Prace Naukowe - Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy w Krakowie

TYTUŁ: Możliwości rozpoznania wybranych cech skał węglanowych na podstawie obrazu tomografii komputerowej (CT) oraz skanera mikroopornościowego (XRMI) / Representation of the selected features of carbonate rocks based on the computed tomography (CT) image and the borehole micro-imager (XRMI) Autorzy: Andrzej Urbaniec, Katarzyna Drabik, Marek Dohnalik, Urszula Zagórska, Sylwia Kowalska Recenzenci: prof. dr hab. inż. Jadwiga Jarzyna prof. dr hab. inż. Maria Bała
	ISSN 2353-2718 ISBN 978-83-65649-32-4 DOI: 10.18668/PN2019.225
Streszczenie W monografii przedstawiono możliwości wykorzystania metody rentgenowskiej tomografii komputerowej (CT) pod kątem oceny stopnia odzwierciedlenia różnego typu cech skał węglanowych w uzyskanym obrazie tomograficznym. Wspomniana metoda stanowi jedno z bardziej precyzyjnych narzędzi stosowanych do analizowania metrowych odcinków rdzeni wiertniczych, zapewniających jednocześnie nieinwazyjny sposób badania skał i obrazowania ich struktury wewnętrznej. Skały węglanowe stanowią dosyć trudną do interpretacji grupę skał ze względu na swą bardzo dużą, często trudną do przewidzenia, zmienność szeregu cech i parametrów, takich jak: wykształcenie litologiczne, skład mineralny, historia procesów diagenetycznych, zawartość szczątków organicznych, porowatość, przepuszczalność oraz wiele innych. Metodyka tomografii komputerowej, z uwagi na swoją specyfikę określania zróżnicowania gęstościowego ośrodka skalnego, ma teoretycznie duży potencjał uzyskania lepszej rozdzielczości obrazowania niektórych cech, które mogą być niewidoczne bezpośrednio na powierzchni rdzenia (np. ze względu na jednolitą barwę lub stopień przekrystalizowania skały). Efektem pomiarów jest otrzymanie przestrzennego obrazu rdzenia w skali odcieni szarości. Kolory jasne odpowiadają fragmentom rdzenia o wysokiej absorpcji promieniowania X, a ciemne – obszarom o niskiej absorpcji. Na wielkość absorpcji promieniowania rentgenowskiego wpływ ma przede wszystkim gęstość ośrodka skalnego, jak również liczby atomowe pierwiastków wchodzących w skład poszczególnych minerałów. Badania tomograficzne, w celu uzyskania możliwie najbardziej wiarygodnych wyników, wykonano dla 72 interwałów rdzeniowych skał węglanowych o długości około 1 m, pochodzących łącznie z 8 otworów wiertniczych, zlokalizowanych na obszarze przedgórza i brzeżnej części Karpat. Wytypowany materiał rdzeniowy reprezentuje utwory węglanowe różnego wieku, od dewonu po kredę. Interpretację badań tomograficznych porównano ze szczegółową analizą sedymentologiczną wszystkich analizowanych odcinków rdzeni, co dało możliwość bezpośredniego porównania, które z badanych cech i w jakim stopniu ujawniły się w obrazie tomograficznym, a także czy obraz ten jest w stanie uzupełnić lub uszczegółowić wykonane opisy cech makroskopowych skał. Przedstawione informacje mają charakter jakościowy, tj. odnoszący się głównie do cech opisowych analizowanych skał węglanowych. Kolejnym celem niniejszej pracy było wykonanie korelacji głębokościowej obrazu ściany otworu uzyskanego w wyniku pomiaru skanerem elektrycznym XRMI™ firmy Halliburton z obrazem tomograficznym analizowanych interwałów rdzeniowych oraz rozpoznanie możliwości uszczegółowienia interpretacji obrazu mikroopornościowego na podstawie jego porównania z obrazem CT. W rozdziale 2 pracy przedstawiono ogólną charakterystykę pomiaru metodą rentgenowskiej tomografii komputerowej, uwzględniając specyfikę zastosowanego urządzenia pomiarowego. W rozdziale 3 omówiono podstawy teoretyczne pomiaru skanerem elektrycznym (XRMI™) oraz przetwarzania i interpretacji obrazu mikroopornościowego ściany otworu wiertniczego. W rozdziale 4 przedstawiono szczegółową charakterystykę sedymentologiczną i litofacjalną wykonaną na podstawie analizy cech makroskopowych wytypowanych do badań interwałów rdzeniowych. Rozdział 5 zawiera analizę stopnia odzwierciedlenia w zapisie tomograficznym wybranych cech strukturalnych i teksturalnych skał węglanowych, których geneza związana jest najczęściej bezpośrednio z procesem sedymentacji osadów lub też oddziaływaniem procesów diagenetycznych. Spośród różnych przebadanych elementów uwagę zwrócono na: strukturę gruzłową, teksturę biolitytową, teksturę onkolitową, brekcje i zlepieńce węglanowe, spotykane w skałach węglanowych typy warstwowania, szwy stylolitowe oraz efekty dolomityzacji. Rozdział 6 obejmuje analizę możliwości odtworzenia struktur biogenicznych spotykanych najczęściej w skałach węglanowych na podstawie ich zapisu tomograficznego. W ramach tego zagadnienia przebadano cały szereg form zapisu w stanie kopalnym charakterystycznych dla następujących grup organizmów: gąbek krzemionkowych i wapiennych, amfipor, koralowców kolonijnych i osobniczych, serpul, ślimaków, małżów (w tym charakterystycznych grup, takich jak inoceramy, skałotocza i małże z rodzaju Trichites), ramienionogów, liliowców i jeżowców. Ponadto zwrócono również uwagę na obecność bioturbacji. W rozdziale 7 przeanalizowano możliwości obrazowania za pomocą rentgenowskiej tomografii komputerowej różnych typów porowatości, kawernistości, a także szczelinowatości, zwracając uwagę na zróżnicowany stopień zabliźnienia szczelin (szczeliny otwarte i zabliźnione), jak również możliwość ich wypełnienia różnym materiałem mineralnym (np. cementem węglanowym lub anhydrytowym czy też substancją ilastą lub ilasto-marglistą). W rozdziale 8 omówiono wyniki korelacji obrazu tomograficznego rdzeni skał węglanowych z wysokorozdzielczym zapisem sondy XRMI™ na przykładzie czterech wybranych interwałów rdzeniowych. