeability, demonstrated rapid convergence to a stabilized pressure of ~837 psi in both thermal and isothermal simulations. However, subtle temporal differences again emerged. The thermally coupled model exhibited a slightly slower initial pressure rise due to heat conduction and viscosity modulation, although the final equilibrium state remained unaffected. This reinforces the notion that thermally induced delays are domain-specific and predominantly transient in high-transmissibility zones. The ability of such formations to quickly redistribute energy and pressure means that long-term effects of thermal coupling are minimal, but short-term evolution, crucial for leak detection and early response planning, is significantly affected. Importantly, even in domains traditionally considered hydraulically transparent, the early-time influence of temperature-dependent gas properties can introduce measurable flow resistance and affect the timing of gas arrival at key interfaces. In stark contrast, the caprock domain exhibited the slowest and most thermally sensitive pressure evolution. Final pressure stabilized around ~402.4 psi in both thermal and isothermal cases, yet throughout the simulation, the thermal model consistently reported slightly lower pressures at each timestep, indicative of Joule–Thomson-induced cooling and reduced local compressibility. These thermal mechanisms contributed to a more uniform redistribution of pressure, mitigating concentrations of local stress and potentially deferring mechanical failure thresholds. The behavior confirms the role of caprock not only as a physical barrier but also as a dynamic energy modulator. Unlike in the porous formation, thermal effects in the caprock were persistent rather than transient, gradually reshaping the evolution of the pressure front and extending the timeline for pressure equilibrium. This behavior is particularly consequential for assessing fracture risk and caprock breach potential under elevated thermal gradients. Collectively, the simulation results demonstrate that thermal coupling plays a far more nuanced role than previously appreciated. It does not simply increase or decrease pressure or flow; rather, it alters the trajectory of how subsurface transport evolves, shaping the timing, gradients, and feedback mechanisms critical to predicting failure onset. The assumption that thermal effects are negligible in low-flow or steady-state systems is rendered obsolete by these findings. For cement sheath integrity, thermal modeling reshapes early transient dynamics; for porous formations, it dampens peak flow acceleration; and for caprocks, it actively diffuses pressure and thermal spikes, extending containment thresholds. This multiphysical understanding is essential for designing safer wells and interpreting field data in thermally dynamic environments such as deepwater or high-temperature formations. In total, the dissertation underscores the critical limitations of isothermal models and strongly advocates for thermally coupled simulations in scenarios where subsurface energy gradients are non-negligible. The 3D models developed herein not only capture volumetric dispersion with greater fidelity but also expose critical zones where pressure buildup or stress localization may occur if thermal effects are ignored. These insights hold direct relevance to integrity assessments, barrier design, and regulatory standards such as those established by the International Association of Drilling Contractors (IADC) and the International Well Control Forum (IWCF). By offering a validated, high-resolution numerical framework, this work provides a roadmap for evolving well control practices and supports the development of more robust cement systems capable of withstanding real-world thermal, hydraulic, and mechanical stressors.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Research > Petroleum Research > Engineering Physics Petroleum > Drilling Engineering
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor:	Al-Jawad, Murtada
Committee Co-Advisor:	Al Ramadan, Mustafa
Committee Members:	Al-Shehri, Dhafer and Patil, Shirish and Al-Afnan, Saad
Depositing User:	MAHMOUD ELZENARY (g201548230)
Date Deposited:	16 Sep 2025 10:20
Last Modified:	16 Sep 2025 10:20
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143704