Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy

TYTUŁ: Możliwości rozpoznania wybranych cech skał węglanowych na podstawie obrazu tomografii komputerowej (CT) oraz skanera mikroopornościowego (XRMI) / Representation of the selected features of carbonate rocks based on the computed tomography (CT) image and the borehole micro-imager (XRMI)

 

 

Autorzy: Andrzej Urbaniec, Katarzyna Drabik, Marek Dohnalik, Urszula Zagórska, Sylwia Kowalska

 

 

Recenzenci:
prof. dr hab. inż. Jadwiga Jarzyna
prof. dr hab. inż. Maria Bała

 

 

 

PN225duza400
ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-32-4
DOI: 10.18668/PN2019.225

Streszczenie


W monografii przedstawiono możliwości wykorzystania metody rentgenowskiej tomografii komputerowej (CT) pod kątem oceny stopnia odzwierciedlenia różnego typu cech skał węglanowych w uzyskanym obrazie tomograficznym. Wspomniana metoda stanowi jedno z bardziej precyzyjnych narzędzi stosowanych do analizowania metrowych odcinków rdzeni wiertniczych, zapewniających jednocześnie nieinwazyjny sposób badania skał i obrazowania ich struktury wewnętrznej.
Skały węglanowe stanowią dosyć trudną do interpretacji grupę skał ze względu na swą bardzo dużą, często trudną do przewidzenia, zmienność szeregu cech i parametrów, takich jak: wykształcenie litologiczne, skład mineralny, historia procesów diagenetycznych, zawartość szczątków organicznych, porowatość, przepuszczalność oraz wiele innych. Metodyka tomografii komputerowej, z uwagi na swoją specyfikę określania zróżnicowania gęstościowego ośrodka skalnego, ma teoretycznie duży potencjał uzyskania lepszej rozdzielczości obrazowania niektórych cech, które mogą być niewidoczne bezpośrednio na powierzchni rdzenia (np. ze względu na jednolitą barwę lub stopień przekrystalizowania skały). Efektem pomiarów jest otrzymanie przestrzennego obrazu rdzenia w skali odcieni szarości. Kolory jasne odpowiadają fragmentom rdzenia o wysokiej absorpcji promieniowania X, a ciemne – obszarom o niskiej absorpcji. Na wielkość absorpcji promieniowania rentgenowskiego wpływ ma przede wszystkim gęstość ośrodka skalnego, jak również liczby atomowe pierwiastków wchodzących w skład poszczególnych minerałów.
Badania tomograficzne, w celu uzyskania możliwie najbardziej wiarygodnych wyników, wykonano dla 72 interwałów rdzeniowych skał węglanowych o długości około 1 m, pochodzących łącznie z 8 otworów wiertniczych, zlokalizowanych na obszarze przedgórza i brzeżnej części Karpat. Wytypowany materiał rdzeniowy reprezentuje utwory węglanowe różnego wieku, od dewonu po kredę. Interpretację badań tomograficznych porównano ze szczegółową analizą sedymentologiczną wszystkich analizowanych odcinków rdzeni, co dało możliwość bezpośredniego porównania, które z badanych cech i w jakim stopniu ujawniły się w obrazie tomograficznym, a także czy obraz ten jest w stanie uzupełnić lub uszczegółowić wykonane opisy cech makroskopowych skał.
Przedstawione informacje mają charakter jakościowy, tj. odnoszący się głównie do cech opisowych analizowanych skał węglanowych.
Kolejnym celem niniejszej pracy było wykonanie korelacji głębokościowej obrazu ściany otworu uzyskanego w wyniku pomiaru skanerem elektrycznym XRMI™ firmy Halliburton z obrazem tomograficznym analizowanych interwałów rdzeniowych oraz rozpoznanie możliwości uszczegółowienia interpretacji obrazu mikroopornościowego na podstawie jego porównania z obrazem CT.
W rozdziale 2 pracy przedstawiono ogólną charakterystykę pomiaru metodą rentgenowskiej tomografii komputerowej, uwzględniając specyfikę zastosowanego urządzenia pomiarowego.
W rozdziale 3 omówiono podstawy teoretyczne pomiaru skanerem elektrycznym (XRMI™) oraz przetwarzania i interpretacji obrazu mikroopornościowego ściany otworu wiertniczego.
W rozdziale 4 przedstawiono szczegółową charakterystykę sedymentologiczną i litofacjalną wykonaną na podstawie analizy cech makroskopowych wytypowanych do badań interwałów rdzeniowych.
Rozdział 5 zawiera analizę stopnia odzwierciedlenia w zapisie tomograficznym wybranych cech strukturalnych i teksturalnych skał węglanowych, których geneza związana jest najczęściej bezpośrednio z procesem sedymentacji osadów lub też oddziaływaniem procesów diagenetycznych. Spośród różnych przebadanych elementów uwagę zwrócono na: strukturę gruzłową, teksturę biolitytową, teksturę onkolitową, brekcje i zlepieńce węglanowe, spotykane w skałach węglanowych typy warstwowania, szwy stylolitowe oraz efekty dolomityzacji.
