SPE Distinguished Lecturer Program Программа выдающиеся лекторы SPE

Cement and Cementing:
An Old Technique With a Future?
Society of Petroleum Engineers Distinguished Lecturer Program
www.spe.org/dl
Цементный раствор и Цементирование:
Устаревший метод в будущем?
Общество инженеров-нефтяников Программа выдающиеся лекторы
www.spe.org/dl

Outline / Содержание
Cement
Cementing: a necessary evil?
Alternative isolation techniques
Today’s well challenges
Cement versatility
Well architecture tool for the future
Цементный раствор
Цементирование: необходимое зло?
Альтернативные методы изоляции
Проблемы современной скважины
Многостороннее использование цемента
Инструмент построения скважины будущего

Cement/ Цементный раствор
Material and Regulations
Материал и нормативы

Portland Cement
Портландцемент
Hydraulic binder Гидравлическое вяжущее вещество
Suspension (paste or
slurry) for placement Суспензия (пастообразная масса или жидкий цементный раствор) для размещения
Controllable setting Контролируемое схватывание
Solid / Твердое вещество
Strong / Густое
Impermeable / Непроницаемое
Inexpensive / Недорогое
Available everywhere Имеется повсюду

History of Oilfield Cement
История развития промыслового цемента
Before our era
Clay, lime Ca(OH)2 + CO2 ? CaCO3
Roman times
Pozzolanic cements
1824: Portland cement
Selected raw materials
1903: Portland cement in oil wells
1917: “Oilfield” cements
До нашей эры
Глина, известь
Ca(OH)2 + CO2 ? CaCO3
Эпоха римской империи
Пуццолановый цемент
1824 г.: Портландцемент
Отобранные сырьевые материалы
1903 г.: Использование портландцемента в нефтяных скважинах
1917 г.: “Промысловые” цементные растворы

History of Oilfield Cement
История развития промыслового цемента
Создание API 20 марта 1919 г.
1940 г.: Типы ASTM от 1 до 5
1948 г.: выпущен API Код 32
Стал API RP10B в 52
1952 г.: 6 классов цемента
1953 г.: API Std 10A
API Spec 10A в 72
ISO 10426 с 2000 г.
API created 20 Mar 1919
1940: ASTM Types 1 to 5
1948: API Code 32 released
Became API RP10B in 52
1952: 6 classes of cement
1953: API Std 10A
API Spec 10A in 72
ISO 10426 since 2000

Cement Types
Типы цементных растворов
Construction cements
Common cement
API classes A, B, C
Retarded cements
Deeper wells
Classes D, E, F
Pressurized consistometer
Cementing companies
Abandoned early 80s
Строительный цемент
Обычный цемент
API классы A, B, C
Цемент с замедленным сроком схватывания
Более глубокие скважины
Классы D, E, F
Консистомер для замеров под давлением
Компании, занимающиеся цементированием
Ликвидирован в начале 80-х

Типы цементных растворов
Простой портландцемент
Классы G, H
Контроль качества, воспроизводимость
Более универсальный
Цемент класса J
Замещается G/H + кремний
Шлаковый цемент
~80-е сопротивление соляному раствору
~90-е совместимость с буровым раствором
Прочие
Plain Portland cement
Classes G, H
Quality control, reproducibility
More universal
Class J cement
Replaced by G/H + Silica
Slag cement
~80s Brine resistance
~90s Mud compatibility
Others

Use of Cement
Использование цемента
USA
~ 80% class H and G
~ 10% class A, ~ 10% Class C
Rest of the world (international service companies)
>95% class G (often imported)
Class A or C; or local common cement: preferentially Type V (ASTM), or CEM-I 42.5 or 52.5 (EN 197-1)
Logistics allowing
If good and even quality
If adequate quality control
США
~ 80% классы H и G
~ 10% класс A, ~ 10% Класс C
В других странах (международные сервисные компании)
>95% класс G (часто импортируется)
Класс A или C; или местный обычный цемент : предпочтительно типа V (ASTM), или CEM-I 42.5 или 52.5 (EN 197-1)
Учет логистики
При хорошем или умеренном качестве
При соответствующем контроле качества

