Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy

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.

TYTUŁ: Zabiegi hydraulicznego szczelinowania złóż niekonwencjonalnych i metody ich analizy / Hydraulic fracturing in unconventional reservoirs, and methods of their analysis

Autorzy: Piotr Kasza

Recenzenci:
dr hab. inż. Krzysztof Labus, prof. PŚ
prof. dr hab. inż. Waldemar Kamrat

Streszczenie

Zabiegi hydraulicznego szczelinowania od bardzo wielu lat stanowią podstawową metodę stymulacji wydobycia ze złóż węglowodorów. Pierwsze eksperymentalne próby przeprowadzenia szczelinowania miały miejsce ponad 70 lat temu w Stanach Zjednoczonych. Pierwsze polskie próby szczelinowania odbyły się w latach 50. ubiegłego stulecia na złożach Przedgórza Karpat. Od tego czasu metoda ta jest coraz częściej stosowana w przemyśle naftowym. Jej głównym celem jest zwiększenie tempa i stopnia sczerpania udostępnionych zasobów węglowodorów. Przez wiele lat technika ta była doskonalona i wykorzystywana do stymulacji złóż konwencjonalnych. Ogromna rola w doskonaleniu technologii zabiegów hydraulicznego szczelinowania przypadła Instytutowi Naftowemu. Jego pracownicy uczestniczyli w tych działaniach od samego początku. Pierwsze krajowe ciecze technologiczne do szczelinowania opracowane zostały przy współudziale Instytutu. W tym czasie technologia szczelinowania zmieniała się diametralnie. Wchodziły do użycia nowe techniki i materiały. Prawdziwy przełom i bardzo dynamiczny rozwój techniki i technologii szczelinowania jest związany z odkryciem oraz próbami udostępniania i wydobycia węglowodorów ze złóż niekonwencjonalnych. Po latach doświadczeń okazało się, że właśnie hydrauliczne szczelinowanie jest kluczem do uruchomienia tych zasobów. Od tego momentu zmiany w światowej technice i technologii szczelinowania następowały bardzo szybko. Poszukiwano coraz lepszych i doskonalszych sposobów udostępniania złóż w piaskowcach niskoprzepuszczalnych, formacjach łupkowych i pokładach węgla. Zdobyte doświadczenia potwierdziły, że w tych formacjach należy wykonywać dużo większe zabiegi szczelinowania oraz w sposób znaczący modyfikować i odpowiednio dobierać technologię do warunków złożowych. Znaczny postęp nastąpił w dziedzinie dodatków chemicznych do cieczy szczelinujących, a także materiałów podsadzkowych (Liang et al. 2015). Ogromne znaczenie w osiągnięciu sukcesów w złożach niekonwencjonalnych miała też szeroko pojęta analiza danych i diagnostyka (Shahkarami et al. 2016). Pojawiły się nowoczesne metody analizy zabiegów szczelinowania w znaczący sposób poprawiające ich efektywność. Wykorzystano też nowe narzędzia, jak choćby mikrosejsmikę, do analizy skomplikowanych geometrii szczelin, wytwarzanych w trakcie szczelinowania złóż niekonwencjonalnych, a w szczególności łupków i węgli.
W monografii tej przedstawiono wybrane informacje na temat zabiegów hydraulicznego szczelinowania, historii i rozwoju tej technologii, w oparciu o najnowsze zdobycze techniki. Przedstawiono kluczową rolę szczelinowania w udostępnianiu złóż niekonwencjonalnych. Ponadto zaprezentowano nowoczesny sposób analizy zabiegów na wybranym przykładzie szczelinowania formacji łupkowej.
W rozdziale pierwszym dokonano ogólnej charakterystyki zabiegów szczelinowania. Podano podstawowe informacje na temat niekonwencjonalnych akumulacji węglowodorów i metod ich udostępniania poprzez szczelinowanie. Wskazano najlepsze metody stymulacji tych złóż oraz najważniejsze elementy zapewniające efektywność takich działań. Wskazano też istotne różnice pomiędzy formacjami złożowymi i wynikające z tego różnice technologii ich efektywnego szczelinowania.
Drugi rozdział obejmuje opis cieczy szczelinujących i materiałów podsadzkowych. Podano w nim podstawowe cechy charakterystyczne, zadania i wymagania, jakie stawiane są cieczom szczelinującym. Dokonano także charakterystyki typowych dodatków chemicznych do cieczy oraz opisano cel, w jakim są stosowane. Omówiono też wykorzystywane materiały podsadzkowe, sposób ich badań i doboru do szczelinowania w różnych warunkach złożowych.
Rozdział trzeci stanowi zasadniczą część pracy. Jest on oparty na doświadczeniach badawczych i zawodowych autora i został poświęcony analizie wykonanych testów i zabiegów szczelinowania w otworach udostępniających złoże gazu ziemnego w formacji łupkowej. Analizy te powstały na podstawie rzeczywistych danych z przeprowadzonych szczelinowań. W pierwszej części zaprezentowano sposób przygotowania danych do wykonania projektu technicznego zabiegu. Dzięki niemu możliwe jest zaplanowanie prac stymulacyjnych w otworze. W drugiej części przedstawiono wyniki testów w małej skali – minifrac – służących do diagnostyki otworu i złoża bezpośrednio przed szczelinowaniem. Celem tych operacji jest weryfikacja przyjętych założeń projektowych oraz przygotowanie ostatecznego projektu szczelinowania. Pokazano ponadto sposoby analizy testów minifrac oraz najważniejsze informacje otrzymywane na ich podstawie. W ostatniej części rozdziału zaprezentowano przykłady wyników szczelinowania poszczególnych sekcji otworu poziomego w dwóch wariantach. Pierwszy wariant dotyczył fazy projektowania zabiegów szczelinowania. Przygotowany projekt zmodyfikowano po wykonanych testach minifrac i na tej podstawie przygotowano plan szczelinowania. Drugi wariant opracowano na podstawie danych zarejestrowanych w trakcie szczelinowania. Pozwala to na porównanie i analizę celów planowanych i faktycznie zrealizowanych.
W rozdziale czwartym dokonano podsumowania oraz zaprezentowano wnioski wynikające z wykonanych analiz. Na ich podstawie stwierdzono rozbieżność założonych parametrów geomechanicznych w porównaniu do danych uzyskanych z testów minifrac. W niektórych analizowanych przykładach potwierdzono słabą skuteczność udostępnienia złoża poprzez perforację. Potwierdzono też różnice w przyjętych i rzeczywistych parametrach złożowych, co może prowadzić do trudności w wykonaniu szczelinowania. Dzięki tym analizom potwierdzono przydatność testów minifrac do diagnostyki złoża przed szczelinowaniem przez co mogą one znaleźć zastosowanie przy projektowaniu i ocenie skuteczności zabiegów szczelinowania złóż niekonwencjonalnych.

Abstract

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

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