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że metoda rentgenowskiej tomografii komputerowej (CT) jest bardzo pomocna przy analizie różnego typu cech sedymentacyjnych i biogenicznych skał węglanowych. Należy podkreślić, że jest to metoda nieinwazyjna, dająca możliwość odtwarzania obrazu tomograficznego w różnych kierunkach bez konieczności mechanicznej ingerencji w materiał skalny, prowadzącej do niszczenia rdzenia. Wykonanie tomografii komputerowej rdzenia przed jego przecięciem i podziałem na część archiwalną i tzw. roboczą może być również bardzo przydatne dla potrzeb jego dokumentacji i archiwizacji, gdyż proces przecięcia rdzenia, a następnie pobór materiału do badań laboratoryjnych niosą ze sobą możliwość utraty niektórych istotnych informacji. Ma to szczególne znaczenie w przypadku skał węglanowych, które ze względu na swoją naturę mogą cechować się bardzo dużą zmiennością (pionową i poziomą) nawet na niewielkim odcinku rdzenia (rzędu kilku centymetrów). Wykonane w odpowiednim czasie badanie tomograficzne pozwala zachować kompletny obraz rdzenia, który może później zostać wykorzystany do różnego rodzaju analiz i interpretacji, jak również reinterpretacji pomiarów geofizycznych (w tym zwłaszcza pomiarów wykonanych skanerem elektrycznym). Do cech strukturalnych i teksturalnych najlepiej odzwierciedlonych w zapisie tomograficznym należały: struktura gruzłowa, różne typy warstwowania, przewarstwienia margliste lub ilasto-margliste, brekcja dolomityczna o teksturze agmatycznej, biolityty koralowcowe charakteryzujące się stosunkowo niewielkimi zmianami diagenetycznymi, szwy stylolitowe, a także efekty procesów selektywnej dolomityzacji. Spośród przebadanych struktur biogenicznych najlepiej odwzorowane w zapisie tomograficznym zostały: koralowce kolonijne, amfipory i kolce jeżowców, a w mniejszym stopniu także gąbki krzemionkowe oraz muszle mięczaków. Analiza różnych przykładów struktur biogenicznych zachowanych w skałach węglanowych wskazała wyraźnie na bardzo istotną rolę zarówno pierwotnego składnika mineralnego budującego elementy szkieletowe, jak też procesów diagenetycznych, mających bezpośredni wpływ na stan zachowania tych elementów. Na podstawie przeanalizowanych materiałów stwierdzono, że porowatość i szczelinowatość są jednymi z najlepiej odwzorowanych w zapisie tomograficznym cech skał węglanowych. W obrazie CT na ogół w bardzo dobrym stopniu czytelne są szczeliny otwarte, szczeliny wypełnione anhydrytem oraz szczeliny wypełnione materiałem ilastomarglistym. Natomiast szczeliny zabliźnione kalcytem rozpoznawalne są w różnym stopniu, w zależności od składu mineralnego tła skalnego. Obraz tomograficzny rdzeni może mieć również duże znaczenie w interpretacji pomiarów geofizycznych, w tym zwłaszcza wykonanych skanerem elektrycznym. Przydatność metody CT jest szczególnie istotna w przypadku odwiertów z zachowanym materiałem rdzeniowym, w których nie wykonano kompletu badań geofizyki otworowej, gdyż umożliwia ona wyliczenie ciągłych profilowań dla niektórych parametrów (takich jak gęstość czy porowatość) wzdłuż przebadanych interwałów rdzeniowych.
Abstract The monograph presents the possibilities of using X-ray computed tomography (CT) method to reflect various types of carbonate rock features in an obtained tomographic image. The technique discussed is one of the most accurate methods used in the analysis of drill cores, providing a non-invasive method of studying rocks and imaging their internal structure. Carbonate rocks are a specific group of rocks, very difficult to interpret due to a high variability of a number of parameters, such as: lithology, mineral composition, biogenic structure content, porosity, permeability, and others. The method of X-ray computed tomography (CT) can be very helpful in the analysis of various carbonate rocks features because of it enables density diversification determination of a rock medium. This methodology has a high potential to obtain better resolution with respect to certain features, macroscopically invisible in the core (e.g. due to a homogeneous colour or the effect of recrystallization). The measurements result in obtaining a spatial image of the core in the greyscale. Light colours correspond to the core fragments with a high X-ray absorption, and the dark ones to the areas of low absorption. The amount of X-ray radiation absorption is primarily affected by the density of the rock medium, as well as the atomic number of the elements included in the individual minerals. 72 sections of drill cores, approx. 