Jacek Hendel*, Albert Z³otkowski*, Stanis³aw Stryczek*

Transkrypt

1 WIERTNICTWO NAFTA GAZ TOM 28 ZESZYT Jacek Hendel*, Albert Z³otkowski*, Stanis³aw Stryczek* MODEL STANOWISKA LABORATORYJNEGO PRZEZNACZONEGO DO POMIARÓW PRZEPUSZCZALNOŒCI STWARDNIA EGO ZACZYNU USZCZELNIAJ CEGO, ZBUDOWANY W OPARCIU O DYNAMICZN PRASÊ FILTRACYJN HTHP** 1. WSTÊP Zbyt du a przepuszczalnoœæ stwardnia³ego zaczynu cementowego wp³ywa bezpoœrednio na korozjê kamienia cementowego i jego wytrzyma³oœæ mechaniczn¹ oraz stwarza mo - liwoœæ migracji p³ynów z³o owych, w szczególnoœci gazu, wzd³u profilu odwiertu. Maksymalna wartoœæ przepuszczalnoœci kamienia cementowego, mierzona powietrzem zgodnie z norm¹ [3] po dwóch dniach utwardzenia, dopuszczaj¹ca cement wiertniczy do u ytku, wynosi³a 10 9 m 2. Ponadto norma nie wymaga³a spe³nienia powy szego warunku, je eli badania geologiczne stwarza³y uzasadnione przes³anki, e cement nie zetknie siê z p³ynem z³o owym w stanie gazowym. Obecnie obowi¹zuj¹ce normy [4 8] nie definiuj¹ granicznej wartoœci przepuszczalnoœci kamienia cementowego. 2. METODYKA BADANIA PRZEPUSZCZALNOŒCI STWARDNIA EGO ZACZYNU CEMENTOWEGO Problem przepuszczalnoœci kamienia cementowego jest przedmiotem badañ oœrodków akademickich i instytutów technicznych od wielu lat [1, 2, 9]. Na uwagê zas³uguj¹ szczególnie publikacje J.M. Goode a z firmy Halliburton. Na rysunkach 1 i 2 oraz w tabeli 1 przedstawiono wykorzystywany przez niego sprzêt, jak równie wartoœci parametrów warunków pomiarów, w których przeprowadza³ badania. * AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydzia³ Wiertnictwa, Nafty i Gazu, Kraków ** Praca zrealizowana w ramach badañ statutowych nr

2 Rys. 1. Stanowisko przeznaczone do badania przepuszczalnoœci kamienia cementowego przy u yciu gazu [1] Rys. 2. Stanowisko przeznaczone do badania przepuszczalnoœci kamienia cementowego za pomoc¹ wody [1] 682

3 Tabela 1 Wartoœci parametrów warunków pomiarów przepuszczalnoœci wykonanych przez Goode a [1] Badanie przepuszczalnoœci stwardnia³ego zaczynu cementowego zgodnie z PN-85 G [3] polega³o na pomiarze czasu przep³ywu powietrza okreœlonej objêtoœci przez próbkê kamienia cementowego pod sta³¹ ró nic¹ ciœnieñ. Badanie wykonywano w temperaturze otoczenia, a ciœnienie ró nicowe nie powinno by³o przekroczyæ wartoœci 1,5 MPa. Schemat aparatu do wykonywania badania przepuszczalnoœci przy u yciu gazu obrazuje rysunek 3. Rys. 3. Aparat do oznaczenia przepuszczalnoœci kamienia cementowego powietrzem: 1 pierœcieñ gumowy, 2 kamieñ cementowy, 3 manometr, 4 biureta pomiarowa, 5 butla ze sprê onym powietrzem i reduktorem Opracowanie w³asne na podstawie normy [3] 683