From API to ISO (since 1998)
от API до ISO (c 1998 г.)
API Committee 10
ISO TC 67 /SC 3/WG 2
ISO 10426 – well cements
ISO 10426-1 (ANSI/API 10A) - specification
ISO 10426-2 (ANSI/API RP 10B-2) - testing
ISO 10426-3 (ANSI/API RP 10B-3) – deepwater wells
ISO 10426-4 (ANSI/API RP 10B-4) - foam cement
ISO 10426-5 (ANSI/API RP 10B-5) – shrinkage/expansion
ISO 10426-6 (ANSI/API RP 10B-6) – static gel strength
Other work groups:
Evaluation (logs), High Temperature, Deepwater…
API Комитет 10
ISO TC 67 /SC 3/WG 2
ISO 10426 – тампонажные цементы
ISO 10426-1 (ANSI/API 10A) - спецификация
ISO 10426-2 (ANSI/API RP 10B-2) - тестирование
ISO 10426-3 (ANSI/API RP 10B-3) – глубоководные скважины
ISO 10426-4 (ANSI/API RP 10B-4) - пеноцемент
ISO 10426-5 (ANSI/API RP 10B-5) – усадка/расширение
ISO 10426-6 (ANSI/API RP 10B-6) – статическое напряжение сдвига
Другие рабочие группы:
Оценка (каротаж), высокая температура, глубоководные…

Cementing: A Necessary Evil?
Цементирование: необходимое зло?
Evolution of Equipment and Technology,
and an Outline of Their Shortcomings
Эволюция оборудования и технологии,
и обзор недостатков

Technology Older Than a Century
Технология старее века
First well cementing ~ 1903
Perkins Oil Well Cementing Co., Calif.
Shovel/cement mixer
Первое цементирование скважины ~ 1903
Компания Perkins Oil Well Cementing Co., Калифорния.
Лопаточный/цементный миксер
First use of an eductor
Jet mixer invented 1921
“High pressure” mixing
In use till the 1970s
Still used by some
Gravity cement feed
Первое применение эдуктора
Изобретение гидросмесителя в 1921 г.
Смешение при “высоком давлении”
Использовался до 1970-х
Кто-то до сих пор его использует
Подача цемента самотеком

Primary Cementing Objectives
Главные задачи цементирования
Casing anchor (axial support)
Protection against corrosion and erosion
Support of borehole walls
Zonal isolation
Hole Скважина
Casing
Обсадная колонна
Cement
цемент
Якорь обсадной колонны (осевая опора)
Защита от коррозии и эрозии
Опора внутрискважинных стенок
Разобщение пластов

Unsuccessful Zonal Isolation
Неудачное разобщение пластов
Risk to HSE
Опасность ОТБОС
ACP/SCP
Remedial work
Исправительные работы
Early water prodn
Ранняя обводненность
Loss of prodn
Снижение продуктивности
Interzonal fluid flow
Межпластовое движение флюида
NPV
ЧДД

Cementing Process at Surface
Процесс цементирования на поверхности
Раствор
Slurry
Homogenizing/
Control
Гомогенизация/
контроль
Pumping
Закачка
Well
Скважина
Dosing &
Mixing
Дозирование
и смешение
Dry Additives
Сухие добавки
Cement
Цемент
Bulk Blend
Смешение
цементной
насыпи

Handling Dry Cement / Работа с сухим цементом
From cutting sacks to pneumatic handling От упаковки в мешки до пневматической транспортировки
Storage / Хранение
Transport / Транспортировка
Blending/ Смешивание
Typical problems / проблемы
Contamination/ Загрязнение
Humidity (air)/ Влажность (воздух)
Deliverability/ Фильтрационные
свойства
Homogeneity/ Однородность
Fully automated blender/ Полностью автоматизированный блендер

Control of Mixing
Контроль процесса приготовления цементной смеси
Density Control
Контроль плотности

Cement Quality = Slurry Performance
Качество цемента = Характеристики цементного раствора
W/C ratio; extender; weighting agent Отношение вода/цемент; наполнитель; утяжелитель
Fluid loss agent
Понизитель фильтрации
Anti-settling agent
Противоосаждающее вещество
Dispersant / viscosifier
Дисперсант/ загуститель
Retarder/accelerator
Замедлитель/ ускоритель
Viscosity
Вязкость
Gelation
Загустевание
Pump time
Время закачки
Free fluid
Свободный флюид
Dehydration
Дегидрация
Stability
Стойкость
Early strength
Быстрое затвердевание
Density Плотность

