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变废为宝:性能更佳的封堵材料

变废为宝:性能更佳的封堵材料

一种常见的油气行业副产品,如何通过研究重塑,成就一种更好的固井选择?在进行P&A作业时,总希望能够进行更安全、更环保的层位封堵废弃作业,实现永久零泄漏。而新型材料的研发,让我们距离该目标更进一步。

来自 | Upstream
编译 | 周诗雨 影子

五年前,Mahmoud Khalifeh接到了一项任务—开发一种比水泥性能更好的P&A材料,同时还要保留该材料的一些重要特征。

对于当时身为斯塔万格大学博士生的Khalifeh来说,这是一个非常适合他的课题。他一直对P&A技术特别感兴趣。他谈到这个项目的研究人员时说,“我们列一个清单,然后逐个审查清单上的这些候选项。”

团队有一个关于新材料的性能需求清单—它必须与现有的固井设备兼容,同时固化后必须与套管和岩石形成良好的胶结。材料的收缩率应该尽可能小,同时非渗透性要达到盖层岩石的级别。

Khalifeh说:“我们得出的结论是,我们应该研究的是胶凝类材料,特别是地聚合物,它们具有聚合物结构,同时完全是无机的。”

变废为宝:性能更佳的封堵材料

人造岩石:这里使用了两种不同原岩来制作SafeRock这种新的地聚合物。它的发明人说,这种材料的收缩性最小,比波特兰水泥的非渗透性高1000倍。

通过多年不懈的研究和反复试验,Khalifeh研发了一种人造岩石的样品,该岩石能够影响现有的封堵和废弃作业。

Khalifeh说,这款被称为SafeRock的地聚合物,能够满足项目开始时所设定的所有要求。液体状态下的SafeRock能够进行泵送,与水泥3%~4%的收缩率相比,它的收缩率只有0.5%。非渗透率性是硅酸盐水泥的1000倍。

至于无机成分,研究小组最初想用的是粉煤灰,一种煤燃烧过程中产生的可强化混凝土的物质。但是由于挪威没有燃煤电厂,因此也没有现成的粉煤灰供应。然而,挪威却生产大量的苏长岩,一种钛矿开采时产生的废料。

在实验室的实验中,苏长岩研磨后与氢氧化钠和氢氧化钾混合,就制成了粘合剂。他说:“SafeRock会发生地聚合反应,也就是说粘合剂会吸附机械活化后的苏长岩,让整个化学反应变得更活跃。这些活化物质会形成共价键,并具备相当的强度。换句话说,苏长岩通过研磨后,化学性质更活泼,然后加入粘合剂会加速整个反应的完成。”

环境效益

Khalifeh表示,整个项目一个重要的方面就是能够减少水泥生产过程中的碳排放量。“我们的目标是最大限度地减少加工作业和相关的能源使用量,”他指出,“每生产1000公斤水泥大约会产生600~650公斤二氧化碳。”另外他还指出,生产以苏长石为基础的人造岩石比用水泥产生的二氧化碳要少约70%。

“这是一种环保型的材料,可以放心使用已有的固井装置(现有的钻井平台和船只)进行泵送。唯一需要的加工就是研磨。我们的这种岩石不需要进行煅烧,只需要研磨。而液相时是一种碱硅酸盐溶液”。

SafeRock

Khalifeh指出,另一种使用了不同岩石做原材料的类似材料已经用于了澳大利亚的一个建筑项目中,包括一座桥梁和一个图书馆的修建。研究团队利用油气公司提供的实际油井数据,对不同温度和压力下材料的成分强度、流变性和性能表现进行了测试。

研究人员在SINTEF对SafeRock的长期耐久性进行了评估。SINTEF是DrillWell的研发合作伙伴之一,其他研究伙伴包括IRIS、斯塔万格大学、挪威科技大学(NTNU)和挪威研究委员会。DrillWell的工业合作伙伴是Aker、BP、康菲、挪威石油和温特沙尔石油公司。

岩石硬度

其他的测试表明,这种以苏长石为基础的岩石能够承受极端的温度变化。Khalifeh在网上发布了一个视频,他用火把岩石加热了整整三分钟,然后将其浸入冷水中。

“没有产生任何裂缝,”他说,“所以这种材料可以用于注蒸汽井和地热井,但是还需要对混合成分进行优化。这种岩石也可以用于碳的捕集和封存(CCS)。”

他解释说:“水泥的主要成分是钙,当进行二氧化碳封存时,二氧化碳会吸附住钙。由于存在逆反应,因此封存效果并不是很稳定。

SafeRock含有约10%的钙,大大降低了二氧化碳或硫化氢(H2S)可能造成的损害风险,他补充说,人造石在设计时也可以完全去掉钙成分。

现在已经是斯塔万格大学博士后和助理教授的Khalifeh,正在努力进一步完善SafeRock。他非常希望这种材料既能用于海下,也能用于地面工程。Khalife拥有这项材料的专利,他正在行业中寻求合作伙伴,希望能够在2018年实现三口井的现场测试计划。

他说:“我们现在没有足够多的能够进行井内测试的研磨材料。我们让一家公司为我们研磨了大约100吨符合颗粒大小要求的,而且我们可能会在美国进行测试,因为在陆上进行测试会更安全一些。”

“油气行业有规定,要求进行永久封堵和废弃的井中不能有任何的泄露。然而,水泥本身的性能、现有的技术和人为因素都表明,零泄漏可能是无法实现。”Khalifeh说,他希望这款新材料能够解决这一问题。

他表示,一个永久报废井就应该一直被堵住。“我们必须找到合适的技术来防止泄漏。”

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