Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy

Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego Nr 228

TYTUŁ: Kinetyka reakcji cieczy kwasujących ze skałą dolomitową / Reaction kinetics of acidizing liquids with dolomite rock

 

 

Autor: Marek Czupski

 

 

Recenzenci:
Prof. dr hab. inż. Jolanta Grzechowiak-Milewska
Prof. dr hab. Krzysztof Labus

 

 

 

okladka 228 DRUK 500
ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-36-2
DOI: 10.18668/PN2020.228

Streszczenie


Jednym z głównych czynników mających wpływ na efektywność zabiegów kwasowania matrycowego, jak i szczelinowania kwasem jest szybkość reakcji płynu kwasującego ze skałą węglanową. Często zabiegi wykonywane przy użyciu cieczy kwasujących opartych na roztworach HCl kończą się niepowodzeniem ze względu na bardzo szybką reakcję tych cieczy z węglanami w wysokich temperaturach złożowych. Ciecz kwasująca nie penetruje wtedy odpowiednio głęboko w formację z utworzeniem otworów robaczkowych, a rozpuszcza tylko jej czoło, co skutkuje słabą efektywnością zabiegów.
Celem niniejszej pracy było określenie wpływu rodzaju cieczy kwasującej na przebieg reakcji ze skałą pochodzącą z poziomu cechsztyńskiego dolomitu głównego (Ca2). Założono również, że dzięki nowym żelowanym i emulgowanym cieczom kwasującym możliwe będzie zmniejszenie szybkości reakcji roztworów kwasu solnego z wymienioną wcześniej skałą złożową.
W ramach realizacji pracy wykonano badania stabilności emulsji typu kwas w ropie, a następnie testy reologiczne żelowanych i emulgowanych cieczy kwasujących. Badania kinetyki reakcji przeprowadzono na korkach rdzeniowych wyciętych ze skały pochodzącej z dolomitu głównego (Ca2), charakteryzujących się małymi wartościami współczynników przepuszczalności (0,03–0,14 mD) i porowatości (7,69–12,90%). Do wyznaczenia kinetyki reakcji trzech rodzajów cieczy kwasujących ze skałą złożową użyto aparatu wirujący dysk. Badania przeprowadzone na tym urządzeniu pozwoliły na określenie trzech następujących wielkości: współczynnika dyfuzji efektywnej (De), stałej szybkości reakcji (k) i rzędu reakcji (n). W części teoretycznej niniejszej publikacji opisano sposoby opóźniania szybkości reakcji cieczy kwasujących ze skałami węglanowymi. Omówiono również wpływ parametrów na szybkość reakcji cieczy kwasujących ze skałami złożowymi oraz metody wyznaczania współczynnika dyfuzji oraz szybkości reakcji. Szczegółowo opisano zastosowanie aparatu wirujący dysk do wyznaczania tych wielkości.
Badania wykazały, że wartości współczynnika dyfuzji efektywnej (De) rosną wraz z temperaturą i stężeniem kwasu solnego w zakresie od 5% do 15% oraz zależą również od rodzaju cieczy kwasującej. Największy wzrost jego wartości w analizowanym zakresie stężeń odnotowano dla roztworu HCl w temperaturze pomiarowej 30°C i wynosił on 7,10·10−8 cm2/s, natomiast najmniejszy – dla emulgowanych cieczy kwasujących w 40°C i był równy 9,20·10−10 cm2/s. Wartości tego współczynnika w przypadku żelowanych cieczy kwasujących w temperaturze 120°C są od 9- do 13-krotnie mniejsze, natomiast w przypadku emulgowanych cieczy kwasujących od 396- do 938-krotnie mniejsze w porównaniu do roztworów HCl. Z kolei wartości stałej szybkości reakcji dla emulsji kwasowych były o około rząd wielkości mniejsze niż dla żelowanych cieczy kwasujących i dwa rzędy wielkości mniejsze w porównaniu do roztworów HCl. Wszystkie wartości wyznaczonych rzędów reakcji zawierają się w zakresie pomiędzy 0 a 1, a więc typowym dla reakcji heterogenicznych. Emulgowane ciecze kwasujące – spośród cieczy poddanych badaniom – najbardziej efektywnie obniżają szybkość reakcji ze skałą dolomitową. Odbywa się to poprzez zmniejszenie szybkości transportu masy, jak i samej reakcji na powierzchni skały złożowej.
Ciecze te zostały z powodzeniem zastosowane w zabiegach kwasowania matrycowego w odwiertach zlokalizowanych w utworach dolomitu głównego. Zarówno w otworach ropnych, jak i gazowych osiągnięto wzrost produkcji z jednoczesnym spadkiem ciśnienia różnicowego, przy którym to wydobycie jest prowadzone.

