Gemischtes Micromax und Hämatit

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 8669 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Gewöhnlicher Portlandzement (OPC) hat verschiedene Umwelt- und technische Probleme mit sich gebracht. Die Forscher versuchten, dem Zement entweder neue Materialien hinzuzufügen oder Alternativen für technische und ökologische Herausforderungen zu entwickeln. Hämatit wird als Beschwerungsmittel verwendet, um die Dichte der Zementschlämme zu erhöhen. Die Sedimentation schwerer Partikel in Zement- und Geopolymerschlämmen ist ein ernstes Problem, das zu heterogenen Eigenschaften entlang des zementierten Abschnitts führt. Diese Arbeit stellt eine neue Klasse von Geopolymeren vor, die sowohl Hämatit als auch Micromax als Beschwerungsmaterialien für Bohrlochzementierungsanwendungen mit hoher Dichte verwenden. Das erste System verwendete nur Hämatit, während das andere System sowohl Hämatit als auch Micromax verwendete. Das Hauptziel bei der Verwendung von Micromax mit Hämatit besteht darin, die Möglichkeit zu prüfen, das mit Hämatit in Geopolymeren verbundene Sedimentationsproblem zu beseitigen. Darüber hinaus wurden auch die Auswirkungen der Zugabe von Micromax auf verschiedene FFA-Geopolymereigenschaften bewertet. Um die Eindickzeiten der entwickelten Geopolymersysteme zu erhöhen, wurden verschiedene Mischungen aus Verzögerer, Verzögererverstärker und Fließmittel eingebracht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Zugabe von Micromax zu Hämatit die durchschnittliche Dichteschwankung von 12,5 % auf fast 3,9 % verringerte. Der Zusatz von Micromax reduzierte die Kunststoffviskosität um 44,5 % und den Flüssigkeitsverlust um 10,5 %. Beide Systeme wiesen hinsichtlich Festigkeit, elastischen Eigenschaften und Durchlässigkeit eine ähnliche Leistung auf. Die Eindickzeit betrug 390 Minuten für das Hämatitsystem und 300 Minuten für das Mischsystem unter Verwendung der vorgeschlagenen Additivmischungen.

OPC bringt einige technische und ökologische Herausforderungen mit sich, wie z. B. hohe Treibhausgasemissionen, und verbraucht bei seiner Herstellung enorm viel Energie. Diese Bedenken veranlassten die Forscher, nach alternativen Materialien zu suchen, um die technischen Herausforderungen zu bewältigen und umweltfreundliche Zementsysteme bereitzustellen. Aus der Literatur geht klar hervor, dass einige Forscher in die Richtung gingen, dem OPC neue Materialien hinzuzufügen, um seine Eigenschaften zu verbessern1,2,3,4,5,6,7. Andere Forscher versuchten, neue Alternativen zu OPC zu finden, die umweltfreundlicher sein können und die technischen Nachteile von OPC überwinden können, beispielsweise Geopolymere8,9,10,11,12,13.

Derzeit ist ein kostengünstiger und umweltfreundlicher Stoff entstanden, der mit OPC vergleichbare Eigenschaften aufweist; Dieser Stoff wird als Geopolymer bezeichnet. Seine Rohstoffe sind geologischen Ursprungs und die Geopolymerbildung erfolgt über anorganische Polymerisation und Kondensation, weshalb sie auch als geologische Polymere14 bezeichnet werden. Prof. J. Davidovits prägte 1978 den Begriff Geopolymer und beschrieb ihn als eine grüne zementartige Substanz, die frei von Zement ist. Da es eine 3D-Struktur aus vernetzten Polysialatketten enthält, galten diese früher als Sonderfall von Bodenzementen und wurden als Geozemente bezeichnet15. Geopolymere können aus natürlichen Stoffen und/oder Abfallstoffen als Ausgangsmaterialien gebildet werden, die durch Alkali oder Säuren aktiviert werden16. Die Geopolymerproduktion ist sauberer und die Ausgangsmaterialien verbrauchen im Vergleich zu OPC17,18,19,20 nicht so viel Energie. Das Si und Al in den Aluminosilikatsubstanzen lösen sich nach dem Kontakt mit den Alkalilösungen auf, wodurch Monomere und Oligomere durch Polykondensation eine 3D-Struktur bilden, die als Polysialat, Polysialte-Siloxo und Polysialat-Disiloxo bezeichnet wird21,22.