Cementing Additives Key Milestones
Ключевые моменты в истории разработки цементных добавок
Lignosulphonates and cellulosics
Sugars and superplasticizing agents (~ 1960s)
Polyamine/imine ( ~1970s)
SB Latex ( ~ 1980s)
Co/ter-polymers AMPS (~ 1980s)
Temperature stability
Biopolymers (~ 1990s)
Not based on Xanthan gum
Environmentally friendly additives (end 1990s)
OSPAR (OSlo-PARis) convention 1998
Лигносульфонаты и целлюлозные полимеры
Сахара и суперпластификаторы (~ 1960-е)
Полиамины/имины ( ~1970-е)
SB латекс ( ~ 1980-е)
Со/три-полимеры AMPS (~ 1980-е)
Теплоустойчивость
Биополимеры (~ 1990-е)
Не на основе ксантановой смолы
Экологические чистые добавки (конец 1990-х)
Конвенция ОСПАР (ОСло-ПАРижs) 1998 г.

Cementing Process Downhole
Процесс цементирования внутри скважины
Failures identified 30-40s
Field practices
Turbulent displacement
High Reynolds ~50s
10 min contact ~60s
SloFlo / Plug Flow ~70s
Fluid with yield stress
Дефекты, выявленные в 30-40-е
Промысловые технологии
Турбулентное замещение
Большое число Рейнольдса ~50е
10-ти мин. контакт ~60е
SloFlo / Пробковый режим ~70е
Флюид с пределом текучести

Исследования процесса вытеснения
Флюиды предела текучести ~конец 60-х
Коэффициент подвижности /разность скоростей~70-е
“Закачивайте как можно быстрее”
Все полуэмпирические
Крайне противоречивые резултаты
Даже по вертикальным скважинам
Displacement studies
Yield stress fluids ~end 60s
Mobility ratio/differential velocity ~70s
“Pump as fast as you can”
All semi-empirical
Very mixed results
Even in vertical wells
Cementing Process Downhole
Процесс цементирования внутри скважины

Mud Removal Modeling
Моделирование процесса вытеснения бурового раствора
More complex wells
Deviated, horizontal & extended reach
Более сложные скважины
Наклонно-направленные, горизонтальные и с большим отходом от вертикали
More critical wells
Deepwater, high-pressure high-temperature
Более критичные скважины
Глубоководные, с высоким давлением, высокой температурой
Importance for Zonal Isolation
Very difficult modeling
Computational Fluid Dynamics (CFD) tools not applicable
Важность для разобщения пластов
Крайне сложное моделирование
Приборы для вычисления динамики флюида (CFD) не применимы

Mud Removal Modeling
Моделирование процесса вытеснения бурового раствора
Eccentricity effects
Modeling ~ end 80s
Turbulent/Effective Laminar Flow
Rheology/Density contrast
Эффекты эксцентриситета
Моделирование ~ конец 80-х
Турбулентный/ эффективный ламинарный поток
Сопоставление реологии /плотности
Erodability / PDGM concept
Polymer muds
Концепция эродируемости / PDGM
Полимерные буровые растворы
Numerical 2D Modeling (2002)
Числовое 2D моделирование (2002 г.)
Lubrication analytical model (2003)
Расчетная модель смазки (2003 г.)

Mud Removal Modeling
Моделирование процесса вытеснения бурового раствора

Mud Displacement Simulation
Имитация процесса вытеснения бурового раствора
CFD fluid /fluid displacement in eccentered geometries
Вычислительная гидродинамика флюида /вытеснение флюида в эксцентрических сетках модели

Cement Evaluation Logs
Диаграммы качества цемента
Sonic logs
CBL ~60s
Compensated CBL ~80s
Segmented Compensated
Акустический каротаж
Акустический цементомер (CBL) ~60-еs
Компенсированный акустический цементомер ~80-е
Сегментированный компенсированный
Ultrasonic logs
8 sensors ~80s
1 rotating sensor ~90s
Ультразвуковой каротаж
8 датчиков ~80-е
1 вращающийся датчик ~90-е

Cement Evaluation Logs
Диаграммы качества цемента
Limitation of cement logs
Strength or Impedance ~80s
Microannulus/Isolation???
Microdebonding ~mid-90 s
Casing interface exclusively
Ограничения диаграмм акустического цементомера
Прочность или сопротивляемость ~80-е
Микро зазоры между обсадной колонной и цементным камнем / Изоляция???
Микро нарушения сцепления ~середина 90-х
Поверхность обсадной колонны исключительно

