Summary

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

Published: November 20, 2014
doi:

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…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Les auteurs tiennent à remercier les personnes et institutions suivantes pour leur aide et leur soutien: William Portas et James Heathman (conseillers industriels, Shell E & P), Richard Littlefield et Rodney Pennington (Shell Westhollow Technology Center), Daniele Di Crescenzo (Shell Research Bien Ingénieur ), le projet de loi Carruthers (Lafarge), Tim Quirk (maintenant avec Chevron), Gerry Masterman et Wayne Manuel (LSU PERTT Lab), Rick Young (LSU Mécanique des roches Lab), et les membres de la SEER Lab (Arome Oyibo, Tao Tao, et Iordan Bossev).

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

References

  1. King, G. E. Well Integrity: Hydraulic Fracturing and Well Construction – What are the Factual Risks. SPE Wellbore Integrity Webinar. 5, (2013).
  2. Taylor, H. F. . Cement Chemistry. , (1997).
  3. Thiercelin, M. J., Dargaud, B., Baret, J. F., Rodriguez, W. J. Cement design based on cement mechanical response. SPE Drill & Compl. 13 (4), 266-273 (1998).
  4. Nelson, E. B., Guillot, D. . Well Cementing. , (2006).
  5. Carter, L., Evans, G. A Study of Cement-Pipe Bonding. Paper SPE 164 presented at the California Regional Meeting. , 24-25 (1964).
  6. Goodwin, K., Crook, R. Cement Sheath Stress Failure. SPE Drill Eng. 7 (4), 291-296 (1992).
  7. Heathman, J., Beck, F. E. Finite Element Analysis Couples Casing and Cement Designs for HP/HT Wells in East Texas. Paper SPE 98869 presented at the IADC/SPE Conference. , (2006).
  8. Boukhelifa, L., et al. Evaluation of Cement Systems for Oil and Gas Well Zonal Isolation in a Full-Scale Annular Geometry. Paper SPE 87195 presented at the IADC/SPE Drilling Conference. , (2004).
  9. Duan, S., Wojtanowicz, A. A Method for Evaluation of Risk of Continuous Air Emissions from Sustained Casinghead Pressure. Paper SPE 94455 presented at SPE/EPA/DOE Exploration and Production Environmental Conference. , (2005).
  10. Watson, T. L., Bachu, S. Evaluation of the potential for gas and CO2 leakage along wellbores. SPE Drill & Compl. 24 (1), 115-126 (2009).
  11. Wojtanowicz, A. K., Nishikawa, S., Xu, R. Diagnosis and remediation of SCP in wells. Final report submitted to US Department of Interior MMS. , (2001).
  12. Kupresan, D., Heathman, J., Radonjic, M. Experimental Assessment of Casing Expansion as a Solution to Microannular Gas Migration. Paper SPE 168056 presented at IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition. , (2014).
  13. Kupresan, D., Heathman, J., Radonjic, M. Application of a New Physical Model of Expandable Casing Technology in Mitigation of Wellbore Leaks. CETI Journal. 1 (5), 21-24 (2013).
  14. Demong, K., Rivenbark, M. Breakthroughs using Solid Expandable Tubulars to Construct Extended Reach Wells. Paper SPE 87209 presented at the IADC/SPE Drilling Conference. , (2004).
  15. Grant, T., Bullock, M. The evolution of Solid Expandable Tubular Technology: Lessons Learned Over Five Years. , (2005).
  16. Jennings, I. Dynamic formations rendered less problematic with solid expandable technology. , (2008).
  17. Fanguy, C., Mueller, D., Doherty, D. Improved method of cementing solid expandable tubulars. , (2004).
  18. American Petroleum Institute. Appendix C (tentative), Fluid Density Balance. Recommended Practice for Testing Oilwell Cements and Cement Additives. , (1971).
  19. Nelson, E. B. . Well cementing. , (1990).

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Citer Cet Article
Radonjic, M., Kupresan, D. Mechanical Expansion of Steel Tubing as a Solution to Leaky Wellbores. J. Vis. Exp. (93), e52098, doi:10.3791/52098 (2014).

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