Die Zementaufschlämmung wird in Abhängigkeit von den bestehenden Bohrlochbedingungen in Bezug auf Druck und Temperatur sowie der Art der Zementaufgabe konzipiert. Die meisten Untersuchungen wurden nicht nur auf der Suche nach einer Alternative zu OPC aufgrund seiner Umweltbedenken bei der Produktion durchgeführt, sondern vor allem auch auf der Bestätigung, ob die Nachteile von OPC durch Geopolymere gemildert werden können. In der Literatur wurden vier Hauptforschungsthemen untersucht: Anwendungen in rauen Umgebungen, Anwendung in P&A, Kompatibilität mit Schlamm und Temperatureinflüsse10,23,24,25,26,27,28.

In der Erdölindustrie stellt das Bohren von Hochdruck-Hochtemperatur-Bohrlöchern (HPHT) eine neue Herausforderung dar. Die Explorations- und Produktionsindustrie sucht nach neuen Ressourcen, um den weltweit steigenden Energiebedarf zu decken. Einige dieser Ressourcen liegen tiefer in der Erdkruste. Über die Hälfte der bekannten Erdölreserven in den USA befinden sich unterhalb von 14.000 Fuß unter dem Meeresspiegel. HPHT-Bedingungen werden auftreten, wenn wir weiter in die Schichten vordringen. Infolgedessen sind Unternehmen verpflichtet, eine Vielzahl technischer Auflagen sowie Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheitsvorschriften einzuhalten oder zu übertreffen29. Der Zementierungsvorgang in HPHT-Bohrlöchern stellt aufgrund der physikalischen und chemischen Veränderungen unter hohen Drücken und Temperaturen besondere Herausforderungen dar. Diese rauen Bedingungen können nicht nur beim Einsetzen, sondern auch nach dem Aushärten des Zements zu Herausforderungen führen30,31. Eine Verringerung des Wassergehalts ist der einfachste Weg, die Gülledichte zu erhöhen32. Das amerikanische Erdölinstitut (API) empfiehlt jedoch ein Wasser-Zement-Verhältnis von 0,44 für die Primärzementierung (API, 2019). Die Reduzierung des Wassergehalts bringt Herausforderungen mit sich, wie z. B. das Erreichen einer ausreichenden Kontrolle des Flüssigkeitsverlusts, eine geeignete Rheologie und das Vermeiden eines Absetzens der Feststoffpartikel33. Aufgrund unkontrollierbarer Flüssigkeitsverluste kommt es zu Schlammbrückenbildung. Das Absetzen fester Partikel führt zu einer ungleichmäßigen Druckfestigkeit und Bindung entlang der Länge des zementierten Abschnitts34.

Um eine höhere Dichte zu erreichen, ist daher der Einsatz von Beschwerungsmaterialien erforderlich. Der Einsatz von Beschwerungsmaterialien im Geopolymer-Forschungsgebiet für die Öl- und Gasindustrie ist relativ neu. Bei diesen Versuchen wurde Baryt verwendet, um seine Auswirkungen auf die Druckfestigkeit und die Verdickungszeit zu untersuchen. Kanesan et al.35 haben die Verdickungszeit des FA-Geopolymers auf Barytbasis bei 140℉ und 2000 psi unter Verwendung einer Kombination aus 8 M NaOH-Lösung und Na2SiO3 gemessen. Die Autoren erwähnten, dass der Verzögerereffekt bei Aufschlämmungen mit niedriger und mittlerer Dichte groß sei, sich jedoch nur geringfügig auf die Eindickungszeit von Aufschlämmungen mit hoher Dichte auswirkte. Salehi et al.36 untersuchten den Einfluss der Zugabe von 15 % BWOC-Baryt auf die Druckfestigkeit von FA-Geopolymeren. Baryt verbesserte die Festigkeit bis zu 7 Tage nach der Aushärtung und konnte die Festigkeit nach 7 Tagen nicht mehr steigern. Aus der Literatur geht klar hervor, dass nur wenige Versuche mit Baryt mit Geopolymeren für Bohrlochzementierungsanwendungen durchgeführt wurden. Die großen Partikel der Beschwerungsmittel können zur Sedimentation der Partikel führen37. Das Sedimentationsproblem in Schlämmen führt zu einer heterogenen Zementsäule, die sich nicht positiv auf die Festigkeit und die Zonenisolierung auswirkt34. Abdelaal et al.38 führten eine neue schwere Flugasche-Geopolymerformulierung ein, die Hämatit als Beschwerungsmittel verwendete. Obwohl diese Formulierung ein Geopolymersystem mit akzeptierten Zementeigenschaften lieferte, wurde das Problem der Sedimentation in dieser Studie nicht untersucht.