1m long each, were selected for tomographic examinations to obtain results as reliable as possible. The selected core material represents carbonate formations of various ages (from Devonian to Cretaceous), originating from the boreholes situated in the Carpathian Foreland and Carpathian basement areas. The interpretation of tomographic examinations was connected with a detailed sedimentological analysis of all core sections, allowing to carry out direct comparisons, as to which of the studied features and to what extent were disclosed in the CT images, and also whether this image can supplement or make the prepared descriptions more detailed. The presented information has a qualitative nature, i.e. referring mainly to descriptive features of the analyzed carbonate rocks. Another aim of this work was to compare and refine the interpretation of the borehole micro-imager, obtained as a result of measurements by Halliburton’s XRMI™ electrical scanner, based on its comparison with the tomographic image of the analyzed core intervals. Chapter 2 describes the general characteristic of the X-ray computed tomography method measurement, as well as the specificity of the measuring equipment. Chapter 3 includes the theoretical framework of the measurement principles, image processing and application of X-tended Range Micro Imager (XRMI™) (the wireline borehole imaging tool). Chapter 4 presents detailed sedimentological and lithofacial characterization based on the analysis of macroscopic features of the selected core intervals. Chapter 5 includes the analysis of selected structural and textural features of carbonate rocks in the tomographic imaging. The following features were analyzed: nodular structures, texture of biolithites, oncolithic textures, carbonate breccias and conglomerates, various types of stratification found in carbonate rocks, stylolites, dolomitization effects. Chapter 6 contains the analysis of the biogenic structures, most often found in carbonate rocks, based on their tomographic image. As part of this issue, a number of fossil record forms were studied. They are characteristic of the following groups of organisms: siliceous and calcareous sponges, amphiporas, colonial and individual corals, serpulids (tube-dwelling polychaetes), gastropods, bivalves (including characteristic groups such as inoceramids, boring and nestling bivalves, as well as thick-walled Trichites shells), brachiopods, crinoids and echinoids. In addition, attention was paid to the presence of bioturbations. Chapter 7 presents the possibilities of X-ray computed tomography imaging of various types of porosity, cavernosity and fractures. The open fractures, calcite and anhydrite-filled fractures, as well as fractures filled with clay minerals were analyzed. Chapter 8 includes the correlation possibilities of the carbonate rock cores tomographic images with the high-resolution XRMI™ images on the example of four selected core intervals. The method of X-ray computed tomography (CT) can be very helpful in the analysis of various carbonate rocks features, such as structural and textural features, as well as biogenic structures. The discussed technique, as a non-invasive method, renders a possibility to reflect the CT image in various directions, without the necessity of mechanical interference in the rock material, resulting in the core destruction. Application of the X-ray computed tomography before dividing the core into archive and so-called ‘working’ parts can be very useful for the core documentation and archiving. The tomographic examination, carried out at the appropriate time, allows to preserve a complete image of the core. X-ray computed tomography data can also be used for various analyses and interpretations, including geophysical logs reinterpretation and borehole imaging. The structural and textural features, best reflected in the tomographic record, included: the nodular structures, different types of stratification, the marly or clay-marly interlayers, the dolomitic breccia with agmatitic texture, the coral biolithites which had not changed much as a result of diagenetic processes, the stylolitic seams, as well as the effects of selective dolomitization processes. Among the examined biogenic structures, the following were best represented in the tomographic records: colonial corals, amphiporas and echinoid spines. Siliceous sponges and shells of molluscs were also relatively well reflected. The analysis of various examples of biogenic structures preserved in carbonate rocks clearly indicated the very important role, of both the original mineral component building skeletal elements, as well as diagenetic processes having a direct impact on the state of preservation of these elements. Porosity and fracturing are the best represented features of carbonate rocks in the CT image. Open fractures as well as fractures filled with anhydrite or with clay-marly material are generally well reflected in the CT image. Fractures filled with calcite are variously recognizable, depending on the mineral composition of the rock background. The tomographic imaging of the cores may also be very important in the interpretation of geophysical logs. The usefulness of the CT method is particularly important for wells with preserved core material, in which no complete set of borehole geophysics has been done. Continuous profiles of some parameters (such as density or porosity) along the studied core intervals can be calculated from the tomographic image.
Cena egzemplarza: 60 zł netto (plus 5% VAT) Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.

