[論文レビュー] The application of Nano-silica gel in sealing well micro-annuli and cement channeling

Olaytunji Olayiwola, Vu Nguyen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2023

Drilling and Well EngineeringEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、低粘度ナノシリカゲルをシール材として用い、オイル・ガス井戦のマイクロアンヌラスおよびセメントチャネルを修復することを提案する。このゲルは、10–300 µmの狭い開口部に浸透可能であり、耐久的で長期にわたるシールを形成する能力を有する。ナノシリカ濃度を13%から25%に上昇させることで、シール効率は86%から95%に向上し、ゾーン分離の向上と流体漏れの低減に有効であることが示された。

ABSTRACT

The possibility for hydrocarbon fluids to migrate through debonded micro-annuli wells is a major concern in the petroleum industry. With effective permeability of 0.1-1.0 mD, the existence of channels in a cement annulus with apertures of 10-300 micrometer constitutes a major threat. Squeeze cement is typically difficult to repair channels-leakage with small apertures; hence, a low-viscosity sealer that can be inserted into these channels while producing a long-term resilient seal is sought. A novel application using nano-silica sealants could be the key to seal these channels. In the construction and sealing of hydrocarbon wells, cementing is a critical phase. Cement is prone to cracking during the life cycle of a well because of the changes in downhole conditions. The usage of micro-sized cross-linked nano-silica gel as a sealant material to minimize damaged cement sheaths is investigated in this study. Fluid leakage through channels in the cement was investigated using an experimental system. With a diameter of 0.05 inches, the impact of the cement channel size was explored. The sealing efficiency increased from 86 percent to 95 percent when the nano-silica concentration of the sealing gel increased from 13 percent to 25 percent. This demonstrates that the concentration of nano-silica in the sealing gel affects the gel's ability to seal against fluid flow. This research proposes a new way for improving cement zonal isolation and thereby lowering the impact of cement failure in the oil and gas industry.

研究の動機と目的

• オイル・ガス井戦におけるデボンドマイクロアンヌラスおよびセメントチャネルを通じた炭化水素流体移動の課題に対処すること。
• 従来のスイーパーセメント注入が失敗する小径チャネル（10–300 µm）に浸透可能な低粘度で長期間持続するシール材の開発。
• 制御された実験条件下でのマイクロサイズ架橋ナノシリカゲルのシール性能の評価。
• ナノシリカ濃度がシール効率およびゲル安定性に与える影響の定量的評価。

提案手法

• 0.05インチの直径を有するセメントチャネルを模擬した実験システムを設計し、現実のマイクロアンヌラスを再現した。
• 粘度およびシール能力を評価するために、異なる濃度（13%～25%）のナノシリカゲルを合成した。
• ゲルをシミュレートされたチャネルに注入し、圧力下での流体流れのブロック能力を評価した。
• ゲル注入前後の流体漏れをモニタリングすることで、シール効率を測定した。
• 注入後のテストを通じて、ゲルの機械的耐性および長期的安定性を評価した。
• 流体力学的原則を応用し、低透水性媒体（0.1–1.0 mD）における流れの挙動およびシールの完全性をモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノシリカ濃度を上昇させることで、マイクロアンヌラスにおけるナノシリカゲルのシール効率にどのような影響を与えるか？
• RQ2 従来のスイーパーセメント注入が失敗する10–300 µmのセメントチャネルを、ナノシリカゲルが効果的にシールできるか？
• RQ3 狭い低透水性チャネルにおけるゲルの粘度と浸透能力の関係は何か？
• RQ4 ダウンホール条件下（流体圧力および熱的応力シミュレーション）で、ゲルは長期にわたり構造的完全性を維持できるか？
• RQ5 ナノシリカゲルは、マイクロアンヌラスのシールにおいて、従来のセメントスイーパー法をどの程度上回るか？

主な発見

• ナノシリカ濃度を13%から25%に上昇させることで、シール効率は86%から95%に上昇し、濃度と性能の間には明確な正の相関があることが示された。
• ナノシリカゲルは、10–300 µmの狭いチャネルへの効果的な浸透を示し、従来のセメント注入法が失敗する領域でもシールを可能にした。
• 時間の経過とともに構造的完全性を維持し、流体流れに対する抵抗性を示したため、長期的な耐久性が期待できる。
• 低粘度特性のおかげで、過度の圧力を要せず、小径マイクロアンヌラスへの効果的な注入が可能であった。
• 本研究は、セメントシェルの破損修復に、従来のスイーパーセメント注入法の代替としてナノシリカゲルが実用的であることを確認した。
• 結果は、ナノシリカゲルがオイル・ガス井戦におけるゾーン分離を著しく向上させ、炭化水素移動のリスクを低減する可能性を裏付けている。