Impact of additives on well cement setting temperature and on casing design
Katkı maddelerinin kuyu çimentosu donma sıcaklığına ve koruma borusu tasarımına etkisi
- Tez No: 467112
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA HAKAN ÖZYURTKAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği, Petroleum and Natural Gas Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 135
Özet
Çimento, fırında bir arada yanan alümina, silis, demir ve magnezyum oksit gibi çeşitli hammaddelerin kompozisyonudur. Tüm prosedürün sonunda toz şeklinde elde edilir. Bu hammadde petrol endüstrisi de dâhil olmak üzere pek çok sanayide yaygın olarak kullanılmaktadır. Sondaj işlemlerinde çimento, koruma borusu ve formasyon arasında izolasyon sağlamak amacıyla kullanılır. Koruma borusunu desteklemeye yardımcı olur ve formasyondan kuyunun içine akışkan göçünü engelleme amacıyla kullanılır. Petrol endüstrisinde, çimento şerbeti çoğunlukla çimento ile su ve bazı katkı maddelerinin çeşitli amaçlarla yüzeyde karıştırılmasından oluşur. Çimento şerbeti kuyudaki sorunların tipine göre hazırlanır ve kuyu boyunca koruma borusu ile formasyon arasında yer alır. Kuyuların derinliklerine ve maruz kaldıkları sıcaklık ve basınçlara göre katkı maddeleri de çimento şerbetine ilave edilir. Katkı maddeleri çimentonun kalınlaşma zamanı, viskozite, dayanım, donma zamanı gibi özelliklerinin ayarlanması amacıyla çimento şerbetine ilave edilir. Katkı maddeleri kuyudaki karşılaşılan problemleri ortadan kaldırmaya yardımcı olurken bu bileşenlerin ters etkileri diğer özelliklerini de değiştirebilir. Örneğin hızlandırıcılar, erken dönemde hidratasyon oranını arttırmaya yardımcı olurken, geciktiriciler hidratasyonu ve dayanımı önler veya şerbetlerde kalınlaştırıcıların olması onun vizkozitesinin artmasına sebep olduğundan dolayı pompalanabilirliğini azaltır. Özellikle, permafrost zonlarında ve son derece derin kuyularda, yüzeydeki şerbetlerin tasarımı daha da karmaşık hale gelebilir. Abnormal basınçlar ve termal yükler, çimento şerbetini doğrudan etkiler ve yüzeydeki çimento bileşimindeki ilave maddeler, bu belirli durumlarda bulamacın fiziksel özelliklerini de değiştirebilir. Çimentonun karışımının donma süreci doğal ekzotermik bir kimyasal reaksiyondur. Bu çalışmada, iki farklı katkının çimento bulamacında ekstra ısı oluşumuna etkisi deneysel olarak araştırılmıştır. İki farklı yaygın olarak kullanılan katkılar, sürtünme azaltıcı, CFR – 3 ve sıvı kaybı katkı maddesi olan Halad9 testler boyunca kullanılmıştır. 120 farklı kompozsiyon için testler gerçekleştirilmiştir. Çimento bünyesindeki sıcaklık değişimleri 24 saat boyunca gözlemlenmiştir. Deneylerin her bir setinde, sıvı kaybı katkısı konsantrasyonları, çimento ağırlığının % 0.1'inden % 1.0'a kadar arttırılırken, sürtünme azaltıcı konsantrasyonunun her sette sabit tutulduğu 12 farklı grupta numuneler incelenmiştir. Tüm numunelerin testleri, API 10 B - Kuyu Çimentolarını Test Etmek İçin Tavsiye Edilen Uygulama Şartnamesine uygun olarak gerçekleştirilmiştir. Sıcaklık davranışlarını gözlemlemek amacıyla hazırlanmış çimento bulamaçları çevrel ısıdan etkisinin en aza indirilmesi amacıyla özel izole kaba yerleştirilmiştir. Bununla beraber kap ve kapağı çevresindeki sıcaklık etkilerini ortadan kaldırmak için yalıtım bandı ile sarılmıştır. Sıcaklık veri kayıt cihazı çimento bulamacının üzerindeki kapaktan geçerek güvenli bir şekilde çimento şerbetinin hemen üstünde alıcı olacak şekilde kaba yerleştirilmiştir. Deneylerden elde edilen sonuçlar, katkı maddelerinin, çimentonun ısınması üzerine direkt etkisini göstermektedir. Farklı katkılar için farklı konsantrasyonlarda çeşitli sıcaklık okumaları kaydedilmiştir. Çimento, su ve CFR-3 karışımı deneylerinde sürtünme