Μελέτη μηχανικών ιδιοτήτων τσιμέντων γεωτρήσεων υδρογονανθράκων με χρήση οργάνων NMR και με δοκιμές αντοχής σε μονοαξονική θλίψη

Abstract

Στην εποχή μας, η συντήρηση και η ανάπτυξη της οικονομίας αλλά και του βιοτικού επίπεδου της ανθρωπότητας βασίζεται κυρίως στα ορυκτά καύσιμα, όσον αφορά τόσο τις μεταφορές και την παραγωγή ρεύματος και ενέργειας όσο και την παραγωγή πρώτων υλών για τη χημική βιομηχανία και την παρασκευή πλαστικών υλικών (σε βιομηχανικό επίπεδο). Τα πλέον σημαντικά ορυκτά καύσιμα είναι οι υδρογονάνθρακες (το πετρέλαιο και ακολούθως το φυσικό αέριο). Η εκμετάλλευση και των δύο επιτυγχάνεται με την πραγματοποίηση γεωτρήσεων υδρογονανθράκων μεγάλου μήκους σε χερσαίες ή θαλάσσιες περιοχές.

Λόγω της αυξημένης ζήτησης για τα ως άνω ορυκτά καύσιμα, θα πρέπει να υπάρξει μεγαλύτερη και αποτελεσματικότερη παραγωγή με τη χρήση καλύτερου εξοπλισμού και καινοτόμων μεθόδων εκμετάλλευσης και παραγωγής. Όμως, υπάρχουν ποικίλες προκλήσεις στην παραγωγή και την επεξεργασία των υδρογονανθράκων από μη συμβατικές περιοχές. Αυτό καθιστά σημαντική την εξασφάλιση της υγείας και της ασφάλειας των εργαζομένων καθώς και την προστασία του περιβάλλοντος λαμβάνοντας υπ' όψιν φυσικά και τα οικονομικά κριτήρια. Θα πρέπει, λοιπόν, να επιτυγχάνεται ο βέλτιστος συνδυασμός αξιοπιστίας και χαμηλού κόστους των γεωτρήσεων υδρογονανθράκων, που μπορεί να προκύψει μόνο μέσω της έρευνας για βελτιστοποίηση των υπαρχουσών μεθόδων, των πρώτων υλών και του εξοπλισμού που χρησιμοποιείται στις γεωτρήσεις.

Η τσιμέντωση αποτελεί ένα από τα πιο κρίσιμα στάδια των γεωτρήσεων υδρογονανθράκων. Χωρίζεται σε πρωτογενή τσιμέντωση και σε τσιμέντωση αποκατάστασης. H πρωτογενής χρησιμοποιείται για τυπικές γεωτρήσεις με σκοπό να στηρίξει το τοίχωμα και να επιτύχει απομόνωση ζωνών, με διαφορετικά ρευστά και διαφορετικές πιέσεις. Η τσιμέντωση αποκατάστασης, από την άλλη, συντελείται σε μεταγενέστερο στάδιο της ζωής του πηγαδιού και αποσκοπεί στην αποκατάσταση τυχόν αλλοιώσεων και αστοχιών της πρωτογενούς τσιμέντωσης και στην αποσφράγιση ζωνών που πιθανολογείται ότι παράγουν νερό.

Η εν λόγω διπλωματική εργασία περιλαμβάνει μια σειρά μετρήσεων για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων τσιμέντου γεωτρήσεων υδρογονανθράκων και την επίδραση διαφόρων πρόσθετων. Τα δείγματα τσιμέντου, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για την παρασκευή των δοκιμίων, τα παρείχε η εταιρία Halliburton, ενώ παράπλευρες μετρήσεις έγιναν στο Πανεπιστήμιο Texas A&M στο Κατάρ (TAMUC).

Πιο συγκεκριμένα, στην παρούσα διπλωματική διερευνήθηκε η μηχανική συμπεριφορά του ελαστικού τσιμέντου (τσιμέντο γεωτρήσεων υδρογονανθράκων με πρόσθετα πολυμερή) σε σχέση με την συμπεριφορά συμβατικού τσιμέντου. Οι μετρήσεις έγιναν με χρήση οργάνων Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (ΝΜR) και με δοκιμές αντοχής δοκιμίων σε μονοαξονική θλίψη. Ταυτόχρονα, πραγματοποιήθηκαν πειράματα περίθλασης ακτίνων - Χ (XRD) για την ταυτοποίηση των συστατικών κάθε δοκιμίου.

Τα αποτελέσματα ανέδειξαν την αποτελεσματικότητα του ελαστικού τσιμέντου, καθώς εμφάνισε βελτιωμένη θλιπτική αντοχή σε σχέση με τσιμέντα που περιέχουν μικρότερο ή καθόλου ποσοστό πολυμερών. Με το NMR παρατηρήθηκε ότι το ελαστικό τσιμέντο εμφάνισε σε μεταγενέστερο χρόνο τις διάφορες χρονικές περιόδους της διαδικασίας ενυδάτωσης του τσιμέντου (περίοδος αδράνειας, περίοδος επιτάχυνσης, περίοδος επιβράδυνσης) σε σχέση με το δείγμα το οποίο είχε λιγότερα πολυμερή. Επιπλέον, εξήχθη το συμπέρασμα ότι το βέλτιστο αποτέλεσμα για την πλήρωση του πορώδους επιτυγχάνεται επίσης στο δείγμα ελαστικού τσιμέντου. Τέλος, από τα πειράματα XRD βρέθηκε ότι στο δείγμα ελαστικού τσιμέντου υπήρχε επιπρόσθετα περίκλαστος, στον οποίο μπορεί να θεωρηθεί ότι αποδίδονται οι ευρεθείσες ξεχωριστές ιδιότητές του.