Teknikker til at observere beton, når det sætter sig, kan lette udviklingen af ​​nye cement

En vigtig del af boring og tapping af nye oliebrønde er brugen af ​​specialiserede cement til at foretage boring af hullet og forhindre sammenbrud og lækage af hullet. For at forhindre, at disse cement hærder for hurtigt, før de trænger ind i brøndens dybeste niveauer, de blandes med kemikalier kaldet retardere, der bremser indstillingsprocessen.

Det har været svært at studere, hvordan disse retardere virker, imidlertid, fordi processen sker ved ekstreme tryk og temperaturer, der er svære at reproducere ved overfladen.

Nu, forskere på MIT og andre steder har udviklet nye teknikker til at observere indstillingsprocessen i mikroskopiske detaljer, et fremskridt, som de siger, kan føre til udvikling af nye formuleringer, der er specielt designet til betingelserne for en given brøndplacering. Dette kan gå langt i retning af at løse problemerne med metanlækage og godt kollaps, der kan opstå med nutidens formuleringer.

Deres resultater fremgår af tidsskriftet Cement and Concrete Research, i et papir af MIT Professor Oral Buyukozturk, MIT forsker Kunal Kupwade-Patil, og otte andre på Aramco Research Center i Texas og på Oak Ridge National Laboratory (ORNL) i Tennessee.

"Der er hundredvis af forskellige blandinger" af cement i øjeblikket i brug, siger Buyukozturk, der er George Macomber professor i civil- og miljøteknik ved MIT. De nye metoder udviklet af dette team til at observere, hvordan disse forskellige formuleringer opfører sig under indstillingsprocessen, "åbner et nyt miljø for forskning og innovation" i udviklingen af ​​disse specialiserede cement, han siger.

Cementen, der bruges til at forsegle foringen af ​​oliebrønde, skal ofte sætte hundredvis eller endda tusinder af meter under overfladen, under ekstreme forhold og i nærvær af forskellige ætsende kemikalier. Undersøgelser af retardere er typisk blevet udført ved at fjerne prøver af den hærdede cement fra en brønd til test i laboratoriet, men sådanne tests afslører ikke detaljerne i sekvensen af ​​kemiske ændringer, der finder sted under hærdningsprocessen.

Den nye metode bruger en unik detektoropsætning ved Oak Ridge National Laboratory kaldet Nanoscale Ordered Materials Diffractometer, eller NOMAD, som bruges til at udføre en proces kaldet Neutron Pair Distribution Function analyse, eller PDF. Denne teknik kan undersøge in situ fordelingen af ​​par af atomer i materialet, der efterligner realistiske forhold, der opstår i en rigtig oliebrønd i dybden.

"NOMAD er perfekt egnet til at studere komplekse strukturelle problemer såsom at forstå hydrering i beton, på grund af dets høje strømning og neutroners følsomhed over for lette elementer som brint, "siger Thomas Proffen fra ORNL, medforfatter af papiret.

Eksperimenterne afslørede, at den primære mekanisme ved arbejde i meget brugte retardermaterialer er udtømning af calciumioner, en vigtig komponent i hærdningsprocessen, inden for cementen. Med færre calciumioner til stede, størkningsprocessen sænkes dramatisk. Denne viden skulle hjælpe eksperimenter med at identificere forskellige kemiske tilsætningsstoffer, der kan producere den samme effekt.

Når der bores oliebrønde, det næste trin er at indsætte et stålhus for at beskytte borehullets integritet, forhindrer løst materiale i at falde sammen i brønden og forårsage blokeringer. Disse kapper forhindrer også olie og gas, som er under højt tryk, fra at flygte ud i den omgivende sten og jord og migrere til overfladen, hvor lækage af metan kan spille en væsentlig rolle for at bidrage til klimaændringer. Men der er altid en plads, der går op til et par centimeter, mellem huset og boringen. Dette rum skal være fuldt fyldt med cementopslæmning for at forhindre lækage og beskytte stålbeklædningen mod udsættelse for vand og ætsende kemikalier, der kan få det til at mislykkes.

Metan er en meget stærkere drivhusgas end kuldioxid, så begrænsning af dens flugt er et afgørende skridt i retning af at begrænse olie- og gasbrønders bidrag til den globale opvarmning.

"Metanen, vand, og alle mulige forskellige kemikalier dernede [i brønden] skaber et korrosionsproblem, "Buyukozturk siger." Også, brøndboringens omkredsområde er ved siden af ​​dele af jordskorpen, der har ustabilitet, så materiale kunne tromle ind i hullet og beskadige foringsrøret. "Måden at forhindre disse ustabilitet på er at pumpe cement gennem foringsrøret ind i området mellem brøndboringen og foringsrøret, som giver "zonel isolation." Cementen tilvejebringer derefter en hydraulisk tætning for at holde vand og andre væsker væk fra huset.

Men de høje temperaturer og tryk, der findes i dybden, præsenterer et miljø, der er "det værste, du kan gøre ved et materiale, " han siger, så det er afgørende at forstå, hvordan materialet og dets kemiske egenskaber påvirkes af disse barske omgivelser, når de gør deres arbejde med at forsegle brønden.

Denne nye metode til at studere indstillingsprocessen giver en måde "til præcist at forstå denne proces, så vi kan konstruere den næste generation af retardanter, "siger Kupwade-Patil, hovedforfatter til dette papir. "Disse retardanter er meget vigtige, "ikke kun for at beskytte miljøet, men også for at forhindre alvorlige økonomiske tab på grund af en beskadiget eller utæt brønd." Tab af tætningen er alvorlig, så du har ikke råd til at begå en fejl "i cementforseglingsprocessen, han siger.

"Efter at have opnået min ph.d. omkring 30 år siden, mit første job var at forbedre kvaliteten af ​​oliebrønscementering, "siger Paulo Monteiro, Roy W. Carlson Distinguished Professor of Civil and Environmental Engineering ved University of California i Berkeley, som ikke var involveret i dette arbejde. "På det tidspunkt var der begrænsede sofistikerede karakteriseringsteknikker, så det er en sand fornøjelse at se røntgen- og neutronsammensætningsmetoder, der anvendes til at studere hydrering af oliebrøndscementer i nærvær af kemiske blandinger. "Han tilføjer, at disse nye metoder har" potentiale til at styre udviklingen af skræddersyede tilsætningsstoffer, der kan forbedre ydelsen af ​​oliebrønscementering betydeligt. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.