Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy

TYTUŁ: Wpływ wgniatania ziaren materiału podsadzkowego w skałę typu łupkowego na efektywność podsadzenia szczeliny w zabiegach stymulacyjnych wybranego złoża niekonwencjonalnego / The influence of proppant grains into shale rock on the effectiveness of fracturing in stimulation treatments of a selected unconventional deposit

Autor: Mateusz Masłowski

Recenzenci:

Prof. dr hab. Krzysztof Labus, Politechnika Śląska
Dr hab. Paweł Łukaszewski, Uniwersytet Warszawski

ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-53-9
DOI: 10.18668/PN2024.245

Objętość monografii: 156 stron

Streszczenie

Celem naukowym pracy było zbadanie wpływu zjawiska wgniatania ziaren materiału podsadzkowego w skałę typu łupkowego na efektywne podsadzenie wytworzonej szczeliny po wykonanych zabiegach hydraulicznego szczelinowania złóż niekonwencjonalnych. Wyznaczenie głębokości wgnieceń ziaren propantu w skałę złożową oraz uszkodzenia powierzchni wytworzonej ściany szczeliny pozwoliło na ocenę efektywnego podsadzenia szczeliny propantem, w zależności od podatności skały na zjawisko embedmentu.

Do badań użyto skały złożowej pochodzącej z formacji niekonwencjonalnego złoża węglowodorów. Był to sylurski łupek ilasty z obszaru basenu bałtyckiego, typu gas shale. Na podstawie zgromadzonych danych geologiczno-złożowych oraz wyznaczonych właściwości geomechanicznych skały dobrano odpowiednie parametry płynu szczelinującego i podsadzki. Laboratoryjne symulacje zjawiska embedmentu przeprowadzono dla skały zarówno w postaci suchej, jak i nasyconej płynem szczelinującym. W badaniach uwzględniono warunki złożowe zbliżone do warunków panujących w wybranej formacji (tj. temperaturę i naprężenie ściskające) oraz różną koncentrację powierzchniową materiału podsadzkowego.

Uszkodzone powierzchnie rdzeni obserwowano metodą mikroskopową i na tej podstawie wyznaczono parametry charakteryzujące zjawisko embedmentu, z uwzględnieniem wycisku materiału skalnego. Wykonane badania pozwoliły na określenie wpływu niekorzystnego zjawiska embedmentu na efektywność podsadzenia szczeliny dla wybranego krajowego złoża niekonwencjonalnego. Za najważniejsze parametry uznano efektywną rozwartość szczeliny oraz efektywną powierzchnię kontaktu ściany szczeliny z warstwą podsadzki. Za bardzo istotny wskaźnik uznano również wielkość wycisku materiału skalnego na powierzchni skały. Dodatkowo przeprowadzono teoretyczne obliczenia wielkości rozwartości szczeliny wypełnionej podsadzką przy wybranych czterech różnych wartościach jej koncentracji powierzchniowej. Zaproponowano także schemat klasyfikacji efektywności podsadzenia szczeliny na podstawie odporności skały na zjawisko embedmentu.

Wykonane analizy pozwalają na dokładniejsze zrozumienie wpływu niekorzystnego zjawiska embedmentu, z uwzględnieniem wycisku materiału skalnego, na wstępną ocenę efektywności podsadzenia szczeliny propantem dla zaproponowanej technologii zabiegu stymulacyjnego.

W wyniku pracy uszczegółowiono metodykę analizy i interpretacji uzyskanych wyników oraz dokonano wyboru metod statystycznych mających na celu oszacowanie niepewności mierzonych i wyliczonych wartości.

Słowa kluczowe: embedment, łupek, propant, stymulacja wydobycia, szczelinowanie hydrauliczne.

Abstract

The scientific aim of the work was to investigate the effect of the phenomenon of indenting the proppant grains into the shale rock on the effective propped of the created fracture, after the hydraulic fracturing of the unconventional deposits. Determining the depth of the indentations of the proppant grains into the rock deposit and damage to the fracture wall surface allowed for the assessment of the proppant backing of the fracture, depending on the susceptibility of the rock to the phenomenon of embedment.

The sample of the rock from unconventional formation of hydrocarbons was selected for the tests: Silurian clay-bituminous shale from the Baltic Basin, the “gas shale” type. On the basis of the collected geological and deposit data and the determined geomechanical properties of the rock, appropriate parameters of the fracturing fluid and the proppant material were selected.