Die Geopolymertechnologie befindet sich in der Erdölindustrie immer noch in der Entwicklung und wurde bisher noch nicht in vollem Umfang bei der Bohrlochzementierung eingesetzt. Die Bereitstellung von Geopolymerzementsystemen mittlerer bis hoher Dichte unter Verwendung verschiedener Beschwerungsmaterialien wird in der Literatur selten untersucht. Diese Studie stellt die erste Verwendung von Micromax in Geopolymerschlämmen für die Zementierung von Ölquellen vor. Das erste Ziel dieser Arbeit war die Erzeugung fließfähiger, schwerer Geopolymerformulierungen mit geeigneter Rheologie und geeigneter Verdickungszeit. Das zweite Ziel bestand darin, das mit dem Geopolymer auf Hämatitbasis verbundene Sedimentationsproblem durch die Einführung einer Mischung aus Micromax und Hämatit zu lösen. Die Sedimentation der Beschwerungsmaterialien wurde mit der API-Methode untersucht. Darüber hinaus wurden auch verschiedene Eigenschaften wie rheologische Eigenschaften, Filtratverlust, Festigkeit (Druck und Zug), Permeabilität und elastische Eigenschaften für Micromax- und Hämatit-Geopolymersysteme auf Hämatitbasis und gemischte Systeme bewertet.

Die in dieser Arbeit verwendeten Materialien waren Flugasche der Klasse F als Ausgangsmaterial, Hämatit und Micromax als Beschwerungsmaterialien, 4M NaOH-Lösung als Aktivator sowie andere Additive, die verwendet wurden, um die Eigenschaften des Geopolymers zu verbessern und es unter Bohrlochbedingungen fließfähig zu machen. Die Additive umfassten Verzögerer, Verzögererverstärker, Verformer und Fließmittel. Die spezifischen Gewichte (SG) der verwendeten Materialien sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Partikelgrößenverteilungen (PSD) wurden mit dem Laserbeugungs-Partikelgrößenanalysator ermittelt, wie in Abb. 1 gezeigt und in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Ergebnisse zeigten, dass der Median Die Größe von FFA, Hämatit und Micromax betrug 19,35, 21,54 bzw. 1,98 µm.

PSD-Ergebnisse der Klasse F FA, Hämatit und Micromax.

Die Abbildungen 2 und 3 zeigen die in dieser Arbeit verwendete Elementzusammensetzung von Hämatit und Micromax, ermittelt durch Röntgenfluoreszenz (RFA). Die XRF-Ergebnisse bestätigen, dass Hämatit einen hohen Eisengehalt aufweist (etwa 95 %), und die Röntgenbeugung (XRD) zeigte, dass es 100 % Hämatit enthielt. RFA zeigte auch, dass FFA beträchtliche Mengen an Siliciumdioxid (SiO2) und Aluminiumoxid (Al2O3) aufwies, wie in Tabelle 2 aufgeführt, die eine entscheidende Rolle bei der Geopolymerbildung spielen. Die Ergebnisse des Rasterelektronenmikroskops (REM), wie in Abb. 4 dargestellt, zeigen, dass FFA- und Micromax-Partikel eher Kugeln ähneln und Hämatitpartikel unregelmäßige Formen aufweisen.

RFA-Elementarzusammensetzung von Hämatit (a) und XRD der Probe (b).

RFA-Elementarzusammensetzung von Micromax (a) und XRD von Micromax (b).

REM-Bilder für FFA (a), Hämatit (b) und Micromax (c).

In diesem Teil werden die Methoden zur Durchführung dieser Arbeit erläutert. Es begann mit der Sammlung, Charakterisierung und Vorbereitung von Materialien. Anschließend wurden die Bestandteile der Aufschlämmung anhand der Mischbarkeit, Pumpbarkeit und Rheologie bestimmt. Anschließend wurden die ausgehärteten Geopolymerproben auf mechanische und elastische Eigenschaften untersucht. Abbildung 5 fasst die in dieser Studie angewandte Methodik zusammen.

Die Zusammenfassung der Methoden in dieser Studie.

Natriumhydroxidlösung wurde durch Auflösen der Pellets in destilliertem Wasser unter Verwendung eines Magnetrührers hergestellt. Dann ließ man es vor dem Experiment mindestens 24 Stunden lang auf Atmosphärentemperatur abkühlen. Das spezifische Gewicht der Pulver wurde geschätzt, um die erforderlichen Mengen zum Erreichen der erforderlichen Dichte zu bestimmen. Der FFA wurde unter 104 μm gesiebt und dann durch PSD bestätigt. Zur Herstellung einer Geopolymeraufschlämmung können zwei unterschiedliche Verfahren (nass und trocken) angewendet werden36. Im Nassverfahren werden ein Fließmittel und/oder ein Verzögerer mit der Aktivierungslösung 2 Minuten lang bei hoher Scherrate (12.000 U/min) unter Verwendung eines Mischers mit konstanter Geschwindigkeit gemischt. Anschließend wird ein Bindemittel wie FFA zugegeben und weitere 2 Minuten bei hoher Scherrate mit der vorgemischten Lösung vermischt. Zur Herstellung einer Probe im Trockenverfahren wird Natriumhydroxidpulver mit der gewünschten Menge Natriumsilikat vermischt und zwei Stunden lang abkühlen gelassen. Anschließend wird die gewünschte Menge Wasser mit einem geeigneten Weichmacher vermischt und anschließend Flugasche zugegeben. Zum Schluss wird eine Mischung aus Wasserlösung und Alkalilösung gemischt.