Rozdział 6 obejmuje analizę możliwości odtworzenia struktur biogenicznych spotykanych najczęściej w skałach węglanowych na podstawie ich zapisu tomograficznego. W ramach tego zagadnienia przebadano cały szereg form zapisu w stanie kopalnym charakterystycznych dla następujących grup organizmów: gąbek krzemionkowych i wapiennych, amfipor, koralowców kolonijnych i osobniczych, serpul, ślimaków, małżów (w tym charakterystycznych grup, takich jak inoceramy, skałotocza i małże z rodzaju Trichites), ramienionogów, liliowców i jeżowców. Ponadto zwrócono również uwagę na obecność bioturbacji.
W rozdziale 7 przeanalizowano możliwości obrazowania za pomocą rentgenowskiej tomografii komputerowej różnych typów porowatości, kawernistości, a także szczelinowatości, zwracając uwagę na zróżnicowany stopień zabliźnienia szczelin (szczeliny otwarte i zabliźnione), jak również możliwość ich wypełnienia różnym materiałem mineralnym (np. cementem węglanowym lub anhydrytowym czy też substancją ilastą lub ilasto-marglistą).
W rozdziale 8 omówiono wyniki korelacji obrazu tomograficznego rdzeni skał węglanowych z wysokorozdzielczym zapisem sondy XRMI™ na przykładzie czterech wybranych interwałów rdzeniowych.
Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że metoda rentgenowskiej tomografii komputerowej (CT) jest bardzo pomocna przy analizie różnego typu cech sedymentacyjnych i biogenicznych skał węglanowych. Należy podkreślić, że jest to metoda nieinwazyjna, dająca możliwość odtwarzania obrazu tomograficznego w różnych kierunkach bez konieczności mechanicznej ingerencji w materiał skalny, prowadzącej do niszczenia rdzenia. Wykonanie tomografii komputerowej rdzenia przed jego przecięciem i podziałem na część archiwalną i tzw. roboczą może być również bardzo przydatne dla potrzeb jego dokumentacji i archiwizacji, gdyż proces przecięcia rdzenia, a następnie pobór materiału do badań laboratoryjnych niosą ze sobą możliwość utraty niektórych istotnych informacji. Ma to szczególne znaczenie w przypadku skał węglanowych, które ze względu na swoją naturę mogą cechować się bardzo dużą zmiennością (pionową i poziomą) nawet na niewielkim odcinku rdzenia (rzędu kilku centymetrów). Wykonane w odpowiednim czasie badanie tomograficzne pozwala zachować kompletny obraz rdzenia, który może później zostać wykorzystany do różnego rodzaju analiz i interpretacji, jak również reinterpretacji pomiarów geofizycznych (w tym zwłaszcza pomiarów wykonanych skanerem elektrycznym).
Do cech strukturalnych i teksturalnych najlepiej odzwierciedlonych w zapisie tomograficznym należały: struktura gruzłowa, różne typy warstwowania, przewarstwienia margliste lub ilasto-margliste, brekcja dolomityczna o teksturze agmatycznej, biolityty koralowcowe charakteryzujące się stosunkowo niewielkimi zmianami diagenetycznymi, szwy stylolitowe, a także efekty procesów selektywnej dolomityzacji.
Spośród przebadanych struktur biogenicznych najlepiej odwzorowane w zapisie tomograficznym zostały: koralowce kolonijne, amfipory i kolce jeżowców, a w mniejszym stopniu także gąbki krzemionkowe oraz muszle mięczaków. Analiza różnych przykładów struktur biogenicznych zachowanych w skałach węglanowych wskazała wyraźnie na bardzo istotną rolę zarówno pierwotnego składnika mineralnego budującego elementy szkieletowe, jak też procesów diagenetycznych, mających bezpośredni wpływ na stan zachowania tych elementów.
Na podstawie przeanalizowanych materiałów stwierdzono, że porowatość i szczelinowatość są jednymi z najlepiej odwzorowanych w zapisie tomograficznym cech skał węglanowych. W obrazie CT na ogół w bardzo dobrym stopniu czytelne są szczeliny otwarte, szczeliny wypełnione anhydrytem oraz szczeliny wypełnione materiałem ilastomarglistym. Natomiast szczeliny zabliźnione kalcytem rozpoznawalne są w różnym stopniu, w zależności od składu mineralnego tła skalnego.
Obraz tomograficzny rdzeni może mieć również duże znaczenie w interpretacji pomiarów geofizycznych, w tym zwłaszcza wykonanych skanerem elektrycznym. Przydatność metody CT jest szczególnie istotna w przypadku odwiertów z zachowanym materiałem rdzeniowym, w których nie wykonano kompletu badań geofizyki otworowej, gdyż umożliwia ona wyliczenie ciągłych profilowań dla niektórych parametrów (takich jak gęstość czy porowatość) wzdłuż przebadanych interwałów rdzeniowych.