4 Obecnie obowi¹zuj¹ca norma PN-EN ISO [6] opisuje proces pomiaru przepuszczalnoœci ciecz¹ za pomoc¹ przepuszczalnoœciomierza dla kamienia cementowego (rys. 4) lub alternatywnie przepuszczalnoœciomierza rdzeniowego (rys. 5). Badanie polega na pomiarze natê enia przep³ywu cieczy oraz ciœnienia, pod którym doprowadzona jest ona do próbki. Norma zaleca, by filtruj¹ca ciecz by³a przet³aczana pod ciœnieniem w granicach kpa. Zarówno obecnie obowi¹zuj¹ca norma, jak i przytoczony powy ej artyku³ [1] zalecaj¹ prowadzenie badania przepuszczalnoœci kamienia cementowego ciecz¹ przy niskim ciœnieniu ró nicowym, nieprzekraczaj¹cym 1400 kpa, aby nie doprowadziæ do turbulentnego przep³ywu cieczy przez próbkê. Rys. 4. Przepuszczalnoœciomierz do cementu: 1 reduktor ciœnienia, 2 powietrze, 3 woda, 4 rurka pipety pomiarowej, 5 rtêæ, 6 o-ring, 7 forma, 8 pokrywa uchwytu, 9 cylinder uchwytu, 10 podstawa uchwytu, 11 detale formy, A, B, C, D, E, F zawory, G miernik ciœnienia Opracowanie w³asne na podstawie [6] 684

5 Rys. 5. Przepuszczalnoœciomierz rdzeniowy cieczowy/gazowy: 1 wlot gazu, 2 akumulator cieczy, 3 zawór zwrotny, 4 próbka kamienia cementowego, 5 zestaw uchwytu rdzenia, 6 rura drena owa, 7 przep³ywomierz, A zawór gazowy, B zawór cieczy, C zawór, D zawór uk³adu nape³niania, E zawór odcinaj¹cy, F zawór upustowy, G ciœnienie na wlocie, H reduktor Opracowanie w³asne na podstawie [6] 3. KONSTRUKCJA PRZEPUSZCZALNOŒCIOMIERZA CIECZOWEGO Z WYKORZYSTANIEM PRASY HTHP W celu przeprowadzenia badañ przepuszczalnoœci kamienia cementowego ciecz¹, w warunkach podwy szonego ciœnienia i temperatury, na WWNiG AGH wykonano stanowisko laboratoryjne, adaptuj¹c dynamiczn¹ prasê filtracyjn¹ HTHP (High Temperature High Pressure). Stanowisko pozwala badaæ przepuszczalnoœæ dowoln¹ ciecz¹ w zakresie temperatur od 20 o C do temperatury wrzenia cieczy oraz przy ciœnieniu ró nicowym do 8 MPa. 685

6 Pomiar polega na zmierzeniu iloœci przefiltrowanej cieczy w okreœlonym czasie pod sta³¹ temperatur¹ i przy sta³ej ró nicy ciœnieñ zgodnie z prawem Darcy ego: k Δp Q= F μ L (1) które po przekszta³ceniu mo na zapisaæ w formie: Q L μ k = (2) F Δp gdzie: k wspó³czynnik przepuszczalnoœci badanego kamienia cementowego, m 2, Q natê enie przep³ywu cieczy, m 3 /s, L d³ugoœæ próbki, m, F pole powierzchni próbki, m 2, μ wspó³czynnik lepkoœci dynamicznej filtruj¹cej cieczy w temperaturze pomiaru, Pa s, Δp ró nica ciœnieñ pomiêdzy ciœnieniem wejœciowym, przed próbk¹, a atmosferycznym, Pa. W celu przeprowadzenia pomiaru nale y przygotowaæ odpowiednie próbki. Badanie przepuszczalnoœci odbywa siê z wykorzystaniem cylindrycznych próbek o wysokoœci 2 cali i œrednicy 1 cala (rys. 6). Aby wyniki doœwiadczenia by³y miarodajne, ka de badanie nale y wykonaæ na kilku próbkach zaczynu uszczelniaj¹cego o tej samej recepturze. Rys. 6. Próbki w kszta³cie walca o wysokoœci 2'' i œrednicy 1'' Próbki zaczynów uszczelniaj¹cych u ywane do badania przepuszczalnoœci mo na przechowywaæ w warunkach powietrzno-suchych bez dostêpu wody, lecz w takim przypadku nale y poprzedziæ w³aœciwy pomiar nasyceniem próbki ciecz¹. Próbki przechowywane w auto- 686