Es wurden verschiedene Versuche durchgeführt, um eine erste fließfähige Aufschlämmungsformulierung zu erhalten, die sich leicht mischen lässt. Es wurden verschiedene Parameter wie die NaOH-Molarität (4, 6, 8 und 10 M), das Flüssigkeits-zu-Bindemittel-Verhältnis (0,5 bis 0,8) und die Menge des Beschwerungsmaterials getestet. Darüber hinaus wurden mehrere Additive mit unterschiedlichen Konzentrationen getestet, wie z. B. Verzögerer, Verzögererverstärker und Fließmittel, um die Verarbeitbarkeit der Schlämme zu verbessern. Das Mischungsdesign begann mit der Prüfung der Mischbarkeit, der Verdickungszeit und der Rheologie. Anschließend wurden die Festigkeit, die elastischen und petrophysikalischen Eigenschaften sowie die Sedimentation bewertet.

Nach dem Mischen wird ein atmosphärisches Konsistometer zur Konditionierung der Geopolymerschlämme bei 195 °F und 150 U/min für 30 Minuten verwendet. Das OFITE 900-Viskosimeter wurde zur Bewertung der Rheologie bei einer Durchschnittstemperatur von 192 °F und Atmosphärendruck verwendet. Zur Messung des Flüssigkeitsverlustes wurde die HPHT-Filterpresse verwendet. Die Verdickungszeit wurde bei 195 °F und atmosphärischem Druck mit einem atmosphärischen Konsistometer bewertet, um zu ermitteln, wie lange die Aufschlämmung pumpbar bleiben würde.

Die Geopolymerschlämme wurden konditioniert, um eine dynamische Platzierung in Bohrlöchern zu simulieren, und wurden dann statisch belassen, um festzustellen, ob sich freie Flüssigkeit aus dem Schlamm löst. Nach dem Aushärten wurden die zylindrischen Proben in drei Abschnitte geschnitten (unten, in der Mitte und oben). Anschließend wurde das Sedimentationstestverfahren durchgeführt, indem das Gewicht jedes Abschnitts in Wasser und Luft gemessen wurde. Die Dichte jedes Abschnitts wurde berechnet, indem das Gewicht in Luft durch das Gewicht in Wasser gemäß dem Archimedes-Prinzip dividiert wurde. Der Dichteunterschied jedes Abschnitts wurde mit Gleichung berechnet. 1. Der akzeptable Dichteunterschied variiert je nach Anwendungstyp.

Die Bewertung der mechanischen Eigenschaften umfasste uneingeschränkte Druckfestigkeit (UCS), Zugfestigkeit, dynamische elastische Eigenschaften (Young-Modul (YM) und Poisson-Verhältnis (PR)) und die Permeabilität war die bewertete petrophysikalische Eigenschaft. Nach der Konditionierung wurde die Aufschlämmung in kubische (2 Zoll Länge) und zylindrische (1,5 Zoll Durchmesser und 4 Zoll Länge) Formen gegossen und dann 24 Stunden lang in eine HPHT-Härtungskammer bei 292℉ und 3000 psi gegeben . Zur Messung der Zugfestigkeit wurde das brasilianische Testverfahren befolgt39. Die UCS wurde mittels Scratch-Test bewertet. Der Kratztest dient der Regulierung und Überwachung der kontinuierlichen Scherwirkung, die durch die Bewegung eines Diamantschneiders auf der Probenoberfläche entsteht. Die auf den Fräser wirkende Kraft erzeugt entlang der Probe ein kontinuierliches Profil der Gesteinsfestigkeit. Anschließend wurden YM und PR durch Ermittlung der Schallgeschwindigkeiten bestimmt. Bei der Ultraschallprüfung wird gemessen, wie lange eine Druckwelle benötigt, um zwischen zwei Sonden zu wandern. Die Druck- und Biegemaschine wurde für die Zugfestigkeitsanalyse verwendet, während die Kratzprüfmaschine mit Schallmodus für die elastischen Eigenschaften und UCS verwendet wurde. Zur Messung der Gasdurchlässigkeit wurde Stickstoffgas bei Raumtemperatur und einem Grenzdruck von 1.000 psi verwendet. Die Gasdurchlässigkeit wurde bei verschiedenen Drücken gemessen und ein Diagramm zwischen der Gasdurchlässigkeit und 1/pmean erstellt. Anschließend wurde eine gerade Linie extrapoliert, um den Achsenabschnitt zu erhalten, der sich auf die Flüssigkeitsdurchlässigkeit bezieht.