Cement Evaluation Logs
Диаграммы качества цемента
Flexural Attenuation (2006)
1 + 3 sensors
Full cemented annulus width
3rd interface
Differentiate lightweight cements from liquids
Confirm hydraulic isolation
Visualize casing in borehole
Флексурное затухание 2006
1 + 3 датчика
Затрубное пространство, зацементированной по всей ширине
3-я поверхность
Отличие облегченного цемента от жидкостей
Подтверждение гидравлической изоляции hydraulic isolation
Визуализация обсадной колонны внутри скважины

Cement Evaluation Logs
Диаграммы качества цемента
Акустический каротаж
Акустический цементомер (CBL) ~60-еs
Компенсированный акустический цементомер ~80-е
Сегментированный компенсированный
Ультразвуковой каротаж
8 датчиков ~80-е
1 вращающийся датчик ~90-е
Ограничения диаграмм акустического цементомера
Прочность или сопротивляемость ~80-е
Микро зазоры между обсадной колонной и цементным камнем / Изоляция???
Микро нарушения сцепления ~середина 90-х
Поверхность обсадной колонны исключительно
Флексурное затухание (2006 г.)
1 + 3 датчика
Затрубное пространство, зацементированной по всей ширине
3-я поверхность
Отличие облегченного цемента от жидкостей
Подтверждение гидравлической изоляции hydraulic isolation
Визуализация обсадной колонны внутри скважины

Alternative Isolation Techniques
Альтернативные методы изоляции
Other Fluids and Mechanical Means
Прочие флюиды и средства механизации

Organic Resins
Органические смолы
Very limited applications
Cost
Shelf-life
Sensitivity
Health, safety, and environment
Compatibility (water, mud…)
Placement
…
Крайне ограниченное применение
Затраты
Срок годности
Чувствительность
Охрана труда, техника безопасности и охрана окружающей среды
Совместимость (с водой, буровым раствором…)
Размещение
…

Mechanical Systems / Механические системы
Complementary to cement
Casing drilling, expandable casing (EC)
Swellable elastomer layer
Дополнительно к цементу
Бурение на обсадных трубах, расширяющаяся обсадная колонна (EC)
Слой набухающего эластомера
Exclusive of cement
EC/ Casing with (oil or water) swellable packer
Another form of completion
May still require cement for most other casings
Без цемента
EC/Обсадная колонна с (нефть или вода) разбухающим пакером
Другая форма заканчивания
Цемент может потребоваться для большинства других обсадных колонн

Today’s Well Challenges and Versatility of Cement
Современные проблемы скважин и эксплуатационная гибкость цемента

New Reservoir Isolation Challenges
Новые проблемы изоляции пластов
Aging and depleting fields
Completions at lower pressures
Steam injection, stimulation
Workovers and repairs
Plugging and abandonment
Exploration and new developments
Isolation under higher pressure and temperature
Very narrow pore/frac pressures margin
In deeper water and at colder temperatures
Старые и истощающиеся месторождения
Заканчивания при более низких давлениях
Закачка пара, интенсификация притока
Капитальный ремонт и текущие
ремонтные работы
Закрытие и ликвидация
Разведка и новые разработки
Изоляция при более высоком давлении и температуре
Малая разность между поровым давлением и давлением гидроразрыва
В глубоких водах и при более низких температурах

Need for Ultra-Low Density
Необходимость сверхнизкой плотности
Conventional Cement Slurries
Directly linked to W/C ratio
Slurry
Very low rheology
Stability
Set cement
Very low strength, high permeability, very long setting times
Обычные цементные растворы
Напрямую связан с водоцементым отношением
Раствор
Крайне низкая реология
Устойчивость
Затвердевший цемент
Крайне низкая прочность, высокая проницаемость, продолжительное время схватывания

Need for Ultra-Low Density
Необходимость сверхнизкой плотности
High performance /high solid cements
Adapted from concrete industry
Same water/solid ratio at all densities
From 900 to 2800 kg/m3
Similar rheology
High strength, low permeability
Высококачественный/крайне твердый цемент
Заимствован из цементной промышленности
Одинаковое значение водотвердового отношения при любой плотности
От 900 до 2800 кг/м3
Сходная реология
Высокая прочность, низкая проницаемость

Slurry Quality Control?
Контроль качества цемента
Solid Fraction Monitoring
Мониторинг твердой фракции

