1 SPE Distinguished Lecturer Program Программа выдающиеся лекторы SPE The SPE Distinguished Lecturer Program is funded principally through a grant from the SPE Foundation. The society gratefully acknowledges the companies that support this program by allowing their professionals to participate as lecturers. Special thanks to the American Institute of Mining, Metallurgical, and Petroleum Engineers (AIME) for its contribution to the program. Society of Petroleum Engineers Distinguished Lecturer Program Программа выдающиеся лекторы SPE спонсируется главным образом через грант Фонда SPE. Общество выражает благодарность компаниям, поддерживающим программу, направляющие своих сотрудников для участия в ней в качестве лекторов. Отдельная благодарность Американскому институту горной, металлургической и нефтяной промышленности (AIME) за его вклад в программу. Общество инженеров-нефтяников Программа выдающиеся лекторы

Cement and Cementing: An Old Technique With a Future? Society of Petroleum Engineers Distinguished Lecturer Program Цементный раствор и Цементирование: Устаревший метод в будущем? Bernard Piot Schlumberger Бернар Пийо Компания Шлюмберже Общество инженеров-нефтяников Программа выдающиеся лекторы

3 Outline / Содержание Cement Cementing: a necessary evil? Alternative isolation techniques Todays 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

4 Cement/ Цементный раствор Material and Regulations Материал и нормативы

5 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 Thickening time test (neat class G) 0:000:30 1:00 1:302: Consistency, Bc Time, h Strength development test (neat class G) Time, h Compressive strength, psi 1, ,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 0

6 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

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

8 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

9 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

10 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

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

12 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

13 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

14 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 Gas zone Газовая область Oil zone Нефтяная область Якорь обсадной колонны (осевая опора) Защита от коррозии и эрозии Опора внутрискважинных стенок Разобщение пластов

15 Unsuccessful Zonal Isolation Неудачное разобщение пластов Risk to HSE Опасность ОТБОС ACP/SCPRemedial work Исправите льные работы Early water prod n Ранняя обводненн ость Loss of prod n Снижение продуктивно сти Interzonal fluid flow Межпластовое движение флюида NPV ЧДД Loss of well Потеря скважины

16 Cementing Process at Surface Процесс цементирования на поверхности Additives Добавки Water Вода 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

17 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

18 Control of Mixing Контроль процесса приготовления цементной смеси SG SLURRY SG ~ 1.9 РАСТВОР SG ~ 1.9 CEMENT ЦЕМЕНТ SG = Density Control Контроль плотности

19 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

20 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.

21 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 е Промысловые технологии –Турбулентное замещение Большое число Рейнольдса ~50е 10-ти мин. контакт ~60е –SloFlo / Пробковый режим ~70е Флюид с пределом текучести

22 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

23 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

24 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.)

25 Mud Removal Modeling Моделирование процесса вытеснения бурового раствора

26 Mud Displacement Simulation Имитация процесса вытеснения бурового раствора Geometry Геометрия Rheology Реология Fluid type Тип флюида CPU time Счетное время 2D Newtonian Ньютоновская Same Такой же 10 minutes/минут 2D Newtonian Ньютоновская Different Другой 2-4 hours/часов 2DViscoplastic Different Другой 4-8 days /дней 3D Newtonian Ньютоновская Different Другой 15 hours /часов 3DViscoplastic Different Другой 1 month? 1 месяц? CFD fluid /fluid displacement in eccentered geometries Вычислительная гидродинамика флюида /вытеснение флюида в эксцентрических сетках модели

27 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

28 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

29 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

30 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

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

32 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 –…

33 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

34 Todays Well Challenges and Versatility of Cement Современные проблемы скважин и эксплуатационная гибкость цемента

35 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

36 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

37 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

38 Slurry Quality Control? Контроль качества цемента Solid Fraction Monitoring Мониторинг твердой фракции SG CEMENT SG Slurry Density ?? Плотность раствора – 1.0?? = What if density 1.0? Что, если плотность 1.0?

39 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…

40 Cement A Cement B 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

41 Casing – Cement Обсадная колонна - Цемент Casing Обсадная колонна Tensile Cracks Трещины разрывов Pressure or Temperature Increase Увеличение давления или температуры Cement Цемент

42 Casing-Cement-Formation Обсадная колонна-Цемент-Пласт Cement Цемент Casing Обсадная колонна Hard Formation Крепкая порода Hard Formation Крепкая порода Soft Formation Мягкая порода Soft Formation Мягкая порода Pressure or Temperature Increase Увеличение давления или температуры

43 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, -( ratio of lateral strain to axial strain) Коэффициент Пуассона, -( отношение поперечной деформации к продольной деформации) Tensile strength Предел прочности на разрыв Optimized Mechanical Properties «Оптимизированные» механические свойства F

44 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

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

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

47 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 Early strength Начальная прочность Final strength Прочность цемента При окончательном схватывании Permeability Проницаемость Shrinkage Усадка Bonding Схватывание Flexibility Упругость Durability Срок службы Toughness Прочность

48 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

49 Cementing Tomorrow: A Technology for the Future Цементирование завтрашнего дня: Технология будущего Oilfield cementing industry –More tools in the toolbox Materials, simulators –Adapt to tomorrows 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

50 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

51 Thank you for your attention Спасибо за внимание

52