Experimental testing of Bismuth alloys for Well plugging and Abandonment
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3014809Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
Beskrivelse
Full text not available
Sammendrag
Petroleumsindustrien har boret millioner av brønner globalt gjennom sisteårhundre. Konsekvensenav dette er at et økende antall brønner må plugges de neste tiårene. Dagens teknologi og metoderfor plugging av brønner oppfyller ikke standarden for en evigvarende forsegling. Metodene som erbrukt i dag er ikke optimale når det gjelder materialvalg eller fleksibilitet vedrørende plasseringav brønnpluggen. Det er tusenvis av brønner som må plugges i Norge de neste 10-40 årene. Meddagens 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 dehar boret eller har eierskap til. Å plugge en brønn betyr at de naturlige barrierene som forseglethydrokarbonene fra å stige til overflate, må igjen forsegles. Operatørselskapet er ansvarlig formulige lekkasjer også i fremtiden. I Norge betales 78 % av brønnpluggingskostnadene av staten.Redusere kostnadene knyttet til brønnplugging vil kreve teknologiske fremskritt. En vellykketpluggeoperasjon med en forsegling laget for å vare i evig, vil redusere ekstra arbeid på brønnen, ogdermed kostnaden for operatørselskapet, staten og miljøet.
Det vanligste materialet som brukes for plugging av brønner er sement. Det har vist seg å hanoen degraderende tendenser knyttet til CO2 og H2S. De siste årene har det vært en utvikling avalternative materialer. En av dem er bismuth. Denne masteroppgaven vil se nærmere på bismuthsom forseglingsmateriale for plugging av brønner.
NORSOKs standard definerer kriteriene som bismuth må oppnå for å bli godkjent. Det er utførtflere 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 ien 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 ogskjær bindingsstyrke. Det ble utført tre separate tester for å evaluere bismuthpluggens motstandsdyktighet. Testene forsøkte å simulere trykk som pluggen opplever fra reservoaret. Målet medtestene er å se på om bismuth pluggen kan redusere lengden i forholdet til dagens standard lengdefor 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. Denkraften pluggen ble utsatt for ble registrert og omregnet til skjærbindingsstyrke. Resultatene viserat bismuth har større skjærbindingsstyrke enn sement. Hvis bismuthpluggen skulle vært designetmed tanke på bare denne testen ville den vært 6,76:1 av en sementplugg (standard sement utentilsetningsstoff).
Den andre testen er en hydraulisk uttrykningstest, hvor vann ble pumpet inn på den ene siden avpluggen. Pumpen fylte kammeret over pluggen med en konstant fyllingsrate, som gjorde at dethydrauliske trykket økte inntil pluggen nådde skjærbindingssvikt. Testen måler pluggens motstandmot væsketrykk. Når pluggen når skjærbindingssvikt, vil vannet lekke gjennom (mikro annuli).Resultatene viser samme trend som den mekaniske, men med større forskjell mellom sement ogbismuth. Hvis denne testen skulle vært utgangspunktet for lengdeberegning ville lengde av pluggenvært mindre enn 1/10 av sementpluggens lengde.
Den siste testen var en lekkasjetest hvor N2-gass bygde trykk på den ene siden av pluggen mensgjennomstrømningen ble registrert. Resultatene fra testen vil vise hvor motstandsdyktig pluggener mot gass. Resultatene viser at bismuth har høyere tetningsgrad enn sement.
Gjennom masterprosjektet har sammenligningen av det vanligste tetningsmaterialet (sement) ogdet alternative materialet (bismuthlegering) vært essensielt. Sammenligningen kan brukes til åfinne mulige områder hvor bismuth kan erstatte sementen, og for å oppnå en mer holdbar og bedreforsegling. Resultatene viser seg å ha en høy grad av validitet, siden lignende resultat har blittpresentert 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 NorwegianContinental Shelf(NCS), thousands of wells need to be plugged in the next 10-40 years. The costof the plugging operations is estimated to be in the order of 88 billion USD (Linga 2021). Throughthe tax regime, the Norwegian government pays 78% of the well plugging cost. To reduce the costof these operations, technology improvement is essential. The current technology and methodsfor P&A do not meet the standards of an eternal seal. The material selection and constructionflexibility are not optimal. The most common material used today for sealing is cement, andcement has shown a degrading tendency to CO2 and H2S.
In the recent years alternative materials have been in development. This master thesis will lookfurther into bismuth alloys as an alternative material to cement. The NORSOK standards willbe the framework of the criteria that bismuth has to meet. This thesis will also look further intoreducing the length of the sealing plug. Today´s 50 meter plugs are not aligned with the resultspresented in this thesis. The focus over the course of this master thesis has been evaluating theforces on the interface between the casing and the sealing material, hydraulic, and shear bondstrength.
Simulation of heat distribution during solidification of bismuth was performed using the softwareCOMSOL. 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 hadcement as a reference.
First, a mechanical push-out test was performed to measure the shear bondstrength 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 of6,76:1 (cement without additives).
Secondly, a hydraulic push-out test was performed by filling water on one side of the plug in thecasing. Then water was pumped with a constant filling rate and the pressure was measured. Asudden drop in pressure was seen when the plug reached the shear bond failure. The results fromthe test showed similar trends as the mechanical push-out, but the difference between bismuth andcement were even higher. If the hydraulic pressure result was the only factor for reducing the pluglength 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 wasexecuted with cement, bismuth alloy and a pushed bismuth alloy. The pushed bismuth alloy hadbeen pushed 14 mm down the casing during the mechanical push-out test. The test was performedby applying N2-gas pressure on one side. The other side was open to atmospheric pressure. Thepressure difference and the flow through the plug was measured. The trend showed that thebismuth had a much higher resistance to the gases than cement. But there was an interestingdiscovery: the pushed bismuth plug had twice the resistance to gas leakage than the newly castbismuth plug. The reason for this might be because the plug had been compressed and the bismuthbeing pushed more into the casing, making a better sealing.