Abstract

The monograph presents the possibilities of using X-ray computed tomography (CT) method to reflect various types of carbonate rock features in an obtained tomographic image. The technique discussed is one of the most accurate methods used in the analysis of drill cores, providing a non-invasive method of studying rocks and imaging their internal structure.
Carbonate rocks are a specific group of rocks, very difficult to interpret due to a high variability of a number of parameters, such as: lithology, mineral composition, biogenic structure content, porosity, permeability, and others. The method of X-ray computed tomography (CT) can be very helpful in the analysis of various carbonate rocks features because of it enables density diversification determination of a rock medium. This methodology has a high potential to obtain better resolution with respect to certain features, macroscopically invisible in the core (e.g. due to a homogeneous colour or the effect of recrystallization). The measurements result in obtaining a spatial image of the core in the greyscale. Light colours correspond to the core fragments with a high X-ray absorption, and the dark ones to the areas of low absorption. The amount of X-ray radiation absorption is primarily affected by the density of the rock medium, as well as the atomic number of the elements included in the individual minerals.
72 sections of drill cores, approx. 1m long each, were selected for tomographic examinations to obtain results as reliable as possible. The selected core material represents carbonate formations of various ages (from Devonian to Cretaceous), originating from the boreholes situated in the Carpathian Foreland and Carpathian basement areas. The interpretation of tomographic examinations was connected with a detailed sedimentological analysis of all core sections, allowing to carry out direct comparisons, as to which of the studied features and to what extent were disclosed in the CT images, and also whether this image can supplement or make the prepared descriptions more detailed.
The presented information has a qualitative nature, i.e. referring mainly to descriptive features of the analyzed carbonate rocks.
Another aim of this work was to compare and refine the interpretation of the borehole micro-imager, obtained as a result of measurements by Halliburton’s XRMI™ electrical scanner, based on its comparison with the tomographic image of the analyzed core intervals.
Chapter 2 describes the general characteristic of the X-ray computed tomography method measurement, as well as the specificity of the measuring equipment.
Chapter 3 includes the theoretical framework of the measurement principles, image processing and application of X-tended Range Micro Imager (XRMI™) (the wireline borehole imaging tool).
Chapter 4 presents detailed sedimentological and lithofacial characterization based on the analysis of macroscopic features of the selected core intervals.
Chapter 5 includes the analysis of selected structural and textural features of carbonate rocks in the tomographic imaging. The following features were analyzed: nodular structures, texture of biolithites, oncolithic textures, carbonate breccias and conglomerates, various types of stratification found in carbonate rocks, stylolites, dolomitization effects.
Chapter 6 contains the analysis of the biogenic structures, most often found in carbonate rocks, based on their tomographic image. As part of this issue, a number of fossil record forms were studied. They are characteristic of the following groups of organisms: siliceous and calcareous sponges, amphiporas, colonial and individual corals, serpulids
(tube-dwelling polychaetes), gastropods, bivalves (including characteristic groups such as inoceramids, boring and nestling bivalves, as well as thick-walled Trichites shells), brachiopods, crinoids and echinoids. In addition, attention was paid to the presence of bioturbations.
Chapter 7 presents the possibilities of X-ray computed tomography imaging of various types of porosity, cavernosity and fractures. The open fractures, calcite and anhydrite-filled fractures, as well as fractures filled with clay minerals were analyzed.
Chapter 8 includes the correlation possibilities of the carbonate rock cores tomographic images with the high-resolution XRMI™ images on the example of four selected core intervals.
The method of X-ray computed tomography (CT) can be very helpful in the analysis of various carbonate rocks features, such as structural and textural features, as well as biogenic structures. The discussed technique, as a non-invasive method, renders a possibility to reflect the CT image in various directions, without the necessity of mechanical interference in the rock material, resulting in the core destruction. Application of the X-ray computed tomography before dividing the core into archive and so-called ‘working’ parts can be very useful for the core documentation and archiving. The tomographic examination, carried out at the appropriate time, allows to preserve a complete image of the core. X-ray computed tomography data can also be used for various analyses and interpretations, including geophysical logs reinterpretation and borehole imaging.
The structural and textural features, best reflected in the tomographic record, included: the nodular structures, different types of stratification, the marly or clay-marly interlayers, the dolomitic breccia with agmatitic texture, the coral biolithites which had not changed much as a result of diagenetic processes, the stylolitic seams, as well as the effects of selective dolomitization processes.
Among the examined biogenic structures, the following were best represented in the tomographic records: colonial corals, amphiporas and echinoid spines. Siliceous sponges and shells of molluscs were also relatively well reflected. The analysis of various examples of biogenic structures preserved in carbonate rocks clearly indicated the very important role, of both the original mineral component building skeletal elements, as well as diagenetic processes having a direct impact on the state of preservation of these elements.
Porosity and fracturing are the best represented features of carbonate rocks in the CT image. Open fractures as well as fractures filled with anhydrite or with clay-marly material are generally well reflected in the CT image. Fractures filled with calcite are variously recognizable, depending on the mineral composition of the rock background.
The tomographic imaging of the cores may also be very important in the interpretation of geophysical logs. The usefulness of the CT method is particularly important for wells with preserved core material, in which no complete set of borehole geophysics has been done. Continuous profiles of some parameters (such as density or porosity) along the studied core intervals can be calculated from the tomographic image.
  