 

Abstract

One of the main factors affecting the effectiveness of matrix acidizing treatment and acid fracturing is the reaction rate of acidizing fluid with carbonate rock. Often, treatments performed using acidizing liquids based on HCl solutions fail due to their very fast reaction with carbonates at high reservoir temperatures. The acidizing liquid does not penetrate deeply into the formation so as to create wormholes, but only dissolves its face, which results in poor treatment effectiveness.
The aim of this study was to determine the effect of the type of acidizing liquid on the rate of reaction with the rock of the Zechstein Main Dolomite (Ca2). It was also assumed that thanks to new gelled and emulsified acidizing liquids it would be possible to reduce the reaction rate of hydrochloric acid solutions with the reservoir rock mentioned earlier.
As part of the study, stability tests of acid-in-oil emulsions were performed, followed by rheological tests of gelled and emulsified acidizing liquids. Reaction kinetics studies were performed on core plugs cut from the Main Dolomite (Ca2) rock, characterized by low values of permeability coefficients (0.03 - 0.14 mD) and porosity (7.69 - 12.90%). A rotating disk apparatus was used to determine the kinetics of the reaction of reservoir rock with three types of acidizing liquids. Tests carried out on this device allowed the determination of the following three quantities: effective diffusion coefficient (De), reaction rate constant (k) and reaction order (n). Methods of reaction rate retardation of acidizing liquids with carbonate rocks were described in the theoretical part of this publication. Factors that affect reaction rate of acidizing liquids with reservoir rocks and the methods for determining the diffusion coefficient and reaction rate were also discussed. The use of a rotating disk apparatus for determining these quantities has been described in detail.
Studies have shown that the values of effective diffusion coefficient (De) increase with the temperature and concentration of hydrochloric acid in the range from 5% to 15%. Moreover, this effect depends on the type of acidizing liquid. The biggest increase in its value in the analyzed concentration range was noted for the HCl solution at the measuring temperature of 30°C, this being 7.10·10-8 cm2/s, while the smallest for emulsified acidizing liquids at 40°C was equal to 9.20·10-10 cm2/s. The values of this coefficient for gelled acidizing liquids at 120°C are from 9 to 13 times lower, while for emulsified acidizing liquids – from 396 to 938 times lower compared to HCl solutions. In turn, the reaction rate constant values for acidic emulsions were about an order of magnitude smaller than for gelled acidizing liquids and two orders of magnitude smaller compared to HCl solutions. All values of the determined orders of reaction are between 0 and 1, which is typical for heterogeneous reactions. Emulsified acidizing liquids, among all tested liquids, most effectively decrease the rate of reaction with dolomite rock. This came about due to reducing the rate of mass transport, as well as the effect of the reaction itself on the surface of the reservoir rock.
These liquids have been successfully used in matrix acidizing treatment in wells located in the Main Dolomite strata. Both in oil and gas wells, the application of these liquids have simultaneously enabled increased production and reduction of the differential pressure at which extraction is carried out.
  

Cena egzemplarza:60 zł netto (plus 5% VAT)

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.

