Cement slurries for sealing casing in boreholes with increased risk of gas migration

A cement job is one of the most important operations carried out during the drilling of wells. Further functioning of the well depends on the correct execution of the cement job (for instance, in case of a failed cement job, further hydrocarbon deposit production may turn to be difficult or simply impossible). The article presents the issues of the cement slurry technology deployed for sealing shallow boreholes with an increased risk of shallow gas migration. Oil and Gas Institute – National Research Institute has developed a number of cement slurry formulations characterized by properly adjusted density, gelling and bonding time, which will allow the creation of a tight barrier in the borehole annulus that prevents the production fluid from leaking to the surface. Properly modified (with the aid of natural rubber latex or nanosilica) cement slurries based on Portland cement CEM I 42.5 are suitable for use in cement jobs carried out in shallow drilling wells. Particularly advantageous technological parameters have been obtained for cement slurries containing about 0.5–1% nano-SiO2. The optimal water-cement ratio for these formulas was at the level of about 0.50–0.52. Both latex-containing and nano- SiO2-containing samples were characterized by a very advantageous course of the gelation plot (static build-up of gel strength). Their TT transition times amounted to several tens of minutes (which is a proof of high ability to prevent gas migration from shallow gas accumulations). Bonding times of the tested slurries can be successfully controlled using acceleration agents commonly used in the industry. Slurries that had been tested using the Vicat apparatus were characterized by a bonding time in the range from approximately 100 up to 280 minutes. As a result, depending on the anticipated length of the cementing job, the required bonding time can be appropriately adjusted. Compressive strength after 7 days of hydration was high (for samples with the addition of latex, they were about 22–23 MPa, for nano- SiO2 slurries around 29–31 MPa). Due to their good technological parameters, the cement slurries developed at Oil and Gas Institute – NRI could be used in the process of cementing casing strings, e.g. in the Carpathian Foreland, where there is a shallow gas accumulation hazard.

Zabieg cementowania rur okładzinowych jest zaliczany do najważniejszych operacji przeprowadzanych podczas wykonywania otworu wiertniczego. Od jego prawidłowego przebiegu zależy dalsze funkcjonowanie odwiertu (np. w przypadku nieudanego cementowania rur późniejsza eksploatacja złoża może okazać się utrudniona lub wręcz niemożliwa).W artykule przedstawione zostały zagadnienia technologii zaczynów cementowych służących do uszczelniania płytkich otworów wiertniczych o podwyższonym ryzyku wystąpienia migracji gazu. W Instytucie Nafty i Gazu – Państwowym Instytucie Badawczym opracowano szereg receptur zaczynów cementowych charakteryzujących się odpowiednio dobraną gęstością, czasem żelowania i wiązania, co pozwala na wytworzenie w otworze wiertniczym szczelnej bariery uniemożliwiającej przedostawanie się medium złożowego na powierzchnię. Odpowiednio zmodyfikowane (za pomocą lateksu lub nanokrzemionki) zaczyny cementowe na bazie cementu portlandzkiego CEM I 42,5 z powodzeniem nadają się do zastosowania w pracach cementacyjnych prowadzonych w płytkich otworach wiertniczych. Szczególnie korzystne parametry technologiczne uzyskano dla zaczynów cementowych zawierających około 0,5–1% nano-SiO2. Optymalny współczynnik wodno-cementowy kształtował się dla tych receptur na poziomie około 0,50–0,52. Zarówno próbki zawierające lateks, jak i te zawierające nano-SiO2 cechowały się bardzo korzystnym przebiegiem krzywej żelowania (narastania statycznej wytrzymałości strukturalnej). Ich czasy przejścia (transition time) TT wynosiły kilkadziesiąt minut (co świadczy o wysokiej zdolności do zapobiegania migracji gazu z płytkich horyzontów produktywnych). Czasy wiązania badanych zaczynów można z powodzeniem regulować za pomocą powszechnie używanych w przemyśle środków przyspieszających. Testowane na aparacie Vicata zaczyny posiadały czasy początku wiązania w przedziale od około 100 do 280 minut. Powoduje to, że w zależności od przewidywanej długości zabiegu cementowania można odpowiednio dobrać wymagany czas wiązania zaczynu. Wytrzymałości na ściskanie po 7 dniach hydratacji przyjmowały wysokie wartości (dla próbek z dodatkiem lateksu wynosiły one około 22–23 MPa, dla zaczynów z nano-SiO2 – około 29–31 MPa). Zaczyny cementowe opracowane w INiG – PIB z uwagi na swe dobre parametry technologiczne mogłyby znaleźć zastosowanie w procesie cementowania kolumn rur okładzinowych, np. na obszarze przedgórza Karpat, gdzie występuje duże ryzyko pojawienia się migracji gazu.