Cena egzemplarza: 60 zł netto (plus 5% VAT)

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.

 

 

 

 

 

 
 

TYTUŁ: Zastosowanie nieinwazyjnych pomiarów rdzeni wiertniczych do zwiększenia informacji na temat parametrów skał zbiornikowych / Application of non-destructive core measurements to increase information on reservoir rock parameters

 

Autor: Rafał Skupio

 

 

Recenzenci:

prof. dr hab. inż. Jadwiga Jarzyna, Akademia Górniczo-Hutnicza
prof. dr hab. Urszula Woźnicka, Instytut Fizyki Jądrowej PAN

 

 

 

PN 237 500

ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-45-4
DOI: 10.18668/PN2022.237

Objętość monografii: 182 strony

Streszczenie

Badania przeprowadzone w ramach przygotowywania monografi i ukierunkowane były na utworzenie systemu pomiarowo-interpretacyjnego, którego rezultatem jest otrzymanie wiarygodnych wyników profilowań geofizyki otworowej z dokładnością pomiarów laboratoryjnych. Ciągłe pomiary rdzeni wiertniczych pozwoliły na wygenerowanie profilowań pozbawionych wpływu otworu oraz ułatwiły dopasowanie głębokościowe rdzenia do pomiarów otworowych. W pracy wydzielono cztery główne rozdziały dotyczące: metodyki badawczej wraz z opisem stosowanych urządzeń, częściowych wyników pomiarów rdzeni wykonanych na różnych typach skał, propozycji systemu prowadzenia badań oraz kompleksowej interpretacji danych dla wybranych otworów. Część metodyczna dotyczyła opisu aparatury do ciągłych pomiarów rdzeni wiertniczych w zakresie naturalnej promieniotwórczości gamma (K, U, Th) wraz z aplikacją do pomiarów gęstości objętościowej metodą gamma-gamma, spektrometrów fluorescencji rentgenowskiej XRF do pomiarów składu chemicznego skał oraz tomografi i komputerowej CT do obrazowania struktury rdzeni, jak również wyznaczania gęstości radiologicznej w jednostkach Hounsfi elda (HU). Badania skał przeprowadzono na materiale reprezentującym utwory o zróżnicowanej litologii, takie jak: łupki, piaskowce, wapienie, dolomity, anhydryty, mułowce oraz heterolitowe kompleksy piaskowcowo-mułowcowo-iłowcowe. Wyniki pomiarów wykonanych z zastosowaniem poszczególnych metod zostały szczegółowo opisane oraz zestawione z punktowymi wynikami pomiarów laboratoryjnych i profilowaniami otworowymi. Pomiary testowe wraz z przetwarzaniem i interpretacją danych wykonano na rdzeniach pochodzących z pięciu otworów wiertniczych (T-1, O-4, Pt-1, L-7, P-5H), natomiast kompleksową interpretację wyników badań przeprowadzono dla trzech otworów wiertniczych (J-1, P-4, T-2).