Das auf Hämatit basierende Systemmischungsdesign ist in Tabelle 3 aufgeführt. Obwohl dieses Geopolymersystem akzeptable Eigenschaften aufwies, zeigte es Dichteschwankungen entlang der zylindrischen Proben aufgrund der Hämatit-Sedimentation. Es wurde untersucht, einen Teil des Hämatits durch ein anderes Beschwerungsmittel wie Micromax zu ersetzen, um das mit Hämatit verbundene Sedimentationsproblem anzugehen. Die vorgeschlagene Mischung aus Verzögerer und Fließmittel, die die Verdickungszeit des Systems auf Hämatitbasis verbesserte, hatte nicht die gleiche Leistung wie das gemischte System. Als Ergebnis wurden verschiedene Additivmischungen getestet, bis eine ausreichende Verdickungszeit von etwa 5 Stunden unter Verwendung eines Verzögererverstärkers mit einem Verzögerer und einem Fließmittel erreicht wurde. Das Mischungsdesign wurde angepasst, um 50 % des Hämatits durch Micromax zu ersetzen. Die vorgeschlagene Additivmischung ermöglichte die Verwendung eines Flüssigkeits-zu-Bindemittel-Verhältnisses von nur 0,5, um eine fließfähige Aufschlämmung mit einer angemessenen Rheologie zu erhalten. Die vorgeschlagenen Formulierungen für beide Systeme sind in Tabelle 3 aufgeführt und werden als Gewicht des Bindemittels (BWOB) ausgedrückt.

Als die Aufschlämmung durch Mischen von FFA, Hämatit und NaOH-Lösung hergestellt wurde, betrug die Verdickungszeit bei BHCT von 195 °F etwa 50 Minuten. Diese Eindickzeit war zu kurz, um den Zement hinter der Verrohrung zu platzieren. Verschiedene Arten und Mischungen von Verzögerern, Dispergiermitteln und Fließmitteln wurden getestet, um die Pumpbarkeit von Geopolymerschlämmen zu verlängern. Durch die Verwendung von Fließmittel (5 % BWOB) wurde die Verdickungszeit leicht verlängert, dasselbe galt für den Verzögerer. Wenn beide zusammen verwendet wurden (jeweils 5 % BWOB), erhöhte sich die Eindickzeit von 50 auf 390 Minuten. Für das gemischte Micromax-Hämatit-System erhöhte die entwickelte Additivmischung die Eindickzeit auf nur 180 Minuten. Daher wurden verschiedene Mischungen getestet, um die Eindickzeit des gemischten Systems nach Zugabe von Micromax zu verlängern. Eine weitere Mischung aus einem Verzögerer (5 % BWOB), einem Fließmittel (3 % BWOB) und einem Verzögerer-Verstärker (2 % BWOB) erhöhte die Verdickungszeit von 76 auf 300 Minuten bei einem BHCT von 195 °F. Die entwickelten Geopolymerschlämme, wie in den Abbildungen dargestellt. 6 und 7 hatten im Gegensatz zu den meisten Zementschlämmen keinen rechten Winkel. Zeitdiagramme für die Eindickung für beide Systeme sind in den Abbildungen dargestellt. 6 und 7.

Verdickungszeitdiagramm für das Hämatit-Geopolymersystem.

Verdickungszeitdiagramm für das gemischte Hämatit-Micromax-Geopolymersystem.

Die Bewertung der Rheologie von Zementschlämmen ist wichtig, da sie das Mischen, Pumpen und die Schlammverdrängung der Schlämme beeinflusst. Nach 30-minütiger Konditionierung bei 195 °F wurden die Rheologiemessungen mit dem Viskosimeter durchgeführt. Die Scherspannung und die Viskosität in Abhängigkeit von der Scherrate sind in den Abbildungen dargestellt. 8 bzw. 9. Das Bingham-Plastic-Modell bot mit einem R2 von 0,999 die beste Anpassung an die Rheologie beider Systeme. Durch die Zugabe von Micromax zu Hämatit verringerte sich die plastische Viskosität um 44,8 %. Micromax-Partikel ähneln eher Kugeln, wie in Abb. 4 dargestellt, die die Reibung der Partikelinteraktion minimieren und zu einer niedrigen plastischen Viskosität führen.

Die Scherspannung vs. Schergeschwindigkeit der entwickelten Geopolymerschlämme.