7 klawie, w wodzie wodoci¹gowej lub z³o owej, pod ciœnieniem i o temperaturze, w jakiej bêdzie przeprowadzany pomiar, uwa a siê za ca³kowicie nasycone p³ynem. W tym wypadku pocz¹tek pomiaru czasu filtracji nastêpuje w momencie rozpoczêcia procedury pomiaru. Aby przepowadziæ pomiar, uprzednio przygotowan¹ próbkê nale y w³o yæ do tulei gumowej (rys. 7) o niskiej twardoœci (40 o ShA), uniemo liwiaj¹cej przep³yw p³ynu poza próbk¹. Rys. 7. Umieszczenie próbki w tulei gumowej Nastêpnie próbkê w tulei gumowej nale y wcisn¹æ w zbie ny cylinder. Umieszczenie tulei gumowej z próbk¹ w cylindrze nastêpuje przy u yciu znacznej si³y. Œcis³e przyleganie cylindra i tulei gumowej jest zagwarantowane dziêki w³aœciwemu uszczelnieniu. Cylinder na obwodzie denka jest zaopatrzony w uszczelkê typu ring wspó³pracuj¹c¹ z cel¹ wysokociœnieniow¹ prasy HPHT (rys. 8). Rys. 8. Umieszczanie tulei z próbk¹ w specjalnym zbie nym cylindrze Tak przygotowany zestaw nale y umieœciæ w celi wysokociœnieniowej prasy HTHP (rys. 9). Nastêpnie dokrêciæ wieczka. Górne, umo liwiaj¹ce t³oczenie gazu z butli, wywieraj¹cego ciœnienie na filtruj¹c¹ ciecz oraz dolne zaopatrzone w ujœcie cieczy. Przed dokrêceniem górnego wieczka do cylindra nale y nalaæ ciecz, która ma filtrowaæ przez próbkê stwardnia³ego zaczynu uszczelniaj¹cego (rys. 10). 687

8 Rys. 9. Cela wysokociœnieniowa oraz dekle prasy HPHT Rys. 10. Schemat stanowiska pomiarowego: 1 reduktor ciœnienia, 2 butla z azotem, 3 dekiel górny, 4 cela prasy HTHP, 5 filtruj¹ca ciecz, 6 badana próbka stwardnia³ego zaczynu uszczelniaj¹cego, 7 tuleja gumowa, 8 zbie ny cylinder, 9 system podwójnego uszczelnienia, 10 dekiel dolny, 11 menzurka pomiarowa 688