 

 

 

 

 

 
 

Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego Nr 227

TYTUŁ: Poprawa wczesnej wytrzymałości mechanicznej płaszcza cementowego z zaczynów lekkich / Improvement of the early mechanical strength of the cement coat with lightweight slurries

 

 

Autor: Marcin Kremieniewski

 

 

Recenzenci:
prof. dr hab. inż. Stanisław Stryczek
dr inż. Łukasz Kotwica

 

 

 

PN 227 600x400
ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-35-5
DOI: 10.18668/PN2019.227

Streszczenie


Efektywność uszczelnienia otworu wiertniczego jest w głównej mierze uzależniona od prawidłowo wykonanego zabiegu cementowania i odpowiednio zaprojektowanej receptury zaczynu cementowego. Jest to szczególnie istotne w przypadku zaczynów przeznaczonych do uszczelnienia kolumn rur okładzinowych posadowionych w rejonach niskiego ciśnienia złożowego lub w strefach chłonnych. Na przełomie ostatnich lat technologia cementowania nie uległa większym zmianom, jednak coraz większe wymagania dotyczące jakości uszczelnienia otworu wymusiły wprowadzanie innowacji w składach receptur zaczynów cementowych. Jest to widoczne w przypadku zaczynów o obniżonej gęstości, których stosowanie pozwala zmniejszyć wartość ciśnienia hydrostatycznego w czasie cementowania, dzięki czemu można zapobiec ucieczce cementu w strefy chłonne. Jednak opracowanie tego rodzaju zaczynu jest problematyczne ze względu na konieczność uzyskania wymaganej wytrzymałości po krótkim czasie wiązania. W początkowym okresie hydratacji płaszcz cementowy posiada niskie wartości parametrów mechanicznych i nabiera odpowiedniej wytrzymałości dopiero w późniejszym czasie wiązania. Obecnie widoczny jest trend do skracania czasu oczekiwania na pomiary geofizyczne po zatłoczeniu i związaniu cementu, co przede wszystkim dyktowane jest względami ekonomicznymi (skrócenie czasu oczekiwania na realizację kolejnych etapów wiercenia). Zbyt wczesne wykonanie pomiarów stanu zacementowania może skutkować uzyskaniem niemiarodajnego obrazu stanu zacementowania otworu. Ponadto płaszcz cementowy powstały z zaczynu lekkiego może ulec mikrodestrukcji podczas realizacji dalszych prac po cementowaniu, w efekcie czego mogą pojawić się mikroprzepływy mediów gazowych w przestrzeni pierścieniowej.
Przedstawione w niniejszej pracy receptury zaczynów lekkich o podwyższonej wczesnej wytrzymałości mechanicznej charakteryzują się wysoką wartością wytrzymałości na ściskanie w początkowym okresie hydratacji, co przyczynia się zarówno do poprawy efektywności uszczelniania, jak również do uzyskania faktycznego obrazu stanu zacementowania podczas pomiarów geofizycznych, co było kwestią dyskusyjną podczas stosowania dotychczasowych receptur.
W publikacji zaprezentowano wyniki badań nad poprawą i zwiększeniem wczesnej wytrzymałości mechanicznej płaszcza cementowego powstałego z lekkich zaczynów cementowych. W trakcie realizacji pracy wykorzystano zarówno dotychczas stosowane, jak i nowe dodatki i domieszki pozwalające na skrócenie czasu hydratacji zaczynu oraz na wzrost wczesnej wytrzymałości mechanicznej tworzącego się płaszcza cementowego. Badania czasu wiązania i wczesnej wytrzymałości mechanicznej otrzymanego stwardniałego zaczynu cementowego przeprowadzono dla zaczynów przeznaczonych do stosowania w określonych warunkach otworowych. Wykonano również badania parametrów świeżego zaczynu, które wpływają na efektywność uszczelniania kolumn rur okładzinowych. Opracowano grupę nowych receptur zaczynów lekkich, charakteryzujących się podwyższonymi wartościami wytrzymałości mechanicznej po krótkim czasie wiązania. Dzięki temu możliwe jest prowadzenie pomiarów geofizycznych po znacznie krótszym czasie niezbędnym do związania zaczynu, przy jednoczesnym utrzymaniu na wymaganym poziomie pozostałych parametrów technologicznych, co przyczynia się do poprawy stanu uszczelnienia otworu wiertniczego.