Nowa metodyka spektrometrycznych pomiarów gamma pozwoliła na uzyskanie dokładnych koncentracji potasu, uranu i toru, zarówno w skałach o wysokiej, jak i niskiej radioaktywności. Wyniki badań umożliwiły standaryzację archiwalnych profi lowań gamma, wykonanych sondami typu radzieckiego z imp/min do jednostek standardowych API oraz uzyskanie danych na temat zawartości K, U, Th w interwale rdzeni. Zastosowanie źródła Cs-137 w aparaturze do pomiarów gamma umożliwiło przeprowadzenie pomiarów gęstości objętościowej w jednostkach g/cm3. Interpretacja litologiczna wykonana na podstawie pomiarów XRF i modeli mineralogiczno-chemicznych pozwoliła uzyskać profi le o zwiększonej rozdzielczości oraz większej liczbie składników mineralnych w stosunku do interpretacji pomiarów otworowych. Ponadto wykazano, że metodyka pomiarowa XRF może być stosowana podczas kierowania trajektorią otworu wiertniczego. Wyniki badań rdzeni metodą tomografi i komputerowej CT przedstawiono w postaci połączonych obrazów oraz ciągłych krzywych zmian gęstości w jednostkach HU.

Zdobyte doświadczenie i przedstawienie pełnego zakresu prac pomiarowych oraz interpretacyjnych pozwoliły na zaproponowanie procedury prowadzenia pełnego zakresu analiz, z uwzględnieniem różnego rodzaju materiału dostarczonego do badań. Procedura uwzględnia zarówno pełny zakres analiz, jak również pomiary wybranych parametrów, w zależności od zapotrzebowania zleceniodawcy.

Słowa kluczowe: petrofizyka, analizy rdzeni wiertniczych, spektrometria XRF, tomografia komputerowa, profilowanie gamma, interpretacja litologiczna

 

Abstract

The research carried out in the monograph aimed to create a measurement and interpretation system which is to obtain reliable results of well logging with the accuracy of laboratory measurements. Continuous core measurements allow for the generation of logging results without the impact of the borehole and facilitate the depth matching of the core to well log data. Four main chapters can be distinguished in this work: research methodology with a description of the devices used; partial results of core measurements made on various types of rocks; a proposal for a research system, and comprehensive data interpretation for selected boreholes. The methodological part concerned the description of the equipment for continuous measurements of cores in the field of natural gamma radioactivity (K, U, Th) with the application for bulk density measurements using the gamma-gamma method, X-ray fl uorescence spectrometers (XRF) for measuring the chemical composition of rocks and computed tomography (CT) for imaging of the core structure as well as determination of radiological density in Hounsfi eld units (HU). Rock studies were carried out on material representing formations of diff erent lithologies, such as shales, sandstones, limestones, dolomites, anhydrite, siltstones and heterolithic sandstone-siltstone-claystone complexes. The results of measurements made using individual methods have been described in detail and compared with the results of laboratory measurements and well logging data. Test measurements with data processing and interpretation were made on the cores from five boreholes (T-1, O-4, Pt-1, L-7, P-5H), whereas a comprehensive interpretation of the results was carried out for three other boreholes (J-1, P-4, T-2).

The new methodology of spectral gamma measurements made it possible to obtain precise concentrations of potassium, uranium and thorium in rocks with high and low radioactivity. The results made it possible to standardise the archival gamma-ray logs made with the Russian-type probes from imp/min to API standard units and to obtain data on the content of K, U, and Th in the core intervals. Using the Cs-137 source in the device for the gamma equipment made it possible to carry out measurements of the bulk density in g/cm3 units. The lithological interpretation based on XRF measurements and mineralogical-chemical models allowed to obtain logs with increased resolution and a more signifi cant number of minerals than was the case with the interpretation of the well logging. In addition, it has been shown that the XRF measurement methodology can be used during the geosteering procedure. The results of the core tests using the CT computed tomography method were presented in combined images and continuous curves of density in HU units.

The experience and the presentation of the full scope of measurement and interpretation workflow allowed to propose a procedure for conducting a full range of analyses, considering various types of material provided for research. The procedure considers the full range of analyses as well as the measurements of selected parameters depending on the client’s needs.

Keywords: petrophysics, core analyses, XRF spectrometry, computed tomography, gamma profiling, lithological interpretation
  

Cena egzemplarza: 60 zł netto (plus 5% VAT)

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.

 

TYTUŁ: Poprawa wczesnej wytrzymałości mechanicznej płaszcza cementowego z zaczynów lekkich / Improvement of the early mechanical strength of the cement coat with lightweight slurries

 

 

Autor: Marcin Kremieniewski

 

 

Recenzenci:
prof. dr hab. inż. Stanisław Stryczek
dr inż. Łukasz Kotwica

 

 

 

PN 227 600x400
ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-35-5
DOI: 10.18668/PN2019.227