TYTUŁ: Poprawa wczesnej wytrzymałości mechanicznej płaszcza cementowego z zaczynów lekkich / Improvement of the early mechanical strength of the cement coat with lightweight slurries

Autor: Marcin Kremieniewski

Recenzenci:
prof. dr hab. inż. Stanisław Stryczek
dr inż. Łukasz Kotwica

ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-35-5
DOI: 10.18668/PN2019.227

Streszczenie

Efektywność uszczelnienia otworu wiertniczego jest w głównej mierze uzależniona od prawidłowo wykonanego zabiegu cementowania i odpowiednio zaprojektowanej receptury zaczynu cementowego. Jest to szczególnie istotne w przypadku zaczynów przeznaczonych do uszczelnienia kolumn rur okładzinowych posadowionych w rejonach niskiego ciśnienia złożowego lub w strefach chłonnych. Na przełomie ostatnich lat technologia cementowania nie uległa większym zmianom, jednak coraz większe wymagania dotyczące jakości uszczelnienia otworu wymusiły wprowadzanie innowacji w składach receptur zaczynów cementowych. Jest to widoczne w przypadku zaczynów o obniżonej gęstości, których stosowanie pozwala zmniejszyć wartość ciśnienia hydrostatycznego w czasie cementowania, dzięki czemu można zapobiec ucieczce cementu w strefy chłonne. Jednak opracowanie tego rodzaju zaczynu jest problematyczne ze względu na konieczność uzyskania wymaganej wytrzymałości po krótkim czasie wiązania. W początkowym okresie hydratacji płaszcz cementowy posiada niskie wartości parametrów mechanicznych i nabiera odpowiedniej wytrzymałości dopiero w późniejszym czasie wiązania. Obecnie widoczny jest trend do skracania czasu oczekiwania na pomiary geofizyczne po zatłoczeniu i związaniu cementu, co przede wszystkim dyktowane jest względami ekonomicznymi (skrócenie czasu oczekiwania na realizację kolejnych etapów wiercenia). Zbyt wczesne wykonanie pomiarów stanu zacementowania może skutkować uzyskaniem niemiarodajnego obrazu stanu zacementowania otworu. Ponadto płaszcz cementowy powstały z zaczynu lekkiego może ulec mikrodestrukcji podczas realizacji dalszych prac po cementowaniu, w efekcie czego mogą pojawić się mikroprzepływy mediów gazowych w przestrzeni pierścieniowej.
Przedstawione w niniejszej pracy receptury zaczynów lekkich o podwyższonej wczesnej wytrzymałości mechanicznej charakteryzują się wysoką wartością wytrzymałości na ściskanie w początkowym okresie hydratacji, co przyczynia się zarówno do poprawy efektywności uszczelniania, jak również do uzyskania faktycznego obrazu stanu zacementowania podczas pomiarów geofizycznych, co było kwestią dyskusyjną podczas stosowania dotychczasowych receptur.
W publikacji zaprezentowano wyniki badań nad poprawą i zwiększeniem wczesnej wytrzymałości mechanicznej płaszcza cementowego powstałego z lekkich zaczynów cementowych. W trakcie realizacji pracy wykorzystano zarówno dotychczas stosowane, jak i nowe dodatki i domieszki pozwalające na skrócenie czasu hydratacji zaczynu oraz na wzrost wczesnej wytrzymałości mechanicznej tworzącego się płaszcza cementowego. Badania czasu wiązania i wczesnej wytrzymałości mechanicznej otrzymanego stwardniałego zaczynu cementowego przeprowadzono dla zaczynów przeznaczonych do stosowania w określonych warunkach otworowych. Wykonano również badania parametrów świeżego zaczynu, które wpływają na efektywność uszczelniania kolumn rur okładzinowych. Opracowano grupę nowych receptur zaczynów lekkich, charakteryzujących się podwyższonymi wartościami wytrzymałości mechanicznej po krótkim czasie wiązania. Dzięki temu możliwe jest prowadzenie pomiarów geofizycznych po znacznie krótszym czasie niezbędnym do związania zaczynu, przy jednoczesnym utrzymaniu na wymaganym poziomie pozostałych parametrów technologicznych, co przyczynia się do poprawy stanu uszczelnienia otworu wiertniczego.

Słowa kluczowe
Cementowanie otworu wiertniczego, zaczyn cementowy, zaczyn lekki, wczesna wytrzymałość na ściskanie, parametry mechaniczne, pomiar stanu cementowania

