Experimental testing of Bismuth alloys for Well plugging and Abandonment

Abstract

Petroleumsindustrien har boret millioner av brønner globalt gjennom sisteårhundre. Konsekvensen av dette er at et økende antall brønner må plugges de neste tiårene. Dagens teknologi og metoder for plugging av brønner oppfyller ikke standarden for en evigvarende forsegling. Metodene som er brukt i dag er ikke optimale når det gjelder materialvalg eller fleksibilitet vedrørende plassering av brønnpluggen. Det er tusenvis av brønner som må plugges i Norge de neste 10-40 årene. Med dagens teknologi vil kostnadene på disse operasjonene være i størrelsesorden på 88 milliarder USD (Linga 2021). Operatøren av brønnene er ansvarlig for en evig forsegling av brønnene som de har boret eller har eierskap til. Å plugge en brønn betyr at de naturlige barrierene som forseglet hydrokarbonene fra å stige til overflate, må igjen forsegles. Operatørselskapet er ansvarlig for mulige lekkasjer også i fremtiden. I Norge betales 78 % av brønnpluggingskostnadene av staten. Redusere kostnadene knyttet til brønnplugging vil kreve teknologiske fremskritt. En vellykket pluggeoperasjon med en forsegling laget for å vare i evig, vil redusere ekstra arbeid på brønnen, og dermed kostnaden for operatørselskapet, staten og miljøet.

Det vanligste materialet som brukes for plugging av brønner er sement. Det har vist seg å ha noen degraderende tendenser knyttet til CO2 og H2S. De siste årene har det vært en utvikling av alternative materialer. En av dem er bismuth. Denne masteroppgaven vil se nærmere på bismuth som forseglingsmateriale for plugging av brønner.

NORSOKs standard definerer kriteriene som bismuth må oppnå for å bli godkjent. Det er utført flere tester i løpet av masterprosjektet som vil bidra til evalueringen av Bismuth som tetningsmateriale. En enkel simulering av bismuthpluggeoperasjon har blitt gjort for å studere varmeoverføringen i en brønn. Modellen kan bli utvidet til å ta høyde for termisk ekspansjon, spenning og trykk osv. Fokuset i prosjektet har vært kreftene i grensesnittet mellom plugg og foringsrør; hydraulisk og skjær bindingsstyrke. Det ble utført tre separate tester for å evaluere bismuthpluggens motstandsdyktighet. Testene forsøkte å simulere trykk som pluggen opplever fra reservoaret. Målet med testene er å se på om bismuth pluggen kan redusere lengden i forholdet til dagens standard lengde for sement plugg som er typisk 50 meter.

Den første testen som ble utført var en mekanisk uttrykningstest for å måle skjærbindingsstyrken. Testen ble utført ved å gradvis forskyve et stempel som presset pluggen nedover i røret. Den kraften pluggen ble utsatt for ble registrert og omregnet til skjærbindingsstyrke. Resultatene viser at bismuth har større skjærbindingsstyrke enn sement. Hvis bismuthpluggen skulle vært designet med tanke på bare denne testen ville den vært 6,76:1 av en sementplugg (standard sement uten tilsetningsstoff).

Den andre testen er en hydraulisk uttrykningstest, hvor vann ble pumpet inn på den ene siden av pluggen. Pumpen fylte kammeret over pluggen med en konstant fyllingsrate, som gjorde at det hydrauliske trykket økte inntil pluggen nådde skjærbindingssvikt. Testen måler pluggens motstand mot væsketrykk. Når pluggen når skjærbindingssvikt, vil vannet lekke gjennom (mikro annuli). Resultatene viser samme trend som den mekaniske, men med større forskjell mellom sement og bismuth. Hvis denne testen skulle vært utgangspunktet for lengdeberegning ville lengde av pluggen vært mindre enn 1/10 av sementpluggens lengde.

Den siste testen var en lekkasjetest hvor N2-gass bygde trykk på den ene siden av pluggen mens gjennomstrømningen ble registrert. Resultatene fra testen vil vise hvor motstandsdyktig pluggen er mot gass. Resultatene viser at bismuth har høyere tetningsgrad enn sement.

Gjennom masterprosjektet har sammenligningen av det vanligste tetningsmaterialet (sement) og det alternative materialet (bismuthlegering) vært essensielt. Sammenligningen kan brukes til å finne mulige områder hvor bismuth kan erstatte sementen, og for å oppnå en mer holdbar og bedre forsegling. Resultatene viser seg å ha en høy grad av validitet, siden lignende resultat har blitt presentert av andre forskere i samme tidsrom.

For over a century, the petroleum industry has drilled millions of wells globally. As a consequence, a rising number of maturing wells needs to be plugged in the next decades. At the Norwegian Continental Shelf(NCS), thousands of wells need to be plugged in the next 10-40 years. The cost of the plugging operations is estimated to be in the order of 88 billion USD (Linga 2021). Through the tax regime, the Norwegian government pays 78% of the well plugging cost. To reduce the cost of these operations, technology improvement is essential. The current technology and methods for P&A do not meet the standards of an eternal seal. The material selection and construction flexibility are not optimal. The most common material used today for sealing is cement, and cement has shown a degrading tendency to CO2 and H2S.

In the recent years alternative materials have been in development. This master thesis will look further into bismuth alloys as an alternative material to cement. The NORSOK standards will be the framework of the criteria that bismuth has to meet. This thesis will also look further into reducing the length of the sealing plug. Today´s 50 meter plugs are not aligned with the results presented in this thesis. The focus over the course of this master thesis has been evaluating the forces on the interface between the casing and the sealing material, hydraulic, and shear bond strength.

Simulation of heat distribution during solidification of bismuth was performed using the software COMSOL. The model has the potential to simulate creep, stresses of expansion, and so on.

Three tests for evaluating the bismuth´s sealing capabilities were carried out. All the tests had cement as a reference.

First, a mechanical push-out test was performed to measure the shear bond strength of the material. The test was performed with a piston pushing the plug down the casing. The results showed that the bismuth alloy had a much higher resistance than cement, a ratio of 6,76:1 (cement without additives).

Secondly, a hydraulic push-out test was performed by filling water on one side of the plug in the casing. Then water was pumped with a constant filling rate and the pressure was measured. A sudden drop in pressure was seen when the plug reached the shear bond failure. The results from the test showed similar trends as the mechanical push-out, but the difference between bismuth and cement were even higher. If the hydraulic pressure result was the only factor for reducing the plug length of bismuth alloy, the plug would be less than 1/10 of the cement plug length.

Finally, a leakage test was performed to measure the hydraulic bond strength. The test was executed with cement, bismuth alloy and a pushed bismuth alloy. The pushed bismuth alloy had been pushed 14 mm down the casing during the mechanical push-out test. The test was performed by applying N2-gas pressure on one side. The other side was open to atmospheric pressure. The pressure difference and the flow through the plug was measured. The trend showed that the bismuth had a much higher resistance to the gases than cement. But there was an interesting discovery: the pushed bismuth plug had twice the resistance to gas leakage than the newly cast bismuth plug. The reason for this might be because the plug had been compressed and the bismuth being pushed more into the casing, making a better sealing.