Streszczenie


Efektywność uszczelnienia otworu wiertniczego jest w głównej mierze uzależniona od prawidłowo wykonanego zabiegu cementowania i odpowiednio zaprojektowanej receptury zaczynu cementowego. Jest to szczególnie istotne w przypadku zaczynów przeznaczonych do uszczelnienia kolumn rur okładzinowych posadowionych w rejonach niskiego ciśnienia złożowego lub w strefach chłonnych. Na przełomie ostatnich lat technologia cementowania nie uległa większym zmianom, jednak coraz większe wymagania dotyczące jakości uszczelnienia otworu wymusiły wprowadzanie innowacji w składach receptur zaczynów cementowych. Jest to widoczne w przypadku zaczynów o obniżonej gęstości, których stosowanie pozwala zmniejszyć wartość ciśnienia hydrostatycznego w czasie cementowania, dzięki czemu można zapobiec ucieczce cementu w strefy chłonne. Jednak opracowanie tego rodzaju zaczynu jest problematyczne ze względu na konieczność uzyskania wymaganej wytrzymałości po krótkim czasie wiązania. W początkowym okresie hydratacji płaszcz cementowy posiada niskie wartości parametrów mechanicznych i nabiera odpowiedniej wytrzymałości dopiero w późniejszym czasie wiązania. Obecnie widoczny jest trend do skracania czasu oczekiwania na pomiary geofizyczne po zatłoczeniu i związaniu cementu, co przede wszystkim dyktowane jest względami ekonomicznymi (skrócenie czasu oczekiwania na realizację kolejnych etapów wiercenia). Zbyt wczesne wykonanie pomiarów stanu zacementowania może skutkować uzyskaniem niemiarodajnego obrazu stanu zacementowania otworu. Ponadto płaszcz cementowy powstały z zaczynu lekkiego może ulec mikrodestrukcji podczas realizacji dalszych prac po cementowaniu, w efekcie czego mogą pojawić się mikroprzepływy mediów gazowych w przestrzeni pierścieniowej.
Przedstawione w niniejszej pracy receptury zaczynów lekkich o podwyższonej wczesnej wytrzymałości mechanicznej charakteryzują się wysoką wartością wytrzymałości na ściskanie w początkowym okresie hydratacji, co przyczynia się zarówno do poprawy efektywności uszczelniania, jak również do uzyskania faktycznego obrazu stanu zacementowania podczas pomiarów geofizycznych, co było kwestią dyskusyjną podczas stosowania dotychczasowych receptur.
W publikacji zaprezentowano wyniki badań nad poprawą i zwiększeniem wczesnej wytrzymałości mechanicznej płaszcza cementowego powstałego z lekkich zaczynów cementowych. W trakcie realizacji pracy wykorzystano zarówno dotychczas stosowane, jak i nowe dodatki i domieszki pozwalające na skrócenie czasu hydratacji zaczynu oraz na wzrost wczesnej wytrzymałości mechanicznej tworzącego się płaszcza cementowego. Badania czasu wiązania i wczesnej wytrzymałości mechanicznej otrzymanego stwardniałego zaczynu cementowego przeprowadzono dla zaczynów przeznaczonych do stosowania w określonych warunkach otworowych. Wykonano również badania parametrów świeżego zaczynu, które wpływają na efektywność uszczelniania kolumn rur okładzinowych. Opracowano grupę nowych receptur zaczynów lekkich, charakteryzujących się podwyższonymi wartościami wytrzymałości mechanicznej po krótkim czasie wiązania. Dzięki temu możliwe jest prowadzenie pomiarów geofizycznych po znacznie krótszym czasie niezbędnym do związania zaczynu, przy jednoczesnym utrzymaniu na wymaganym poziomie pozostałych parametrów technologicznych, co przyczynia się do poprawy stanu uszczelnienia otworu wiertniczego.


Słowa kluczowe
Cementowanie otworu wiertniczego, zaczyn cementowy, zaczyn lekki, wczesna wytrzymałość na ściskanie, parametry mechaniczne, pomiar stanu cementowania