Laboratory simulations of the phenomenon of embedment were carried out for rock shale type, both dry and saturated with fracturing fluid. The research took into account the deposit conditions similar to the conditions of selected formation (i.e. temperature and compressive stress), as well as different surface concentration of the proppant material. The damaged faces of the cores were observed using the microscopic method and on this basis, the parameters characterizing the phenomenon of embedment were determined, including an impression of the rock material. The results of the experiments allowed to determine the impact of the unfavorable phenomenon of embedment on the effectiveness of propping the fracture for selected unconventional deposits of Poland. The most important parameters were the effective width of the fracture and the effective contact surface of the fracture face with the proppant layer. The amount of the impressions of the rock material on the rock surface was also considered as a very important indicator.

Additionally, theoretical calculations of the width of the fracture filled with the proppant were carried out for the four selected surface concentration. A scheme for classifying the effectiveness of the fracture’s filling, on the basis of the rock resistance to the phenomenon of embedment, was also proposed.

The performed analyzes allow for a more detailed understanding of the impact of the unfavorable phenomenon of embedment, taking into account the impression of the rock material, on the initial assessment of the effectiveness of the fracture’s propped, for the proposed stimulation treatment technology.

As a result of the work, the methodology of the analysis and interpretation of the obtained results was developed, and statistical methods were selected to estimate the uncertainty of the measured and calculated values.

Keywords: embedment, shale, proppant, reservoir stimulation, hydraulic fracturing

Cena egzemplarza: 60 zł netto (plus 5% VAT)

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.

TYTUŁ: Wybrane zagadnienia z nanotechnologii zaczynów cementowych stosowanych do uszczelniania otworów wiertniczych / Selected issues in nanotechnology of cement slurries used to seal boreholes

Autor: Marcin Rzepka, Miłosz Kędzierski

Recenzenci:

dr inż. Albert Złotkowski, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
dr hab. inż. Jan Ziaja, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-52-2
DOI: 10.18668/PN2024.244

Objętość monografii: 136 strony

Streszczenie

Nanotechnologia stanowi nową metodę podejścia do projektowania i wytwarzania komponentów o bardzo niewielkich rozmiarach, co pozwala na uzyskanie produktów o wyjątkowych właściwościach i funkcjach użytkowych. Wśród szeregu materiałów poddanych modyfikacji za pomocą nanotechnologii możemy również wyróżnić powszechnie znany i używany budulec, jakim jest cement.

W niniejszej monografii omówiono szereg zagadnień związanych z wykorzystaniem nanotechnologii do sporządzania zaczynów cementowych stosowanych do uszczelniania otworów wiertniczych. Technologia sporządzania zaczynu cementowego w otworach wiertniczych przez ostatnie lata polegała często na wykorzystywaniu coraz to drobniejszych dodatków wypełniających pustki w matrycy cementowej. Do tego celu doskonale nadają się nanokomponenty, takie jak np. nano-SiO₂ oraz nano-Al₂O₃, które powodują wyraźną poprawę parametrów płynnego i stwardniałego zaczynu cementowego. Redukują one odstój wody, czyli tzw. wolną wodę z zaczynów, oraz filtrację, co ma szczególnie znaczenie w przypadku cementowania otworów kierunkowych. Użycie nanododatków powoduje ponadto m.in. podwyższenie lepkości
plastycznej oraz granicy płynięcia zaczynów cementowych, a także wyraźne skracanie czasu żelowania i wiązania receptur cementowych.

W przypadku zaczynów z nano-SiO₂ oraz nano-Al₂O₃ można zaobserwować wzrost (w porównaniu z zaczynami konwencjonalnymi) wartości wytrzymałości na ściskanie, wynikający ze szczelnego upakowania się w matrycy cementowej nanocząsteczek o bardzo małych ozmiarach. Mikrostruktura zaczynów z nanotlenkiem krzemu oraz glinu jest zwarta i cechuje się niewielką porowatością, o czym świadczą zamieszczone w monografii fotografie wykonane pod mikroskopem skaningowym oraz testy przeprowadzone na porozymetrze rtęciowym. Porowatości próbek zawierających nanododatki są znacznie niższe w porównaniu z porowatością zaczynów konwencjonalnych. Dzięki zastosowaniu zaczynów zawierających nanokomponenty zachodzi minimalne niebezpieczeństwo wytworzenia się kanalików dla przepływu mediów złożowych w płaszczu cementowym otworu wiertniczego. Wytrzymałości na ściskanie po 28 dniach hydratacji są wysokie (dla próbek z dodatkiem odpowiednio dobranych nanododatków dochodziły prawie do 40 MPa). Przyczepności do rur stalowych kamieni cementowych zawierających nanododatki również są wysokie (wynoszą często ok. 5–6 MPa).