Die Viskosität vs. Schergeschwindigkeit der entwickelten Geopolymerschlämme.

Die Fließgrenze bestimmt die Kraft, die überwunden werden muss, um den Fluss einzuleiten, und spiegelt die Tragfähigkeit der Gülle unter dynamischen Bedingungen wider. Daher sollte die Fließgrenze weder so hoch noch so niedrig sein. Die Tragfähigkeit der Aufschlämmung unter statischen Bedingungen wird durch die Gelstärke bestimmt, und das Wachstum des Gels trägt dazu bei, eine Gasmigration zu verhindern. Beide Systeme wiesen hinsichtlich der Fließgrenze eine ähnliche Leistung auf, und das System auf Hämatitbasis schnitt hinsichtlich der Gelstärke (GS) eher ab, wie in Tabelle 4 dargestellt. Beide Systeme zeigten ein Scherverdünnungsverhalten, da die scheinbare Viskosität durch Erhöhung der Schergeschwindigkeit abnahm dargestellt in Abb. 9.

Es ist ratsam, den Flüssigkeitsverlust der Aufschlämmung in durchlässige Zonen zu minimieren, um die Hydratation wasserempfindlicher Schiefer zu verringern und eine Erhöhung der Viskosität der Aufschlämmung beim Einbringen zu verhindern. Ein kontrollierter Flüssigkeitsverlust verringert auch die Bildung ringförmiger Brücken, die wie ein Packer wirken und den hydrostatischen Druck abbauen können, der potenziell Überdruckzonen zurückhält. Darüber hinaus wird die Austrocknung des Zements während des Pumpens in verlassene perforierte Bereiche reduziert, sodass längere Perforationsbereiche in einem einzigen Arbeitsgang verschlossen werden können. Während der Übergang des Zements von einer flüssigen Aufschlämmung zu einem festen Zement erfolgt, kommt es zu einer Volumenverringerung. Wenn der Flüssigkeitsverlust hoch ist, wird davon ausgegangen, dass viel größere Volumenreduzierungen möglich sind, die die Gasmigration erleichtern können40. Die Aufschlämmung auf Hämatitbasis hatte einen Flüssigkeitsverlust von 38 ml/30 Min., während die gemischte Hämatit- und Micromax-Aufschlämmung einen Flüssigkeitsverlust von 34 ml/30 Min. aufwies. Die entwickelten Schlämme liegen innerhalb der akzeptablen Flüssigkeitsverlustbereiche, da diese bei der Gehäusezementierung bis zu 300 ml/30 Minuten betragen sollten41. Außerdem wiesen die entwickelten Geopolymere einen Flüssigkeitsverlust von weniger als 50 ml/30 Min. auf, was für spezielle Zementierungsanwendungen wie horizontale Bohrlöcher und Linerzementierung empfohlen wird41. Die entwickelten Formulierungen sorgten für dieses Verhalten, ohne dass ein spezielles Additiv zur Flüssigkeitsverlustkontrolle verwendet wurde.

Nach dem Aushärten bei 292℉ und 3000 psi für 24 Stunden unter Verwendung einer HPHT-Härtungskammer. Die Abbildungen 10 und 11 zeigen die Dichte und Dichteschwankung verschiedener Abschnitte entlang der vertikalen Ausrichtung der Geopolymerproben. Die Probenheterogenität kann durch den Grad der Dichtevariation (DV) ausgedrückt werden, sodass das Zementsystem homogener wird, indem der DV zwischen dem Zementabschnitt und der Schlammdichte verringert wird. Die Sedimentation der Partikel hängt von der Größenverteilung, der Form, der Dichte und der Flüssigkeitsviskosität ab, durch die sich die Partikel bewegen. Die Ergebnisse bestätigten, dass das Hämatitsystem eine hohe Sedimentationsneigung mit einem Dichteunterschied von 32,6 % zwischen dem unteren und oberen Abschnitt aufwies, während das Micromax-System nur 0,95 % aufwies.

Einfluss des Beschwerungsmittels auf die Dichte der zylindrischen Geopolymerproben.

Dichtevariation der zylindrischen Geopolymerproben.