Abstract

The effectiveness of sealing the borehole is mainly dependent on properly carried out cementing and a properly designed cement slurry recipe. This is particularly important in the case of slurries intended for sealing columns of casing pipes mounted in areas of low reservoir pressure or in absorbent zones. Cement technology hasn’t changed much in recent years, but the increasing demand for borehole seal quality has forced the introduction of continuous innovations in cement slurry recipes. This is visible in the case of slurries with reduced density, the use of which reduces the value of hydrostatic pressure during cementation, so that cement slurry can escape into absorbent zones. However, the development of this type of cement slurry is problematic due to the need to obtain the required compressive strength after a short setting time. In the initial hydration period, the cement sheath has low mechanical parameters and acquires adequate strength only at a later setting time. Currently, there is a trend to shorten the waiting time for geophysical measurements after cement slurry crowding and setting, which is primarily dictated by economic considerations (shortening the waiting time for subsequent drilling stages). Too early cement bond logging may result in not obtaining a reliable picture of the cement state of the borehole. In addition, the cement sheath resulting from lightweight cement slurry may undergo micro-destruction during the implementation of further works after cementing, the result of which may be the occurrence of micro-flows of gaseous media through the cement sheath.
The lightweight cement slurry recipes presented in the paper have an increased early mechanical strength and characterized by a high value of compressive strength in the initial hydration period, which contributes both to improving the sealing efficiency as well as to obtaining an actual picture of the cement state during geophysical measurements, which was a questionable issue when used existing recipes.
The publication presents the results of research on improving and increasing the early mechanical strength of a cement sheath formed from lightweight cement slurries. During the implementation of the work, both previously used and new additions and admixtures were used, which allowed to reduce the hydration time of the cement slurry and to increase the early mechanical strength of the cement sheath. Tests for setting time and early mechanical strength of the obtained hardened cement slurry were carried out for slurries intended for use in specific well conditions. Tests for fresh cement slurry parameters that affect the sealing efficiency of the casing pipe columns were also carried out. A group of new lightweight cement slurry recipes was developed, characterized by increased values of mechanical strength after a short setting time. Thanks to this, it is possible to conduct geophysical measurements after a much shorter time necessary to bind the cement slurry, while maintaining the required level of other technological parameters, which helps to improve the sealing condition of the borehole.


Keywords
Well cementing, cement slurry, lightweight cement slurry, early compressive strength, mechanical parameters, cement bond logging
  

Cena egzemplarza:60 zł netto (plus 5% VAT)

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.

 

 

 

 

 

 
 

TYTUŁ: Kinetyka reakcji cieczy kwasujących ze skałą dolomitową / Reaction kinetics of acidizing liquids with dolomite rock

 

 

Autor: Marek Czupski

 

 

Recenzenci:
Prof. dr hab. inż. Jolanta Grzechowiak-Milewska
Prof. dr hab. Krzysztof Labus

 

 

 

okladka 228 DRUK 500
ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-36-2
DOI: 10.18668/PN2020.228

Streszczenie


Jednym z głównych czynników mających wpływ na efektywność zabiegów kwasowania matrycowego, jak i szczelinowania kwasem jest szybkość reakcji płynu kwasującego ze skałą węglanową. Często zabiegi wykonywane przy użyciu cieczy kwasujących opartych na roztworach HCl kończą się niepowodzeniem ze względu na bardzo szybką reakcję tych cieczy z węglanami w wysokich temperaturach złożowych. Ciecz kwasująca nie penetruje wtedy odpowiednio głęboko w formację z utworzeniem otworów robaczkowych, a rozpuszcza tylko jej czoło, co skutkuje słabą efektywnością zabiegów.
Celem niniejszej pracy było określenie wpływu rodzaju cieczy kwasującej na przebieg reakcji ze skałą pochodzącą z poziomu cechsztyńskiego dolomitu głównego (Ca2). Założono również, że dzięki nowym żelowanym i emulgowanym cieczom kwasującym możliwe będzie zmniejszenie szybkości reakcji roztworów kwasu solnego z wymienioną wcześniej skałą złożową.
W ramach realizacji pracy wykonano badania stabilności emulsji typu kwas w ropie, a następnie testy reologiczne żelowanych i emulgowanych cieczy kwasujących. Badania kinetyki reakcji przeprowadzono na korkach rdzeniowych wyciętych ze skały pochodzącej z dolomitu głównego (Ca2), charakteryzujących się małymi wartościami współczynników przepuszczalności (0,03–0,14 mD) i porowatości (7,69–12,90%). Do wyznaczenia kinetyki reakcji trzech rodzajów cieczy kwasujących ze skałą złożową użyto aparatu wirujący dysk. Badania przeprowadzone na tym urządzeniu pozwoliły na określenie trzech następujących wielkości: współczynnika dyfuzji efektywnej (De), stałej szybkości reakcji (k) i rzędu reakcji (n). W części teoretycznej niniejszej publikacji opisano sposoby opóźniania szybkości reakcji cieczy kwasujących ze skałami węglanowymi. Omówiono również wpływ parametrów na szybkość reakcji cieczy kwasujących ze skałami złożowymi oraz metody wyznaczania współczynnika dyfuzji oraz szybkości reakcji. Szczegółowo opisano zastosowanie aparatu wirujący dysk do wyznaczania tych wielkości.
Badania wykazały, że wartości współczynnika dyfuzji efektywnej (De) rosną wraz z temperaturą i stężeniem kwasu solnego w zakresie od 5% do 15% oraz zależą również od rodzaju cieczy kwasującej. Największy wzrost jego wartości w analizowanym zakresie stężeń odnotowano dla roztworu HCl w temperaturze pomiarowej 30°C i wynosił on 7,10·10−8 cm2/s, natomiast najmniejszy – dla emulgowanych cieczy kwasujących w 40°C i był równy 9,20·10−10 cm2/s. Wartości tego współczynnika w przypadku żelowanych cieczy kwasujących w temperaturze 120°C są od 9- do 13-krotnie mniejsze, natomiast w przypadku emulgowanych cieczy kwasujących od 396- do 938-krotnie mniejsze w porównaniu do roztworów HCl. Z kolei wartości stałej szybkości reakcji dla emulsji kwasowych były o około rząd wielkości mniejsze niż dla żelowanych cieczy kwasujących i dwa rzędy wielkości mniejsze w porównaniu do roztworów HCl. Wszystkie wartości wyznaczonych rzędów reakcji zawierają się w zakresie pomiędzy 0 a 1, a więc typowym dla reakcji heterogenicznych. Emulgowane ciecze kwasujące – spośród cieczy poddanych badaniom – najbardziej efektywnie obniżają szybkość reakcji ze skałą dolomitową. Odbywa się to poprzez zmniejszenie szybkości transportu masy, jak i samej reakcji na powierzchni skały złożowej.
Ciecze te zostały z powodzeniem zastosowane w zabiegach kwasowania matrycowego w odwiertach zlokalizowanych w utworach dolomitu głównego. Zarówno w otworach ropnych, jak i gazowych osiągnięto wzrost produkcji z jednoczesnym spadkiem ciśnienia różnicowego, przy którym to wydobycie jest prowadzone.