Ponadto zastosowanie innowacyjnej technologii w postaci nanorurek węglowych w zaczynach również wpływa pozytywnie na wzrost wytrzymałości mechanicznej oraz mikrostrukturę kamieni cementowych. Zmodyfikowane dodatkiem nanorurek kamienie cementowe charakteryzują się bardzo wysokimi wartościami wytrzymałości na ściskanie oraz wysokimi przyczepnościami do rur stalowych. Posiadają one zwartą mikrostrukturą o niskiej zawartości makroporów. Nanorurki mogą być z powodzeniem stosowane w zaczynach cementowych w szerokim zakresie temperatur (od 20°C do nawet do 150°C).

Przedstawione w niniejszej monografii możliwości użycia zaczynów cementowych wzbogaconych nanokomponentami czy też nanorurkami węglowymi w istotny sposób poszerzają zakres dostępnych receptur, które można zastosować w celu optymalnego zacementowania otworów wiertniczych. Zaczyny z nanododatkami mogą w najbliższych latach znaleźć zastosowanie w przypadkach, w których konieczne będzie uzyskanie niezwykłej szczelności płaszcza cementowego w otworze wiertniczym.

Słowa kluczowe: zaczyn cementowy, kamień cementowy, nanokrzemionka, nanotlenek glinu, nanorurki węglowe, cementowanie otworów wiertniczych.

Abstract

Nanotechnology is a new method of approaching the design and production of components of very small sizes, which allows for obtaining products with unique properties and functional functions. Among a number of materials modified using nanotechnology, we can also distinguish a commonly known and used building material, cement. This monograph discusses a number of issues related to the eradication of nanotechnology for the preparation of cement slurries used to seal boreholes. In recent years, the technology of preparing cement slurry in boreholes has often involved the use of increasingly finer additives to fill free spaces in the cement matrix. Nanocomponents are perfect for this purpose, such as nano-SiO₂ and nano-Al₂O₃, which significantly improve the parameters of the liquid and hardened cement slurry. They reduce free fluid, i.e. the so-called free water from slurry and filtration, which is particularly important in the case of cementing directional boreholes. The use of nanoadditives also causes, among others, increasing the plastic viscosity and yield point of cement slurries as well as significantly shortening the gelling and setting time of cement slurries.

In the case of nano-SiO₂ and nano-Al₂O₃ slurries, an increase (compared to conventional slurries) in the value of compressive strength can be observed, resulting from the tight packing of very small nanoparticles in the cement matrix. The microstructure of slurries with nanosilicon and aluminum oxide is compact and characterized by low porosity, as evidenced by the photographs included in the monograph, taken under a scanning microscope and by tests performed on a mercury porosimeter. The porosities of samples containing nanoadditives are much lower compared to the porosities of conventional slurries. Thanks to the use of slurries containing nanocomponents, there is a minimal risk of creating channels for the flow of formation media in the cement sheath of the borehole. The compressive strengths after 28 days of hydration are high (for samples with the addition of appropriately selected nanoadditives, they reached almost 40 MPa). Adhesions to steel pipes of cement stones containing nanoadditives are also high (often approx. 5 – 6 MPa).

Moreover, the use of innovative technology in the form of carbon nanotubes in slurries also has a positive effect on the increase in mechanical strength and microstructure of cement stones. Cement stones modified with the addition of nanotubes are characterized by very high compressive strength values and high adhesion to steel pipes. They have a compact microstructure with a low content of macropores. Nanotubes can be successfully used in cement slurries in a wide temperature range (from 20°C to even up to 150°C).

The possibilities of using cement slurries enriched with nanocomponents or carbon nanotubes presented in this monograph significantly expand the range of available recipes that can be used for optimal cementing of boreholes. In the coming years, slurries with nano-additives may be used in cases where it is necessary to obtain extraordinary tightness of the cement sheath in a borehole.

Keywords: cement slurry, cement stone, nano-silica, nano-alumina, carbon nanotubes, borehole cementing.