Well Architecture and Logistics
Построение скважины и логистика
Lighter isolation-quality cements
Цементы, обладающие качеством более легкой изоляции
Depleted reservoirs
Истощенные коллекторы
Single-stage cementing
Одноступенчатое цементирование
Production liner instead of casing
Эксплуатационный хвостовик вместо обсадной колонны
Light cements that set faster at low temperatures
Облегченные цементы, быстро схватываются при низких температурах
Deepwater conductors,
surface casings…
Глубоководные направляющие колонны,
кондукторные колонны…

Is Isolation Durable?
Является ли изоляция устойчивой?
Cement is strong, but fragile
Цемент твердый, но хрупкий
Understanding failures
Понимание дефектов
P or T increases
P или T увеличиваются
Drilling, milling, repairs
Бурение, измельчение, ремонт
P or T decreases
P или T снижаются
Modeling capability
Моделирующая способность
Parameter sensitivity
Чувствительность параметров

Casing – Cement
Обсадная колонна - Цемент
Casing
Обсадная колонна

Casing-Cement-Formation
Обсадная колонна-Цемент-Пласт
Cement
Цемент
Casing
Обсадная колонна

Mechanical Properties
Механический свойства
Axial Load F
Осевое усилие F
Confining
Stress C = 0
Ограничивающее напряжение
C=0
axial strain (compression)
axial stress
(compression)
strength
Compressive Strength
Предел прочности при сжатии
Young's modulus, E
(ratio of stress to strain)
Модуль Юнга, E
(отношение напряжения к деформации)
Poisson's ratio, ν
(ratio of lateral strain to axial strain)
Коэффициент Пуассона, ν
(отношение поперечной деформации к продольной деформации)
Tensile strength
Предел прочности на разрыв
“Optimized” Mechanical Properties
«Оптимизированные» механические свойства

Isolation Made Durable / Длительная изоляция
Controlled flexibility and expansion
Isolation maintained during P, T changes
From construction to abandonment
Контролируемые гибкость и расширение
Изоляция сохраняется при изменениях P и Т
От строительства до ликвидации

A Tool in Well Architecture
Инструмент, используемый при построении скважины
Summary
Выводы

Cement in the Past
Цемент в прошлом
A necessary evil?
Commodity?
Необходимое зло?
Полезный продукт?

Cementing Today
Цементирование сегодня
Solutions portfolio
Портфель решений
Not only slurry performance
Не только характеристики цементного раствора
Set material properties
Установленные свойства материала
Short/long-term well requirements
Кратко/долгосрочные требования к скважине
Modeling tools
Средства моделирования
Fit-for-purpose,
cost-effective system
Целевая, экономически эффективная система
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Early strength
Начальная прочность
Final strength
Прочность цемента
При окончательном
схватывании
Permeability
Проницаемость
Shrinkage
Усадка
Bonding
Схватывание
Flexibility
Упругость
Durability
Срок службы
Toughness
Прочность

Cementing Tomorrow: A Technology for the Future Цементирование завтрашнего дня:
Технология будущего
Evolving cement industry
Still considerable academic research
CO2 emissions
Important engineering development
Развивающаяся цементная промышленность
До сих пор проводятся научные исследования
Выбросы CO2
Важные технологические разработки

Cementing Tomorrow: A Technology for the Future Цементирование завтрашнего дня:
Технология будущего
Oilfield cementing industry
More tools in the toolbox
Materials, simulators
Adapt to tomorrow’s well requirements
A true well engineering technology
Нефтепромысловая цементная промышленность
Больше инструментов в наборе
Материалы, симуляторы
Приспособление к требованиям по скважинам завтрашнего дня
Истинная технология проектирования скважины

Cementing Tomorrow: A Technology for the Future Цементирование завтрашнего дня:
Технология будущего
Oilwell cementing has evolved considerably
Oilwell cementing will continue to quickly adapt
New cements from cement manufacturers
New tools from cementing service industry
Physically active, chemically re-active or inert materials
Process design/simulation means
A true well engineering technology
An interesting future
Integrated in well design & construction process
Процесс цементирования нефтяных скважин претерпел существенное развитие
Процесс цементирования нефтяных скважин будет и впредь быстро адаптироваться
Появятся новые цементы от производителей цементных материалов
Индустрия цементных услуг предложит новые инструменты
Физически активные, химически реактивные или инертные материалы
Средства проектирования/ моделирования процесса
Истинная технология проектирования скважины
Интересное будущее
Интегрирование в процесс проектирования и строительства скважины

Thank you for your attention
Спасибо за внимание