Abstract

The effectiveness of sealing the borehole is mainly dependent on properly carried out cementing and a properly designed cement slurry recipe. This is particularly important in the case of slurries intended for sealing columns of casing pipes mounted in areas of low reservoir pressure or in absorbent zones. Cement technology hasn’t changed much in recent years, but the increasing demand for borehole seal quality has forced the introduction of continuous innovations in cement slurry recipes. This is visible in the case of slurries with reduced density, the use of which reduces the value of hydrostatic pressure during cementation, so that cement slurry can escape into absorbent zones. However, the development of this type of cement slurry is problematic due to the need to obtain the required compressive strength after a short setting time. In the initial hydration period, the cement sheath has low mechanical parameters and acquires adequate strength only at a later setting time. Currently, there is a trend to shorten the waiting time for geophysical measurements after cement slurry crowding and setting, which is primarily dictated by economic considerations (shortening the waiting time for subsequent drilling stages). Too early cement bond logging may result in not obtaining a reliable picture of the cement state of the borehole. In addition, the cement sheath resulting from lightweight cement slurry may undergo micro-destruction during the implementation of further works after cementing, the result of which may be the occurrence of micro-flows of gaseous media through the cement sheath.
The lightweight cement slurry recipes presented in the paper have an increased early mechanical strength and characterized by a high value of compressive strength in the initial hydration period, which contributes both to improving the sealing efficiency as well as to obtaining an actual picture of the cement state during geophysical measurements, which was a questionable issue when used existing recipes.
The publication presents the results of research on improving and increasing the early mechanical strength of a cement sheath formed from lightweight cement slurries. During the implementation of the work, both previously used and new additions and admixtures were used, which allowed to reduce the hydration time of the cement slurry and to increase the early mechanical strength of the cement sheath. Tests for setting time and early mechanical strength of the obtained hardened cement slurry were carried out for slurries intended for use in specific well conditions. Tests for fresh cement slurry parameters that affect the sealing efficiency of the casing pipe columns were also carried out. A group of new lightweight cement slurry recipes was developed, characterized by increased values of mechanical strength after a short setting time. Thanks to this, it is possible to conduct geophysical measurements after a much shorter time necessary to bind the cement slurry, while maintaining the required level of other technological parameters, which helps to improve the sealing condition of the borehole.

Keywords
Well cementing, cement slurry, lightweight cement slurry, early compressive strength, mechanical parameters, cement bond logging

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

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

TYTUŁ: Kinetyka reakcji cieczy kwasujących ze skałą dolomitową / Reaction kinetics of acidizing liquids with dolomite rock

Autor: Marek Czupski

Recenzenci:
Prof. dr hab. inż. Jolanta Grzechowiak-Milewska
Prof. dr hab. Krzysztof Labus

ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-36-2
DOI: 10.18668/PN2020.228

Streszczenie

Jednym z głównych czynników mających wpływ na efektywność zabiegów kwasowania matrycowego, jak i szczelinowania kwasem jest szybkość reakcji płynu kwasującego ze skałą węglanową. Często zabiegi wykonywane przy użyciu cieczy kwasujących opartych na roztworach HCl kończą się niepowodzeniem ze względu na bardzo szybką reakcję tych cieczy z węglanami w wysokich temperaturach złożowych. Ciecz kwasująca nie penetruje wtedy odpowiednio głęboko w formację z utworzeniem otworów robaczkowych, a rozpuszcza tylko jej czoło, co skutkuje słabą efektywnością zabiegów.
Celem niniejszej pracy było określenie wpływu rodzaju cieczy kwasującej na przebieg reakcji ze skałą pochodzącą z poziomu cechsztyńskiego dolomitu głównego (Ca2). Założono również, że dzięki nowym żelowanym i emulgowanym cieczom kwasującym możliwe będzie zmniejszenie szybkości reakcji roztworów kwasu solnego z wymienioną wcześniej skałą złożową.
W ramach realizacji pracy wykonano badania stabilności emulsji typu kwas w ropie, a następnie testy reologiczne żelowanych i emulgowanych cieczy kwasujących. Badania kinetyki reakcji przeprowadzono na korkach rdzeniowych wyciętych ze skały pochodzącej z dolomitu głównego (Ca2), charakteryzujących się małymi wartościami współczynników przepuszczalności (0,03–0,14 mD) i porowatości (7,69–12,90%). Do wyznaczenia kinetyki reakcji trzech rodzajów cieczy kwasujących ze skałą złożową użyto aparatu wirujący dysk. Badania przeprowadzone na tym urządzeniu pozwoliły na określenie trzech następujących wielkości: współczynnika dyfuzji efektywnej (De), stałej szybkości reakcji (k) i rzędu reakcji (n). W części teoretycznej niniejszej publikacji opisano sposoby opóźniania szybkości reakcji cieczy kwasujących ze skałami węglanowymi. Omówiono również wpływ parametrów na szybkość reakcji cieczy kwasujących ze skałami złożowymi oraz metody wyznaczania współczynnika dyfuzji oraz szybkości reakcji. Szczegółowo opisano zastosowanie aparatu wirujący dysk do wyznaczania tych wielkości.
Badania wykazały, że wartości współczynnika dyfuzji efektywnej (De) rosną wraz z temperaturą i stężeniem kwasu solnego w zakresie od 5% do 15% oraz zależą również od rodzaju cieczy kwasującej. Największy wzrost jego wartości w analizowanym zakresie stężeń odnotowano dla roztworu HCl w temperaturze pomiarowej 30°C i wynosił on 7,10·10−8 cm2/s, natomiast najmniejszy – dla emulgowanych cieczy kwasujących w 40°C i był równy 9,20·10−10 cm²/s. Wartości tego współczynnika w przypadku żelowanych cieczy kwasujących w temperaturze 120°C są od 9- do 13-krotnie mniejsze, natomiast w przypadku emulgowanych cieczy kwasujących od 396- do 938-krotnie mniejsze w porównaniu do roztworów HCl. Z kolei wartości stałej szybkości reakcji dla emulsji kwasowych były o około rząd wielkości mniejsze niż dla żelowanych cieczy kwasujących i dwa rzędy wielkości mniejsze w porównaniu do roztworów HCl. Wszystkie wartości wyznaczonych rzędów reakcji zawierają się w zakresie pomiędzy 0 a 1, a więc typowym dla reakcji heterogenicznych. Emulgowane ciecze kwasujące – spośród cieczy poddanych badaniom – najbardziej efektywnie obniżają szybkość reakcji ze skałą dolomitową. Odbywa się to poprzez zmniejszenie szybkości transportu masy, jak i samej reakcji na powierzchni skały złożowej.
Ciecze te zostały z powodzeniem zastosowane w zabiegach kwasowania matrycowego w odwiertach zlokalizowanych w utworach dolomitu głównego. Zarówno w otworach ropnych, jak i gazowych osiągnięto wzrost produkcji z jednoczesnym spadkiem ciśnienia różnicowego, przy którym to wydobycie jest prowadzone.