 

Abstract

One of the main factors affecting the effectiveness of matrix acidizing treatment and acid fracturing is the reaction rate of acidizing fluid with carbonate rock. Often, treatments performed using acidizing liquids based on HCl solutions fail due to their very fast reaction with carbonates at high reservoir temperatures. The acidizing liquid does not penetrate deeply into the formation so as to create wormholes, but only dissolves its face, which results in poor treatment effectiveness.
The aim of this study was to determine the effect of the type of acidizing liquid on the rate of reaction with the rock of the Zechstein Main Dolomite (Ca2). It was also assumed that thanks to new gelled and emulsified acidizing liquids it would be possible to reduce the reaction rate of hydrochloric acid solutions with the reservoir rock mentioned earlier.
As part of the study, stability tests of acid-in-oil emulsions were performed, followed by rheological tests of gelled and emulsified acidizing liquids. Reaction kinetics studies were performed on core plugs cut from the Main Dolomite (Ca2) rock, characterized by low values of permeability coefficients (0.03 - 0.14 mD) and porosity (7.69 - 12.90%). A rotating disk apparatus was used to determine the kinetics of the reaction of reservoir rock with three types of acidizing liquids. Tests carried out on this device allowed the determination of the following three quantities: effective diffusion coefficient (De), reaction rate constant (k) and reaction order (n). Methods of reaction rate retardation of acidizing liquids with carbonate rocks were described in the theoretical part of this publication. Factors that affect reaction rate of acidizing liquids with reservoir rocks and the methods for determining the diffusion coefficient and reaction rate were also discussed. The use of a rotating disk apparatus for determining these quantities has been described in detail.
Studies have shown that the values of effective diffusion coefficient (De) increase with the temperature and concentration of hydrochloric acid in the range from 5% to 15%. Moreover, this effect depends on the type of acidizing liquid. The biggest increase in its value in the analyzed concentration range was noted for the HCl solution at the measuring temperature of 30°C, this being 7.10·10-8 cm2/s, while the smallest for emulsified acidizing liquids at 40°C was equal to 9.20·10-10 cm2/s. The values of this coefficient for gelled acidizing liquids at 120°C are from 9 to 13 times lower, while for emulsified acidizing liquids – from 396 to 938 times lower compared to HCl solutions. In turn, the reaction rate constant values for acidic emulsions were about an order of magnitude smaller than for gelled acidizing liquids and two orders of magnitude smaller compared to HCl solutions. All values of the determined orders of reaction are between 0 and 1, which is typical for heterogeneous reactions. Emulsified acidizing liquids, among all tested liquids, most effectively decrease the rate of reaction with dolomite rock. This came about due to reducing the rate of mass transport, as well as the effect of the reaction itself on the surface of the reservoir rock.
These liquids have been successfully used in matrix acidizing treatment in wells located in the Main Dolomite strata. Both in oil and gas wells, the application of these liquids have simultaneously enabled increased production and reduction of the differential pressure at which extraction is carried out.
  

Cena egzemplarza:60 zł netto (plus 5% VAT)

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.