azaltıcının sıcaklık değişiminde etkisi bireysel olarak incelenmiş ve deney sonuçlarından 70.8 0C sonuç alınmıştır. Bu sonuç CFR-3'ün %0.9 oranında elde edilmiştir. Bununla beraber, Halad9 sıvı kaybı kontrol katkısının çimento ve su karışımı üzerindeki etkisi de deneylerde ayrı ayrı incelenmiştir. CFR-3'den farklı olarak Halad9 katkı maddesinin sıcaklık üzerindeki etkisi daha düşük olup, onun %0.1 oranlı karışımında maksimum sıcaklığı 66.5 0C olarak ölçülmüştür. Halad9 katı maddesinin maksimum sıcaklığa ulaşılma zamanlarındaki etkisi de gözlemlenmiştir. Çimento, su ve Halad9 karışımlarındaki maksimum sıcaklık ötelemesi 1 saatten fazla olarak izlenmiştir. Çimento ağırlığınca % 0.3'ü oranında sürtünme azaltıcı konsantrasyonlarında 70 °C'nin üzerinde maksimum sıcaklık kaydedilmiştir. Ayrıca, akışkan kaybı katkı maddesinin ilavesinin artan konsantrasyonlarında maksimum sıcaklığa ulaşması ve Halad9'un deneylerde sıcaklığın yükselmesine bir etkisi olmadığı izlenmiştir. CFR–3'ün sıcaklık değişimlerindeki etkisi Halad9'dan daha yüksektir. Sonuçta, elde edilen maksimum sıcaklık okumaları değerlendirilmiş ve basit lineer regresyon analizi yapılarak katkı maddelerinin miktarı ve sıcaklık değişimi arasındaki ilişki incelenmiştir. Bütün deney sonuçları göz önünde bulundurulduğunda, maksimum sıcaklık okumalarının her sette farklı olması nedeniyle genel olarak lineer bir ilişki tespit edilememiştir. Bununla birlikte ayrı ayrı setler için lineer regresyon analizi kullanılarak bazı kompozisyonlar için lineer ilişki elde edilmiştir. Özellikle, çimento ağırlığının % 0.4 ve % 0.5 CFR-3 konsantrasyonlarında R - kare değerleri, aralarındaki matematiksel ilişki değerlendirilebilecek kadar yüksektir. R-kare değeri, çimento ağırlığının % 0.4 konsantrasyonlu CFR-3 bileşimleri için 0.955 ve çimento ağırlığının % 0.5'i için 0.956'dır. Bu kompozisyonlara sahip çimento şerbetlerinde katkı maddelerinin miktarı ile sıcaklıklardaki artış arasında lineer bir ilişki olduğu söylenebilir. Deney sonuçlarının ayrıca koruma borusu tasarımı aşamasındaki etkileri incelenmiştir. Bunun için en yüksek, orta ve en düşük sıcaklık değişimine sahip çimento kompozisyonlarından elde edilen veriler kullanılmıştır. Çimento şerbetlerinde katkı maddeleri nedeniyle oluşan termal yükler, özellikle ilk 24 saatlik periyot boyunca koruma borusu tasarımı ve / veya formasyon için etkileri hesaplanmıştır. Bunun için 3 farklı koruma borusu: K – 55, C – 95, P – 110 tüm nominal ağırlıkları ile beraber hesaplamalarda kullanılmıştır. Koruma borusunun uzunluğu 3 000 ft, 10 000 ft ve 15 000 ft olup numunelerden elde edilmiştir. Hidratasyonun erken dönemlerinde maksimum sıcaklık değişimine ilişkin termal yükler de incelenmiş ve gerilmelerin büyüklüğü hesaplanmıştır. En yüksek gerilim değeri 9765 psi olup C – 95 sınıf koruma borusunun 53.5 Ibm/ft nominal ağırlığında, 53 0C sıcaklık farkında hesaplanmıştır. Genel olarak, bu etkiler koruma borusu veya formasyon için çok fazla olmamakla birlikte, ancak tasarım sırasında ihmal edilmemelidir. Özellikle koruma borularındaki yüklerin sıkışmadan gerilmeye geçtiği bölgelerde bu etki bir fark yaratabilir ve göz ardı edilmemelidir. Çimento katkı maddelerinin çimentonun donması sırasında ortaya çıkan ısıya önemli etkileri bulunmaktadır. Bu durum çimentonun asli görevi olan izolasyon özelliğini bozabilecek erken jelleşme, çimento bünyesinde çatlaklar oluşturma ve bağlanma problemleri gibi durumlara sebep olabilir. Elde edilen sonuçlar katkı maddelerinin çimentonun donma reaksiyonunca oluşan ekzotermik ısının daha da arttırabileceğini ortaya koymaktadır. Bu çalışmanın amaçlarından biride kuyularda çimento donma sıcaklığı değişimi sebebiyle oluşabilecek olumsuzluklar için farkındalık yaratmaktır.