Abstract

One of the main factors affecting the effectiveness of matrix acidizing treatment and acid fracturing is the reaction rate of acidizing fluid with carbonate rock. Often, treatments performed using acidizing liquids based on HCl solutions fail due to their very fast reaction with carbonates at high reservoir temperatures. The acidizing liquid does not penetrate deeply into the formation so as to create wormholes, but only dissolves its face, which results in poor treatment effectiveness.
The aim of this study was to determine the effect of the type of acidizing liquid on the rate of reaction with the rock of the Zechstein Main Dolomite (Ca2). It was also assumed that thanks to new gelled and emulsified acidizing liquids it would be possible to reduce the reaction rate of hydrochloric acid solutions with the reservoir rock mentioned earlier.
As part of the study, stability tests of acid-in-oil emulsions were performed, followed by rheological tests of gelled and emulsified acidizing liquids. Reaction kinetics studies were performed on core plugs cut from the Main Dolomite (Ca2) rock, characterized by low values of permeability coefficients (0.03 - 0.14 mD) and porosity (7.69 - 12.90%). A rotating disk apparatus was used to determine the kinetics of the reaction of reservoir rock with three types of acidizing liquids. Tests carried out on this device allowed the determination of the following three quantities: effective diffusion coefficient (De), reaction rate constant (k) and reaction order (n). Methods of reaction rate retardation of acidizing liquids with carbonate rocks were described in the theoretical part of this publication. Factors that affect reaction rate of acidizing liquids with reservoir rocks and the methods for determining the diffusion coefficient and reaction rate were also discussed. The use of a rotating disk apparatus for determining these quantities has been described in detail.
Studies have shown that the values of effective diffusion coefficient (De) increase with the temperature and concentration of hydrochloric acid in the range from 5% to 15%. Moreover, this effect depends on the type of acidizing liquid. The biggest increase in its value in the analyzed concentration range was noted for the HCl solution at the measuring temperature of 30°C, this being 7.10·10-8 cm2/s, while the smallest for emulsified acidizing liquids at 40°C was equal to 9.20·10-10 cm²/s. The values of this coefficient for gelled acidizing liquids at 120°C are from 9 to 13 times lower, while for emulsified acidizing liquids – from 396 to 938 times lower compared to HCl solutions. In turn, the reaction rate constant values for acidic emulsions were about an order of magnitude smaller than for gelled acidizing liquids and two orders of magnitude smaller compared to HCl solutions. All values of the determined orders of reaction are between 0 and 1, which is typical for heterogeneous reactions. Emulsified acidizing liquids, among all tested liquids, most effectively decrease the rate of reaction with dolomite rock. This came about due to reducing the rate of mass transport, as well as the effect of the reaction itself on the surface of the reservoir rock.
These liquids have been successfully used in matrix acidizing treatment in wells located in the Main Dolomite strata. Both in oil and gas wells, the application of these liquids have simultaneously enabled increased production and reduction of the differential pressure at which extraction is carried out.

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

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

TYTUŁ: Osady w tłokowych silnikach spalinowych / Deposits in internal combustion engines

Autorzy: Zbigniew Stępień, Wojciech Krasodomski, Michał Wojtasik.