Słowa kluczowe
Cementowanie otworu wiertniczego, zaczyn cementowy, zaczyn lekki, wczesna wytrzymałość na ściskanie, parametry mechaniczne, pomiar stanu cementowania

Abstract

The effectiveness of sealing the borehole is mainly dependent on properly carried out cementing and a properly designed cement slurry recipe. This is particularly important in the case of slurries intended for sealing columns of casing pipes mounted in areas of low reservoir pressure or in absorbent zones. Cement technology hasn’t changed much in recent years, but the increasing demand for borehole seal quality has forced the introduction of continuous innovations in cement slurry recipes. This is visible in the case of slurries with reduced density, the use of which reduces the value of hydrostatic pressure during cementation, so that cement slurry can escape into absorbent zones. However, the development of this type of cement slurry is problematic due to the need to obtain the required compressive strength after a short setting time. In the initial hydration period, the cement sheath has low mechanical parameters and acquires adequate strength only at a later setting time. Currently, there is a trend to shorten the waiting time for geophysical measurements after cement slurry crowding and setting, which is primarily dictated by economic considerations (shortening the waiting time for subsequent drilling stages). Too early cement bond logging may result in not obtaining a reliable picture of the cement state of the borehole. In addition, the cement sheath resulting from lightweight cement slurry may undergo micro-destruction during the implementation of further works after cementing, the result of which may be the occurrence of micro-flows of gaseous media through the cement sheath.
The lightweight cement slurry recipes presented in the paper have an increased early mechanical strength and characterized by a high value of compressive strength in the initial hydration period, which contributes both to improving the sealing efficiency as well as to obtaining an actual picture of the cement state during geophysical measurements, which was a questionable issue when used existing recipes.
The publication presents the results of research on improving and increasing the early mechanical strength of a cement sheath formed from lightweight cement slurries. During the implementation of the work, both previously used and new additions and admixtures were used, which allowed to reduce the hydration time of the cement slurry and to increase the early mechanical strength of the cement sheath. Tests for setting time and early mechanical strength of the obtained hardened cement slurry were carried out for slurries intended for use in specific well conditions. Tests for fresh cement slurry parameters that affect the sealing efficiency of the casing pipe columns were also carried out. A group of new lightweight cement slurry recipes was developed, characterized by increased values of mechanical strength after a short setting time. Thanks to this, it is possible to conduct geophysical measurements after a much shorter time necessary to bind the cement slurry, while maintaining the required level of other technological parameters, which helps to improve the sealing condition of the borehole.


Keywords
Well cementing, cement slurry, lightweight cement slurry, early compressive strength, mechanical parameters, cement bond logging
  

Cena egzemplarza:60 zł netto (plus 5% VAT)

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.

 

 

 

 

 

 
 

Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego Nr 225

TYTUŁ: Możliwości rozpoznania wybranych cech skał węglanowych na podstawie obrazu tomografii komputerowej (CT) oraz skanera mikroopornościowego (XRMI) / Representation of the selected features of carbonate rocks based on the computed tomography (CT) image and the borehole micro-imager (XRMI)

 

 

Autorzy: Andrzej Urbaniec, Katarzyna Drabik, Marek Dohnalik, Urszula Zagórska, Sylwia Kowalska

 

 

Recenzenci:
prof. dr hab. inż. Jadwiga Jarzyna
prof. dr hab. inż. Maria Bała

 

 

 

PN225duza400
ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-32-4
DOI: 10.18668/PN2019.225

