[논문 리뷰] The application of Nano-silica gel in sealing well micro-annuli and cement channeling

Olaytunji Olayiwola, Vu Nguyen외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 19.

Drilling and Well EngineeringEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 석유 및 가스 웰의 마이크로 앤류와 시멘트 채널을 수리하기 위해 저점도 나노 실리카 젤을 시일런트로 사용하는 것을 제안한다. 젤은 좁은 간극(10–300 µm)에 침투할 수 있고 내구성 있고 장기적인 밀봉을 형성할 수 있다. 나노 실리카 농도가 13%에서 25%로 증가함에 따라 밀봉 효율이 86%에서 95%로 향상되어, 지구층 격리 성능 향상과 유체 누출 방지를 위한 효과가 입증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 석유 및 가스 웰에서 탈착된 마이크로 앤류와 시멘트 채널을 통해 발생하는 수소화물 유체 이동 문제를 해결하기 위해.
• 기존 스위치 시멘트링이 실패하는 좁은 지름의 채널(10–300 µm)에 침투할 수 있는 저점도이자 장기적으로 지속되는 시일런트를 개발하기 위해.
• 통제된 실험 조건 하에서 미세 크기의 교차결합 나노 실리카 젤의 밀봉 성능을 평가하기 위해.
• 나노 실리카 농도가 밀봉 효율과 젤의 안정성에 미치는 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 실제 마이크로 앤류를 반영하기 위해 0.05인치 지름의 시멘트 채널을 통해 유체 누출을 시뮬레이션할 수 있는 실험 시스템을 설계하였다.
• 점도와 밀봉 능력을 평가하기 위해 다양한 농도(13%에서 25%)로 나노 실리카 젤을 합성하였다.
• 압력 하에서 유체 흐름을 차단할 수 있는지 평가하기 위해 시뮬레이션된 채널에 젤을 주입하였다.
• 주입 전후의 유체 누출을 모니터링하여 밀봉 효율을 측정하였다.
• 주입 후 시험을 통해 젤의 기계적 내구성과 장기적 안정성을 평가하였다.
• 유체 역학 원리를 적용하여 다공성이고 낮은 투수도를 가지는 매체(0.1–1.0 mD)에서의 흐름 거동과 밀봉 강도를 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노 실리카 농도를 증가시킬 경우 마이크로 앤류에서 나노 실리카 젤의 밀봉 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 기존 스위치 시멘트링이 실패하는 10–300 µm의 시멘트 채널을 나노 실리카 젤이 효과적으로 밀봉할 수 있는가?
• RQ3 낮은 투수도를 가지는 좁은 채널에서 젤의 점도와 침투 능력 사이의 관계는 어떠한가?
• RQ4 유체 압력과 열 스트레스를 시뮬레이션한 하역 조건에서 젤이 장기적으로 어떻게 구조적 안정성을 유지하는가?
• RQ5 나노 실리카 젤이 마이크로 앤류를 밀봉하는 데 있어 전통적인 시멘트 스위치 방법에 비해 어느 정도 뛰어난가?

주요 결과

• 나노 실리카 농도가 13%에서 25%로 증가함에 따라 밀봉 효율이 86%에서 95%로 향상되어, 농도와 성능 사이에 강한 정적 상관관계가 있음을 시사한다.
• 나노 실리카 젤은 좁은 채널(10–300 µm)에 효과적으로 침투하여 기존의 시멘트링 방법이 실패하는 곳에서도 밀봉이 가능함을 입증하였다.
• 시간이 지남에도 불구하고 젤이 구조적 안정성을 유지하고 유체 흐름에 저항하는 것으로 나타나 장기적 내구성이 있음을 시사한다.
• 저점도 성질 덕분에 과도한 압력 없이도 작은 지름의 마이크로 앤류에 효과적으로 주입될 수 있었다.
• 이 연구는 나노 실리카 젤이 기존의 스위치 시멘트링 방법에 비해 시멘트 쉘 결함 수리를 위한 실질적인 대안이 될 수 있음을 확인하였다.
• 결과는 나노 실리카 젤이 석유 및 가스 웰에서 수소화물 이동의 위험을 줄이고 지구층 격리를 크게 향상시킬 잠재력을 지녔음을 뒷받침한다.