Cena egzemplarza: 60 zł netto (plus 5% VAT)

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.

TYTUŁ: Stosowanie paliw etanolowych do silników o zapłonie iskrowym / The use of ethanol fuels to spark ignition engines

Autorzy: Zbigniew Stępień, Magdalena Żółty

Recenzenci:
Prof. Jan Czerwiński, Ph.D.
Prof. dr hab. inż. Dariusz Ozimina

Streszczenie

Od wielu lat podejmowane są na całym świecie coraz bardziej intensywne działania zmierzające do ochrony środowiska naturalnego człowieka. Unia Europejska pełni wiodącą rolę w międzynarodowej walce ze zmianami klimatycznymi, w związku z tym dąży do zmniejszenia poziomu emisji gazów cieplarnianych, do którego zobowiązała się w protokole z Kioto. Dla krajów, które są jego sygnatariuszami, priorytetem jest ograniczenie zużycia energii pozyskanej z ropy naftowej i węgla kamiennego poprzez zastępowanie jej energią pochodzącą ze źródeł odnawialnych, które mogą przyczynić się do globalnej poprawy stanu powietrza.
W Unii Europejskiej drugim co do wielkości sektorem gospodarki, odpowiedzialnym za 20% emisji szkodliwych substancji, w tym gazów cieplarnianych do atmosfery, jest transport drogowy. Pozostaje on jednym z niewielu sektorów, z których emisja stale wzrasta, co niweczy postęp osiągnięty przez inne obszary gospodarki.
Wprowadzone w 2009 r. dyrektywy europejskie Renewable Energy Directive i Fuel Quality Directive umożliwiają zwiększenie zawartości etanolu w tradycyjnej benzynie silnikowej do 10% (V/V), a także sprzyjają budowie samochodów typu flex-fuel vehicle, przystosowanych do zasilania paliwem zawierającym do 85% (V/V) etanolu.
Paliwa do tłokowych silników spalinowych charakteryzują się właściwościami użytkowymi, które spełniają wysokie wymagania współczesnych silników spalinowych, realizujących skomplikowane strategie procesów spalania i wyposażonych między innymi w wielopunktowe, bardzo zaawansowane technicznie systemy wtrysku paliwa, innowacyjne systemy doładowania oraz katalityczne, wielofunkcyjne układy oczyszczania spalin.
Formuła chemiczna paliw ulega nieustannej ewolucji, głównie na skutek działań ekologów w zakresie ograniczania emisji substancji szkodliwych pochodzących ze spalania ropopochodnych paliw do powietrza atmosferycznego oraz nieustannego rozwoju silników. Działania te wymuszają na projektantach samochodów zmiany w konstrukcji układów zasilania, komór spalania, układów oczyszczania spalin, a na producentach paliw dostosowywanie ich formuły chemicznej w celu zminimalizowania emisji szkodliwych substancji powstających podczas spalania takiego paliwa. Dlatego też coraz większego znaczenia nabiera stosowanie biopaliw i biokomponentów jako dodatku do paliw konwencjonalnych.
W części teoretycznej niniejszej publikacji opisano zalety i wady stosowania etanolu jako komponentu benzyny silnikowej i paliw etanolowych. Na podstawie rozeznania dostępnej literatury branżowej przedstawiono wyniki badań wpływu etanolu na wielkość emisji szkodliwych składników do atmosfery. Skupiono się również na wyzwaniach, przed jakimi stanęli konstruktorzy silników spalinowych, aby przystosować je do eksploatacji na paliwach zawierających zwiększony udział etanolu w paliwie.
W części doświadczalnej zaprezentowano wyniki badań prowadzonych w ramach projektów badawczych i prac statutowych w Instytucie Nafty i Gazu – Państwowym Instytucie Badawczym. Wyniki te dotyczą:
•    określenia oddziaływania paliw etanolowych na parametry użytkowo-eksploatacyjne silników ZI;
•    oceny regulowanych i nieregulowanych emisji szkodliwych składników gazów wylotowych silników zasilanych paliwami etanolowymi;
•    badań wpływu paliw etanolowych na tworzenie szkodliwych osadów na elementach silników testowych;
•    wielokierunkowych badań oddziaływania paliw etanolowych na procesy degradacji smarowego oleju silnikowego.

Abstract

Cena egzemplarza:60 zł netto (plus 5% VAT)

Koszt przesyłki: 5 zł brutto za sztukę – list polecony

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.