Thermal Modeling and Experimental Analysis of Bismuth Alloy as a Reliable Well Barrier Material

Abstract

Riktig plugging og forlatelse av olje og gass brønner er viktig for å sikre miljøet og samfunnene rundt disse brønnene. Tradisjonelle brønnbarrieremateriale som sement har begrensinger som har ført til forskning av bismuth-legeringer som mulige alternativer. Denne master oppgaven har som mål å undersøke potensialet av bismuth-legeringer som pålitelige brønn barrieremateriale under plugging og forlatelse (P\&A) operasjoner. Forskningsmålene inkluderer termisk modellering for å forstå varme overføringen under smelting og stivning av legeringen inne i brønnen. Bestemme den nødvendige varmeeffekten og hvordan temperatur endringene påvirker foringsrør, sement, og formasjonen. I tillegg ble den hydrauliske bindingsstyrken av bismuth-tinnlegeringen undersøkt gjennom laboratorieeksperimenter med varierende trykk og temperaturer ved hjelp av hydraulisk trykktesting.

Termisk modellering simuleringer viste at toppen og bunnen av legerings pluggen stivner først, som resulterer i en radiell ekspansjon i retningen mot foringsrørene, som skaper en tett forbindelse og en teoretisk sterk brønnbarriere. Videre viste modelleringen at ringrommet kan effektivt plugges ved å erstatte saltvannsløsningen med bismuth legering før smelte prosessen. Dette kan gjøres ved å bruke små kuler. Ved å ikke erstatte saltvannsløsningen, vil den fungere som en isolator, og forårsake veldig høye temperaturer. Dette vil forlenge plugging og forlatelse prosessen og kan føre til skade på utstyr. En annen betydelig oppdagelse var at eksisterende sement brønnbarrierer kan bli permanent skadet av de høye temperaturene som nås under smeltingen. Det anbefales derfor å fjerne eksisterende sementbarrierer når bismuth-legering brukes som brønnbarrieremateriale.

Laboratorieeksperimentene viste at bismuth-tinnlegeringen som stivner under et konstant trykk har høyere hydraulisk bindingsstyrke sammenlignet med tester uten konstant trykk under stivningen. Imidlertid førte økende trykk over et bestemt punkt ikke til en høyere hydraulisk bindingsstyrke, ettersom den utviklete motstanden, reduserte med økende trykk. Lengre herdetid førte også til økende hydraulisk bindingsstyrke. Dessverre ble ikke eksperimentene som undersøkte virkingen av varierende temperatur, fullført i tide på grunn av uforutsette problemer.

Forslag til fremtidig arbeid inkluderer å fortsette med temperaturtestene for å utforske grensene til bismuth-legeringer, undersøke effekten av ruhet i rørene på hydraulisk bindingstyrke, måle temperaturendringer under stivning, eksperimentere med ulike forurensninger i prøvene, utforske ulike legerings sammensetninger og mulig finne en egnet erstatning for støpesanden i laboratorieeksperimentene.

The proper abandonment of oil and gas wells is critical to ensure the safety of the environment and the communities surrounding these wells. Traditional well barrier materials such as cement have limitations, leading to exploring bismuth alloys as a potential alternative. This master thesis aims to investigate the potential of bismuth alloys as reliable well-barrier materials for plug and abandonment (P\&A) operations. The research objectives include thermal modeling simulations to understand heat transfer during melting and solidification of the alloy inside a wellbore. Determining the power output required, and assessing how the temperature affects the casing, cement, and formation. Additionally, the hydraulic bond strength of the bismuth-tin alloy was examined through laboratory experiments, with varying pressure and temperatures using hydraulic pressure testing.

The thermal modeling simulations showed that the top and bottom of the plug solidify first, resulting in radial expansion towards the casing, creating a tight connection and theoretically a strong well barrier. Additionally, the modeling showed that the annulus would be effectively plugged by displacing the brine with bismuth-tin alloy prior to the melting. This could be done using small pellets. By not displacing the brine, it will act as an insulator and lead to potentially high temperatures. This would prolong the abandonment process and may risk equipment damage. Another significant finding was that existing cement barriers could be permanently damaged by the high temperatures reached during the melting of the alloy. It is therefore advisable to remove preexisting cement barriers while utilizing bismuth alloys as a well-barrier material.

Laboratory experiments demonstrated that bismuth-tin alloy solidifying under a setting pressure exhibits higher hydraulic bond strength compared to tests without setting pressure. However, increasing the setting pressure beyond a certain point did not show yield higher hydraulic bond strength, as the developed resistance decreased with increasing setting pressure. Longer curing times also showed increased hydraulic bond strength. Unfortunately, due to unforeseen problems, the experiments investigating the varying temperature could not be completed in time.

Future work suggestions include continuing the temperature tests to explore the limits of bismuth alloys, investigating the impact of pipe roughness on hydraulic bond strength, measuring temperature change during solidification, experimenting with different contaminants in the samples, exploring different alloy compositions, and finding a suitable replacement for casting sand in laboratory experiments.