9 4. WERYFIKACJA POPRAWNOŒCI DZIA ANIA W celu sprawdzenia szczelnoœci uk³adu i poprawnoœci przebiegu procesu pomiarowego wykonano dwa kontrolne badania. W pierwszym zamiast cementowej próbki zastosowano stalowy walec o takich samych wymiarach jak próbki. Podczas kilkugodzinnego pomiaru przez uk³ad nie przes¹czy³a siê ciecz, jak równie nie stwierdzono adnych œladów wilgoci w rejonie dolnego denka po rozebraniu celi wysokociœnieniowej. Nastêpnie wykonano próbkê z cementu wiertniczego HSR (cementownia Rejowiec), o wspó³czynniku wodno-cementowym w/c równym 0,5. W celu zwiêkszenia przepuszczalnoœci dodano do zaczynu kwarcowego kruszywa mineralnego w stosunku masowym do cementu 1:1. Badanie prowadzono w temperaturze 20 o C, pod ciœnieniem 2,75 MPa, natomiast filtruj¹c¹ wodê zabarwiono b³êkitem metylowym. Po zakoñczeniu doœwiadczenia i prze³amaniu wzd³u nym próbki stwierdzono filtracjê zachodz¹c¹ równomiernie w ca³ym przekroju pod³u nym badanej próbki stwardnia³ego zaczynu uszczelniaj¹cego, co jednoznacznie potwierdzi³o prawid³ow¹ konstrukcjê i dzia³anie stanowiska badawczego. Wyniki badania kontrolnego przedstawiono na rysunku 11. Dla porównania przedstawiono równie próbkê o tej samej recepturze, której przepuszczalnoœæ badano przy u yciu wody wodoci¹gowej. a) b) Rys. 11. Wynik pomiaru kontrolnego: a) próbka badana wod¹ wodoci¹gow¹; b) próbka badana wod¹ wodoci¹gow¹ zabarwion¹ b³êkitem metylowym 5. WNIOSKI 1) Skonstruowanie w Katedrze Wiertnictwa i Geoin ynierii WWNiG stanowisko laboratoryjne pozwala mierzyæ ciecz¹ przepuszczalnoœæ stwardnia³ych zaczynów uszczelniaj¹cych przy podwy szonej temperaturze i znacznym ciœnieniu ró nicowym. 2) Aparatura spe³nia zalecania obecnie obowi¹zuj¹cej normy [6] dotycz¹ce przepuszczalnoœciomierzy cieczowych. 689

10 3) Zmieniaj¹c rodzaj cieczy filtruj¹cej, ró nicê ciœnieñ, temperaturê pomiaru, sk³ad cementu i wspó³czynnik wodno-cementowy, uzyskuje siê szeroki zakres mo liwoœci przysz³ych badañ. 4) Stanowisko mo e s³u yæ do kontroli dzia³ania substancji poprawiaj¹cych szczelnoœæ zaczynów uszczelniaj¹cych i innych dodatków zmniejszaj¹cych przepuszczalnoœæ. 5) Przeprowadzone badanie kontrolne potwierdzi³o prawid³owe dzia³anie stanowiska laboratoryjnego. LITERATURA [1] Goode J.M.: Gas and water permeability data for some common oilwell cements. Journal of Petroleum Technology, vol. 14, no. 8, August 1962, s [2] Morgan B.E., Dumbauld G.K.: Measurement of the Permeability of Set Cement. Journal of Petroleum Technology, vol. 4, no. 6, June 1952, s. 10, 16. [3] PN-85 G-02320: Cementy i zaczyny cementowe do cementowania w otworach wiertniczych. [4] PN-EN ISO : Przemys³ naftowy i gazowniczy Cementy i materia³y do cementowania otworów Czêœæ 1: Specyfikacja. [5] PN-EN ISO :2010/AC: Przemys³ naftowy i gazowniczy Cementy i materia³y do cementowania otworów Czêœæ 1: Specyfikacja. [6] PN-EN ISO : Przemys³ naftowy i gazowniczy Cementy i materia³y do cementowania otworów Czêœæ 2: Badania cementów wiertniczych. [7] PN-EN ISO :2006/A1: Przemys³ naftowy i gazowniczy Cementy i materia- ³y do cementowania otworów Czêœæ 2: Badania cementów wiertniczych. [8] PN-EN ISO :2006/AC: Przemys³ naftowy i gazowniczy Cementy i materia³y do cementowania otworów Czêœæ 2: Badania cementów wiertniczych. [9] Winn R.H., Anderson T.O., Carter L.G.: A Preliminary Study of Factors Influencing Cement Bond Logs. Journal of Petroleum Technology, vol. 14, no. 4, April 1962, s