Streszczenie


W monografii przedstawiono możliwości wykorzystania metody rentgenowskiej tomografii komputerowej (CT) pod kątem oceny stopnia odzwierciedlenia różnego typu cech skał węglanowych w uzyskanym obrazie tomograficznym. Wspomniana metoda stanowi jedno z bardziej precyzyjnych narzędzi stosowanych do analizowania metrowych odcinków rdzeni wiertniczych, zapewniających jednocześnie nieinwazyjny sposób badania skał i obrazowania ich struktury wewnętrznej.
Skały węglanowe stanowią dosyć trudną do interpretacji grupę skał ze względu na swą bardzo dużą, często trudną do przewidzenia, zmienność szeregu cech i parametrów, takich jak: wykształcenie litologiczne, skład mineralny, historia procesów diagenetycznych, zawartość szczątków organicznych, porowatość, przepuszczalność oraz wiele innych. Metodyka tomografii komputerowej, z uwagi na swoją specyfikę określania zróżnicowania gęstościowego ośrodka skalnego, ma teoretycznie duży potencjał uzyskania lepszej rozdzielczości obrazowania niektórych cech, które mogą być niewidoczne bezpośrednio na powierzchni rdzenia (np. ze względu na jednolitą barwę lub stopień przekrystalizowania skały). Efektem pomiarów jest otrzymanie przestrzennego obrazu rdzenia w skali odcieni szarości. Kolory jasne odpowiadają fragmentom rdzenia o wysokiej absorpcji promieniowania X, a ciemne – obszarom o niskiej absorpcji. Na wielkość absorpcji promieniowania rentgenowskiego wpływ ma przede wszystkim gęstość ośrodka skalnego, jak również liczby atomowe pierwiastków wchodzących w skład poszczególnych minerałów.
Badania tomograficzne, w celu uzyskania możliwie najbardziej wiarygodnych wyników, wykonano dla 72 interwałów rdzeniowych skał węglanowych o długości około 1 m, pochodzących łącznie z 8 otworów wiertniczych, zlokalizowanych na obszarze przedgórza i brzeżnej części Karpat. Wytypowany materiał rdzeniowy reprezentuje utwory węglanowe różnego wieku, od dewonu po kredę. Interpretację badań tomograficznych porównano ze szczegółową analizą sedymentologiczną wszystkich analizowanych odcinków rdzeni, co dało możliwość bezpośredniego porównania, które z badanych cech i w jakim stopniu ujawniły się w obrazie tomograficznym, a także czy obraz ten jest w stanie uzupełnić lub uszczegółowić wykonane opisy cech makroskopowych skał.
Przedstawione informacje mają charakter jakościowy, tj. odnoszący się głównie do cech opisowych analizowanych skał węglanowych.
Kolejnym celem niniejszej pracy było wykonanie korelacji głębokościowej obrazu ściany otworu uzyskanego w wyniku pomiaru skanerem elektrycznym XRMI™ firmy Halliburton z obrazem tomograficznym analizowanych interwałów rdzeniowych oraz rozpoznanie możliwości uszczegółowienia interpretacji obrazu mikroopornościowego na podstawie jego porównania z obrazem CT.
W rozdziale 2 pracy przedstawiono ogólną charakterystykę pomiaru metodą rentgenowskiej tomografii komputerowej, uwzględniając specyfikę zastosowanego urządzenia pomiarowego.
W rozdziale 3 omówiono podstawy teoretyczne pomiaru skanerem elektrycznym (XRMI™) oraz przetwarzania i interpretacji obrazu mikroopornościowego ściany otworu wiertniczego.
W rozdziale 4 przedstawiono szczegółową charakterystykę sedymentologiczną i litofacjalną wykonaną na podstawie analizy cech makroskopowych wytypowanych do badań interwałów rdzeniowych.
Rozdział 5 zawiera analizę stopnia odzwierciedlenia w zapisie tomograficznym wybranych cech strukturalnych i teksturalnych skał węglanowych, których geneza związana jest najczęściej bezpośrednio z procesem sedymentacji osadów lub też oddziaływaniem procesów diagenetycznych. Spośród różnych przebadanych elementów uwagę zwrócono na: strukturę gruzłową, teksturę biolitytową, teksturę onkolitową, brekcje i zlepieńce węglanowe, spotykane w skałach węglanowych typy warstwowania, szwy stylolitowe oraz efekty dolomityzacji.