Der Hämatit-SG ist größer als der von Micromax, was die Sedimentation fördert. Darüber hinaus beeinflusst die Partikelgrößenverteilung die Sedimentationsneigung. Die in Tabelle 1 und Abb. 1 gezeigten Daten bestätigten, dass die Werte D10, D50 und D90 für Hämatit größer waren als die für Micromax. Im Allgemeinen haben kleine Partikel ein größeres Verhältnis von Oberfläche zu Masse, sodass der Reibungswiderstand ihre Absetzgeschwindigkeit stärker verlangsamt als bei größeren Partikeln. Die rauen Druck- und Temperaturbedingungen könnten sich auf die Viskosität der Aufschlämmung auswirken und zu einer Verringerung der Suspensionskapazität führen. Hämatit hat unregelmäßig geformte Partikel, während Micromax-Partikel eher eine kugelförmige Form haben, wie das REM in Abb. 4 zeigt. Runde Partikel setzen sich schneller ab als flache, eckige oder unregelmäßig geformte Partikel, da die Reibung bei abgerundeten Partikeln abnimmt. Das gesamte Sedimentationsverhalten wird durch das Zusammenspiel der oben genannten Komponenten gesteuert, die SG und PSD zu vorherrschenden Faktoren machten und zu einem untergeordneten Element formten. Die freie Flüssigkeit der Geopolymerschlämme war nahezu Null (Spuren). Zur Kontrolle der Gasmigration sollte die Aufschlämmung einen Flüssigkeitsverlust von weniger als 50 ml/30 Min. und keine freie Flüssigkeit aufweisen. Diese Anforderungen werden in den entwickelten Geopolymeraufschlämmungen erfüllt41.

Die 24-Stunden-Druckfestigkeit des auf Hämatit basierenden Systems ist um 13,4 % größer als die des gemischten Systems und seine Zugfestigkeit ist um 12,5 % größer, wie in den Abbildungen dargestellt. 12 und 13. Das Geopolymer auf gemischter Basis besaß jedoch eine 24-Stunden-Druckfestigkeit von 1624 psi, was mehr als dem Dreifachen des für die Wiederaufnahme des Bohrens erforderlichen Wertes (500 psi) entspricht. Vor der Wiederaufnahme der Bohr- oder Fertigstellungsarbeiten muss der Zement aushärten und genügend Festigkeit erreichen, um die Verrohrung zu stützen und die Flüssigkeitsbewegung hinter der Verrohrung abzudichten. Es ist schwierig, die genaue Druckfestigkeit zu bestimmen, die vor dem Bohren durch den Futterrohrschuh erforderlich ist. In der Praxis wird jedoch ein Mindestdruck von 500 psi empfohlen40. Die Maximierung der Druckfestigkeit war in der Vergangenheit ein traditioneller Ansatz. Die Philosophie „Mehr ist besser“ mag dies auf kurze Sicht sinnvoll erscheinen lassen. Langfristig während der Lebensdauer des Bohrlochs kann es jedoch zu Belastungsbedingungen kommen, bei denen eine hohe Festigkeit mit einer wirksamen Abdichtung und Integritätsunterstützung in Konflikt geraten kann40.

Druckfestigkeit beider Systeme mittels Kratztest.

Zugfestigkeit beider Systeme anhand des brasilianischen Tests.

Die entwickelten Geopolymerformulierungen besaßen eine 24-Stunden-Druckfestigkeit von mindestens 1.624 psi und eine Zugfestigkeit von mindestens 219 psi, was über den erforderlichen Werten für verschiedene Zwecke in der Literatur und einigen gemeldeten Werten in Zementierungsprogrammen mit hoher Dichte in der Mitte liegt Ost. Farris42 zeigte experimentell, dass eine Zugfestigkeit von nur wenigen psi ausreichte, um das Gehäusegewicht unter Laborbedingungen zu tragen; Im Falle einer dynamischen Belastung durch die Drehung des Bohrgestänges während des anschließenden Bohrens sollten jedoch einige Überlegungen angestellt werden. Clark43 untersuchte die erforderliche Kraft, um größere Flüssigkeitsbewegungen hinter dem Gehäuse zu stoppen. Der Autor kam zu dem Schluss, dass eine Zugfestigkeit von nur 40 psi akzeptiert wird, wobei die maximale Bindung bei etwa 100 psi erreicht wird. In einer anderen Arbeit wurde erwähnt, dass eine Zugfestigkeit von 8 psi oder etwa 100 psi Druckfestigkeit ausreicht, um das Gehäuse zu stützen. Es besteht eine Harmonie zwischen Druckfestigkeit und Zugfestigkeit, sodass je höher die Druckfestigkeit ist, desto höher ist auch die Zugfestigkeit. Mitchell et al.40 erwähnten, dass das Verhältnis von Druck- zu Zugfestigkeit bei den meisten Zementen etwa 8:1 bis 12:1 beträgt und die Studienergebnisse (7,5:1) so nahe bei 8:1 lagen.

