Experimental Testing and Qualification of Bismuth in the Laboratory: The Utilisation of Bismuth Plugs in Plug and Abandonment

Abstract

Nedstengning av allerede eksisterende brønner på norsk sokkel, nye brønner som bores og de mange brønnene som må plugges på nytt, er en økende bekymring i petroleumsindustrien. Plugging av brønner er en tidkrevende og kostbar prosess som må forbedres for å kunne redusere kostnadene. Konvensjonelt fungerer sement som standard barrieremateriale for plugge- og nedstengningsoperasjoner. Prosessen må imidlertid forbedres for å oppfylle kravene om ugjennomtrengelig isolasjon fra potensielt strømmende formasjoner. Ved å introdusere et nytt barrieremateriale kan man oppnå den nødvendige påliteligheten.

Å kvalifisere vismut som et alternativt barrieremateriale gir operatørene et alternativ utover sement. Vismut, et metall med unike egenskaper, er skreddersydd for P&A-applikasjoner. Noen av vismut sine viktigste egenskaper er ugjennomtrengelighet, utivdelse og ikke-korrosivitet. Det kan også bidra til å redusere den nødvendige plugglengden betydelig sammenlignet med dagens sementpluggspesifikasjoner.

Hovedformålet med denne avhandlingen er å gi innsikt i den pågående utviklingen av vismut, diskutere testprosessen av barriereelementer og foreslå løsninger for fremtidig arbeid for å standardisere materialet. Den gir også innsikt i regelverk og krav som en P&A-operasjon må oppfylle, i tilleg til det økonomiske aspektet.

Masteren er delt inn i tre deler: en evaluering av pumpehastigheter brukt i testprosedyren av vismut, testing av krypegenskapene til vismut og til slutt en økonomisk evaluering av pluggeprosedyren med vismut. Ulike pumpehastigheter fra 0,01 ml/min til 8 ml/min ble brukt for å evaluere styrken til vismut. Testingen ble også utført for å bekrefte tidligere hydrauliske tester på vismut hvor pumpehastigheten har vært konstant. De tidligere eksperimentene brukte kun 0,2 ml/min og 0,4 ml/min uten noen begrunnelse for valget av hastighet. Disse ble nå bekreftet som passende hastigheter å bruke i vismutkvalifiseringsprosesser. Det anbefales imidlertid å bruke høyere verdier innenfor området 0,2 ml/min til 1 ml/min for å fasilitere massetesting av vismut. Kryp-deformasjon ble testet i temperaturområdet fra 40 grader C til 120 grader C. I henhold til dataen som ble samlet inn under eksperimentene, kommer det frem at temperaturen påvirker oppførselen til kryp-deformasjonen. Med økende temperatur reduseres forlengelsen av prøvene og bruddtiden synker. Informasjonen som ble samlet inn ga en bedre forståelse av krypoppførselen i den undersøkte vismut-tinn-legeringen. Den økonomiske vurderingen av et mulig P&A-scenario med vismut-tinn-legeringer konkluderte med at de største kostnadsbesparelsene ville skyldes spart tid, noe som kan redusere riggkostnadene. En tidsanalyse av tidssparingene vil imidlertid fortsatt være vanskelig å beregne på grunn av ukjente faktorer og parametere som påvirker kostnadene og som kun vil bli avdekket når vismutplugger er integrert i P&A-verktøykassen.

The decommissioning of already existing wells on the NCS, new wells drilled in addition to the many wells that need to be plugged is a growing concern in the petroleum industry. Plugging wells is a time-consuming and expensive process that needs to be enhanced to be able to reduce costs. Conventionally, cement serves as the standard barrier material for Plug and Abandonment operations. However, the process has to be enhanced to meet the requirement of an impermeable isolation of potentially flowing formations. One can achieve the required reliability of a barrier by introducing a new barrier material.

Qualifying bismuth as an alternative barrier material provides operators with an option beyond cement. Bismuth, a metal with unique characteristics, is tailor-made for P&A applications. Some of bismuth's key properties are impermeability, expansion, and non-corrosivity. It can also significantly reduce the required plug length compared to cement plugs' current length specifications.

The main scope of this thesis is to give insight into the ongoing development of bismuth, discuss the testing process of the WBE, and suggest solutions for future work to standardise the material. It also gives an insight into the regulations and requirements that a P&A operation needs to fulfil and the economic aspects. The thesis is divided into three parts: an evaluation of pumping rates used in the testing procedure of bismuth, a testing of the creep behaviour of bismuth, and finally, an economic evaluation of the plugging procedure with bismuth.

Pumping rates used for earlier experiments were deemed good due to trends observed in the test results for a larger range of rates (0.01 ml/min to 8 ml/min). This underlined the correctness of the rates used in earlier experiments to aid the qualification of bismuth. However, it is recommended to use rates of higher values, within the range of 0.2 ml/min to 1 ml/min, to facilitate mass testing of bismuth.

Creep was tested in the temperature range of 40 degrees C to 120 degrees C. Regarding the data collected during the experiments, temperature seems to affect creep. With increasing temperature, the elongation of the specimens decreases and the rupture time decreases. The information gathered was state-of-the-art data and provided a further understanding of creep behaviour in the bismuth-tin alloy.

The economic assessment of a possible P&A scenario with bismuth-tin alloys concluded that the main cost savings would be due to time saved, which can reduce the rig cost. However, time analysis of the time savings will still be hard to compute due to unknown cost factors and parameters such as learning curves.