Praca pod redakcją Zbigniewa Stępnia

Recenzenci:
Prof. dr Jan Czerwiński
Prof. dr hab. inż. Dariusz Ozimina

ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-37-9
DOI: 10.18668/PN2020.229

Streszczenie

Osady tworzone na powierzchniach różnych wewnętrznych elementów tłokowych silników spalinowych i układów z nimi współpracujących stanowią niepożądane zjawisko, narastające wraz z czasem eksploatacji silników i zagrażające ich poprawnemu działaniu. Powstawanie osadów w wyniku przebiegu procesów wtrysku paliwa, tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej i jej spalania w tłokowych silnikach spalinowych jest zjawiskiem normalnym. Dopiero na początku XXI wieku rozpoczęto szerokie, wielokierunkowe badania mające na celu ustalenie nie tylko przyczyn powstawania osadów, mechanizmów ich tworzenia i czynników sprzyjających procesom przyrostu osadów, ale także określenie składu chemicznego różnych grup osadów. Potrzeby takich badań wynikały z konieczności spełniania przez silniki sukcesywnie zaostrzanych przepisów w zakresie ochrony środowiska naturalnego człowieka, a to wiązało się z wprowadzaniem coraz bardziej złożonych konstrukcji silników oraz strategii sterowania procesami precyzyjnego, dzielonego na części wtrysku paliwa do komór spalania silników i zaawansowanych algorytmów sterujących procesami spalania w zależności od systemu spalania oraz przeznaczenia silnika. Okazało się jednak, że współdziałanie coraz bardziej złożonych technologii i rozwiązań silników, a zwłaszcza układów wtrysku paliwa, może być w sposób istotny zaburzane tworzonymi w nich osadami. Coraz bardziej skomplikowane konstrukcje silników oraz rosnąca dokładność wykonania współpracujących ze sobą elementów wymuszają konieczność wielokierunkowego badania szkodliwych osadów. Identyfikowanych jest coraz więcej czynników wpływających na tworzenie osadów, co prowadzi do opracowywania coraz bardziej złożonych klasyfikacji i podziałów osadów ze względu na ich rodzaj, skład i postać. Równocześnie poszukiwania sposobów dalszego obniżania emisji składników szkodliwych do atmosfery i poprawy sprawności silników wymuszają dalsze zmiany w konstrukcji zarówno silników, jak i samych pojazdów. Zwiększające się ciśnienie i temperatura procesów spalania silnikach w połączeniu ze zmianami ich tradycyjnego cyklu pracy wpływają na zmiany wymagań stawianych paliwom silnikowym. W konsekwencji powyższe zmiany mają wpływ zarówno na skład chemiczny, jak i morfologię tworzonych w silnikach osadów.
Wielkość tworzonych osadów koksowych może zaburzać procesy rozpylania paliwa, napełniania komór spalania silnika, zawirowania ładunku w komorach spalania, a w konsekwencji wpływać na sprawność napełniania komór spalania oraz na jakość tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej. Doprowadziło to do opracowania wielu znormalizowanych metod oceny wielkości osadów. Ustalono przy tym, że w przypadku silników ZI osadami najbardziej zagrażającymi ich poprawnej pracy, w rozumieniu zachowania deklarowanych przez producentów osiągów w czasie oraz walorów użytkowo-eksploatacyjnych, są te, które tworzą się w komorach spalania, na zaworach dolotowych, w kanałach dolotowych i na końcówkach wtryskiwaczy paliwa. W przypadku silników ZS najbardziej niebezpieczne są osady koksowe (węglowe) tworzone na zewnętrznych powierzchniach końcówek rozpylaczy wtryskiwaczy oraz wewnątrz kanalików wtrysku paliwa rozpylaczy. W Europie obligatoryjne procedury oceny wielkości różnych osadów koksowych powstających na różnych elementach, zarówno w silnikach ZI, jak i ZS, opracowywane są w ramach grup roboczych CEC (Co-ordinating European Council for the Development of Performance Tests for Transportation Fuels, Lubricants and Other Fluids).
W teoretycznej części pracy opisano problemy związane z osadami tworzonymi w tłokowych silnikach spalinowych oraz w ich układach paliwowych. Omówiono standardowe oraz niestandardowe silnikowe i analityczne metody zarówno ilościowej, jak i jakościowej oceny osadów. Przedstawiono znaczenie obecnie stosowanych metod ocen dla tworzenia klasyfikacji osadów. Wskazano zakres stosowania oraz przydatność metod do określenia zagrożeń, jakie stwarzają różnego typu osady dla funkcjonowania silnika, jak i ustalenia przyczyn ich powstawania, w tym w szczególności związanych ze składem stosowanych paliw i smarowych olejów silnikowych. Przedyskutowano wpływ składu paliw, jak również konstrukcji silników i warunków ich eksploatacji na tworzenie różnych osadów zarówno w samych silnikach, jak i w układach wtrysku paliwa. Wskazano możliwe przyczyny powstawania szkodliwych osadów. Podkreślono też ogromne znaczenie opracowywania i stosowania nowoczesnych dodatków do paliw kontrolujących i przeciwdziałających tworzeniu szkodliwych osadów silnikowych.
W części doświadczalnej zaprezentowano wyniki badań prowadzonych w ramach projektów badawczych i prac statutowych w Instytucie Nafty i Gazu – Państwowym Instytucie Badawczym. Niniejsze wyniki dotyczą:
• nieporównywalności ocen właściwości detergentowych paliw w różnych, znormalizowanych testach silnikowych;
• wielokierunkowych ocen wpływu różnych dodatków detergentowo-dyspergujących na tworzenie się szkodliwych osadów podczas testów silnikowych;
• wpływu sposobu uszlachetniania paliw na procesy ilościowego i jakościowego tworzenia osadów w tłokowych silnikach spalinowych;
• oceny wpływu wybranych związków chemicznych stanowiących zanieczyszczenia zawarte w paliwach na procesy powstawania osadów w silnikach i układach wtrysku paliwa;
• oceny wpływu różnych struktur związków chemicznych stanowiących zanieczyszczenia zawarte w paliwach i biopaliwach na procesy powstawania osadów w silnikach i układach wtrysku paliwa;
• wielokierunkowych badań wpływu biokomponentów zawartych zarówno w benzynach, jak i olejach napędowych na tendencje do tworzenia osadów silnikowych;
• wielokierunkowych badań wpływu starzenia FAME zawartego jako biokomponent w oleju napędowym na tworzenie szkodliwych osadów w silnikach i układach wtrysku paliwa.