Die Flexibilität der Zementhülle ist dort von Bedeutung, wo Zement hohen Belastungen ausgesetzt ist, z. B. Dampfinjektion, Geothermie und hydraulische Frakturierung. Flexible Zemente mit einem niedrigen Elastizitätsmodul und einem hohen Poisson-Verhältnis sorgen für eine langfristige Bohrlochintegrität. Abgebundener Zement sollte einen geringeren YM haben als die umgebenden Formationen. Für unverfestigte Schichten kann Zement mit geringem YM-Gehalt besser sein als Zement mit hohem YM-Gehalt41. Die vorgeschlagenen Geopolymersysteme besaßen einen YM von etwa 5,1 GPa und einen PR im Bereich von 0,22–0,26, wie in Tabelle 5 aufgeführt. Die entwickelten Geopolymere sind in Bezug auf YM und PR flexibler als Zement der Klasse G, wie in Tabelle 5 dargestellt. Darüber hinaus Sie besaßen einen geringeren YM als Schiefer- und konsolidierte Formationen und können daher neben diesen Formationen verwendet werden, wie bereits von Liu41 angegeben. Normalerweise eignet sich flexiblerer Zement mit kleinerem YM und größerer Zugfestigkeit bei ausreichender Druckfestigkeit gut für die Simulation von Zementspannungen. Die Permeabilität der beiden schweren Geopolymersysteme wurde unter Verwendung von Stickstoff gemessen. Die Flüssigkeitsdurchlässigkeit wurde durch Ermittlung des Y-Achsen-Achsenabschnitts geschätzt. Die Permeabilität betrug 0,015 bzw. 0,009 md für die Systeme Hämatit und gemischtes Geopolymer.

Es wurden zwei hochdichte Geopolymersysteme verglichen, die nur Hämatit und eine Mischung aus Hämatit und Micromax verwendeten. Die Bewertung umfasste Rheologie (PV, YP und GS), Flüssigkeitsverlust, Festigkeit, Durchlässigkeit und elastische Eigenschaften. Diese Studie untersuchte das Sedimentationsproblem, das mit Hämatit als Beschwerungsmittel verbunden ist, und führte die Zugabe von Micromax als Lösung ein, um dieses Problem in Geopolymeren zu mildern. Die Erkenntnisse dieser Arbeit lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Der Ersatz von 50 % des Hämatits durch Micromax löste das Sedimentationsproblem, das mit dem Geopolymersystem auf Hämatitbasis verbunden ist.

Das mit Micromax-Hämatit gewichtete Geopolymer wies einen Dichteunterschied von 0,94 % zwischen Ober- und Unterteil auf, verglichen mit 32,6 % beim System auf Hämatitbasis.

Es wurde eine vorgeschlagene Mischung aus einem Verzögerer, einem Verzögererverstärker und einem Fließmittel eingeführt, die die Verdickungszeit des gemischten Systems um fast das Dreifache verlängerte.

Das gemischte Geopolymer wies einen geringeren Flüssigkeitsverlust auf, ohne dass ein Flüssigkeitsverlustkontrolladditiv verwendet wurde, was es zu einem guten Kandidaten für Zementierungsanwendungen wie horizontales Bohren, Gasmigrationsrisiko und Gehäusezementierung machte, die einen Flüssigkeitsverlust von weniger als 50 ml/30 Min. erfordern.

Bei den Bohrlochtemperaturen folgten beide Systeme dem Bingham-Modell für plastische Flüssigkeiten, und das gemischte System verringerte die plastische Viskosität um 44,8 % und besaß eine Fließgrenze nahe der des auf Hämatit basierenden Systems.

Die beiden Formulierungen wiesen hinsichtlich Festigkeit, elastischen Eigenschaften und Durchlässigkeit ähnliche Werte auf, die innerhalb der von der Industrie akzeptierten Bereiche liegen.

Für diese Forschung wurden keine externen Daten verwendet. Alle generierten experimentellen Daten sind in diesem Manuskript enthalten.

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Die Autoren danken der King Fahd University of Petroleum & Minerals (KFUPM) für die Genehmigung der Veröffentlichung dieser Arbeit.

Diese Forschung erhielt keine externe Finanzierung.

Abteilung für Erdöltechnik, College of Petroleum and Geosciences, King Fahd University of Petroleum and Minerals, 31261, Dhahran, Saudi-Arabien

Ahmed Abdelaal & Salaheldin Elkatatny

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Das Manuskript wurde unter Mitwirkung aller Autoren [AA und SE] verfasst. Die Autoren haben die endgültige Fassung des Manuskripts genehmigt.

Korrespondenz mit Salaheldin Elkatatny.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Abdelaal, A., Elkatatny, S. Gemischtes Micromax- und Flugasche-Geopolymer auf Hämatitbasis für die schwere Bohrlochzementierung. Sci Rep 13, 8669 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36010-w

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Eingegangen: 29. Januar 2023

Angenommen: 27. Mai 2023

Veröffentlicht: 29. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36010-w

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