Özet (Çeviri)
Cement is composition of several raw materials such alumina, silica, iron and magnesium oxide that burned together in the kiln and as a result of whole process the powder is obtained. This raw material is widely used in many industries, including petroleum industry as well. In drilling operations, cement is used to provide isolation between casing and formation. It helps to hold casing string in the well properly and eliminate fluid migration from the formation in to the wellbore. In the petroleum industry, cement slurries are prepared at the surface where mainly cement is combined with water and some other additives for various purposes. According to the problems raised in the well, cement slurries are designed and pumped behind the casing throughout the well. Whereas these additives help to eliminate encountered problems in the well but meanwhile inverse effect of these components change other properties as well. For instance to additives, accelerators help to increase the rate of hydration at the early ages while retarders prevent hydration and slow hardening or having extenders in the slurries are resulted to an increase at the rate of pumpability. Particularly, in permafrost zones and in extremely deep wells designing of slurries at the surface become more challenged. Abnormal pressures and thermal loads directly affect the cement slurries or reverse, added agents in cement composition at the surface may change the physical properties of the slurry in these particular cases. In other words, internal and external alterations may affect the wellbore cement stability throughout the setting period. Natively, combination of the cement with water is an exothermic chemical reaction. However, in this study, the effects of some additives on the extra heat generation of the cement slurry has been investigated experimentally. Two different broadly used additives, friction reducer, CFR–3 and fluid – loss additive, Halad9 had been used throughout tests. Approximately 120 different samples were prepared to observe temperature track during 24 hours. Samples divided into 12 different sets where in each set of experiment, concentration of friction reducer was kept constant while concentrations of fluid – loss agent looped from 0.1% by weight of cement up to 1.0%. It would be relevant to note that all of samples are performed in the laboratory according to the API 10 B – Recommended Practice for Testing Well Cements. Obtained results from the experiments illustrated the direct effect of additives on the heat generation of cement during setting. At the different concentrations of agents, variety of temperature readings have been recorded. Maximum temperatures were recorded above 70 0C at the friction reducer concentrations of 0.3% by weight of cement. Furthermore, it was also monitored that addition of fluid – loss additive may cause to reach maximum temperatures lately and Halad9 did not let to raise temperatures in the experiments. The role of CFR–3 in the temperature contributions is higher than Halad9. After all, obtained maximum temperature readings were assessed and statistical approach applied to them. Hence variety of readings existed among the samples, a reasonable results could not be yielded from them. Nonetheless, using statistical evaluation for individual sets triggered to figure out some statistical relationship between them. Specially, the values of R - squared at the CFR-3 concentrations of 0.4% and 0.5% BWOC were high enough to set mathematical relationship between them. The value of R – squared was 0.955 for CFR-3 compositions at the 0.4 per cent concentration and 0.956 for 0.5 per cent by weight of cement. Thermal loads due to additives in the cement slurries were taken under consideration as well, particularly in the casing design and/or formation during the time period of first 24 hours. Thermal loads regarding to maximum temperatures at the early times of hydration also was studied and the magnitude of the stresses were computed. In general, these effects are not so much to hazard the casing or formation, but shall not be neglected during the designing.
Benzer Tezler
- Yeraltı kömür madenciliğinde alçıtaşlarının yangın barajı malzemesi olarak kullanılabilirliğinin araştırılması
Başlık çevirisi yok
ZEKAİ TUNCEL
Doktora
Türkçe
1997
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERDİL AYVAZOĞLU
- İstanbul şehir surları Horasan harçları üzerine bir araştırma
A Research about Khorasan Mortar of İstanbul City Wals
ŞULE SATONGAR (LAÇİNYURT)
- Sentetik lif,çelik lif,çelik hasır,burgu çelik içeren betonların mekanik özelliklerine yüksek sıcaklığın etkisi
The effect of high temperature on mechanical properties of concrete containing synthetic fiber, steel fiber, steel wire mesh, auger steel
OSMAN ALPTEKİN ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HASAN YILDIRIM
- Jeopolimer beton malzemenin yapı ürünü ve malzemesi olarak çevresel sürdürülebilirlik performansının değerlendirilmesi
Evalution of environmental sustainability performance of geopolymer concrete material as a building product and material
ASLIHAN KAYHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEDEN ACUN ÖZGÜNLER
- Farklı çimentoların betondaki karbonatlaşmaya etkisi
An investigation of the effect of different cements on concrete carbonation
ŞAZİYE ÖZER
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Mühendislik BilimleriFırat ÜniversitesiYapı Eğitimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SALİH YAZICIOĞLU