Abstract

The undesirable deposits forming on the surfaces of various internal parts of reciprocating internal combustion engines and the systems operating in conjunction with them worsen during the operation of the engines and threaten their proper functioning. The deposits form as a normal result of the processes of fuel injection and creating and combusting the fuel–air mixture in engines. It was not investigated until the beginning of the 21st century, when extensive multi-directional research began not only to identify the causes of these deposits, the mechanisms behind their formation, and the factors leading to deposit growth, but also to determine the chemical composition of various groups of deposits. Such research became necessary because engines must comply with gradually tightening regulations on environmental protection, necessitating the introduction of increasingly complex engine designs and strategies for controlling the processes of precise and divided fuel injection into the combustion chambers and advanced algorithms for controlling the combustion processes according to the combustion system and the purpose of the engine. However, it became apparent that the co-functioning of the increasingly complex engine technologies and solutions, particularly of fuel injection systems, may be significantly disturbed by the deposits forming inside them. More and more complicated engine designs with tighter and tighter tolerances of the working parts necessitate the multi-directional testing of harmful deposits. An increasing number of factors affecting deposit formation are being identified, which leads to the development of increasingly complex classifications and subdivisions of deposits according to their type, composition, and form. At the same time, the search for lower emissions and greater engine efficiency is driving further mechanical changes in engines and vehicles. The higher temperatures and pressures connected with these changes are likely to impact the fuel being handled within the fuel and combustion systems. Such effects will inevitably cause the deposit chemistry and morphology to change.
The size of the coke deposits produced may disturb the processes of fuel atomization, of filling the engine combustion chambers and swirling the charge, and in consequence may affect the efficiency of filling and the quality of the fuel–air mixture. These problems led to the development of a number of standardized and unstandardized methods for assessing the size of deposits. It was found that in the case of SI engines, the deposits that most endanger correct engine operation are those which are formed in the combustion chambers, on the inlet valves, inlet ducts, and fuel injector tips. The most common sign of deterioration caused by deposits is the loss over time of the performance, usability, and operational value which were originally declared by the manufacturer. In the case of CI engines, the most dangerous are coke (carbon) deposits formed on the external surfaces of the fuel injector nozzle tips and inside the injector nozzle orifices. In Europe, mandatory procedures for assessing the size of different coke deposits formed on different components in both SI and CI engines are being developed by the Coordinating European Council for the Development of Performance Tests for Transportation Fuels, Lubricants, and Other Fluids (CEC).
The theoretical part of this publication reports the problems of the deposits produced in reciprocating internal combustion engines and their fuel systems. It discusses standard and non-standard engine test methods for both quantitative and qualitative assessment of deposits and presents the significance of the assessment methods which are currently used for the classification of deposits. The publication also presents the scope of application and the usefulness of methods for determining the threats posed to the functioning of an engine by various types of deposits and methods for identifying the causes of deposit formation, in particular those related to the composition of the fuels and lubricating oils used. The effects which fuel composition and the engine’s construction and operating parameters have on various engine deposits, the possible causes of deposit formation, and the importance of modern deposit control additives and high-technology solutions in counteracting this detrimental phenomenon are also all discussed.
The experimental part presents the results of research carried out at the Oil and Gas Institute – National Research Institute concerning:
• the incomparability of measurements of fuel performance obtained from various engine tests,
• studies on the influence of various deposit control additives on the formation of harmful engine deposits during engine tests,
• the influence of fuel treatments on the deposit formation processes in internal combustion engines (described qualitatively or quantitatively),
• determination of the impact which various chemical compounds, serving as contaminants within the fuels, have on deposit formation in internal combustion engines and fuel injection systems,
• determination of the impact that various chemical structures of the compounds within the fuels and biofuel blends have on deposit formation in internal combustion engines and fuel injection systems,
• studies on the influence of bio-components contained in both petrol and diesel fuels on tendency for deposits to form in internal combustion engines, and
• multidirectional studies on the impact of FAME degradation processes in biodiesel fuel blends on the formation of harmful engine deposits.

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

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

Page 3 of 14

Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy

Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego Nr 225

Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego Nr 227

Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego Nr 228

Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego Nr 229