Rozdział 6 obejmuje analizę możliwości odtworzenia struktur biogenicznych spotykanych najczęściej w skałach węglanowych na podstawie ich zapisu tomograficznego. W ramach tego zagadnienia przebadano cały szereg form zapisu w stanie kopalnym charakterystycznych dla następujących grup organizmów: gąbek krzemionkowych i wapiennych, amfipor, koralowców kolonijnych i osobniczych, serpul, ślimaków, małżów (w tym charakterystycznych grup, takich jak inoceramy, skałotocza i małże z rodzaju Trichites), ramienionogów, liliowców i jeżowców. Ponadto zwrócono również uwagę na obecność bioturbacji.
W rozdziale 7 przeanalizowano możliwości obrazowania za pomocą rentgenowskiej tomografii komputerowej różnych typów porowatości, kawernistości, a także szczelinowatości, zwracając uwagę na zróżnicowany stopień zabliźnienia szczelin (szczeliny otwarte i zabliźnione), jak również możliwość ich wypełnienia różnym materiałem mineralnym (np. cementem węglanowym lub anhydrytowym czy też substancją ilastą lub ilasto-marglistą).
W rozdziale 8 omówiono wyniki korelacji obrazu tomograficznego rdzeni skał węglanowych z wysokorozdzielczym zapisem sondy XRMI™ na przykładzie czterech wybranych interwałów rdzeniowych.
Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że metoda rentgenowskiej tomografii komputerowej (CT) jest bardzo pomocna przy analizie różnego typu cech sedymentacyjnych i biogenicznych skał węglanowych. Należy podkreślić, że jest to metoda nieinwazyjna, dająca możliwość odtwarzania obrazu tomograficznego w różnych kierunkach bez konieczności mechanicznej ingerencji w materiał skalny, prowadzącej do niszczenia rdzenia. Wykonanie tomografii komputerowej rdzenia przed jego przecięciem i podziałem na część archiwalną i tzw. roboczą może być również bardzo przydatne dla potrzeb jego dokumentacji i archiwizacji, gdyż proces przecięcia rdzenia, a następnie pobór materiału do badań laboratoryjnych niosą ze sobą możliwość utraty niektórych istotnych informacji. Ma to szczególne znaczenie w przypadku skał węglanowych, które ze względu na swoją naturę mogą cechować się bardzo dużą zmiennością (pionową i poziomą) nawet na niewielkim odcinku rdzenia (rzędu kilku centymetrów). Wykonane w odpowiednim czasie badanie tomograficzne pozwala zachować kompletny obraz rdzenia, który może później zostać wykorzystany do różnego rodzaju analiz i interpretacji, jak również reinterpretacji pomiarów geofizycznych (w tym zwłaszcza pomiarów wykonanych skanerem elektrycznym).
Do cech strukturalnych i teksturalnych najlepiej odzwierciedlonych w zapisie tomograficznym należały: struktura gruzłowa, różne typy warstwowania, przewarstwienia margliste lub ilasto-margliste, brekcja dolomityczna o teksturze agmatycznej, biolityty koralowcowe charakteryzujące się stosunkowo niewielkimi zmianami diagenetycznymi, szwy stylolitowe, a także efekty procesów selektywnej dolomityzacji.
Spośród przebadanych struktur biogenicznych najlepiej odwzorowane w zapisie tomograficznym zostały: koralowce kolonijne, amfipory i kolce jeżowców, a w mniejszym stopniu także gąbki krzemionkowe oraz muszle mięczaków. Analiza różnych przykładów struktur biogenicznych zachowanych w skałach węglanowych wskazała wyraźnie na bardzo istotną rolę zarówno pierwotnego składnika mineralnego budującego elementy szkieletowe, jak też procesów diagenetycznych, mających bezpośredni wpływ na stan zachowania tych elementów.
Na podstawie przeanalizowanych materiałów stwierdzono, że porowatość i szczelinowatość są jednymi z najlepiej odwzorowanych w zapisie tomograficznym cech skał węglanowych. W obrazie CT na ogół w bardzo dobrym stopniu czytelne są szczeliny otwarte, szczeliny wypełnione anhydrytem oraz szczeliny wypełnione materiałem ilastomarglistym. Natomiast szczeliny zabliźnione kalcytem rozpoznawalne są w różnym stopniu, w zależności od składu mineralnego tła skalnego.
Obraz tomograficzny rdzeni może mieć również duże znaczenie w interpretacji pomiarów geofizycznych, w tym zwłaszcza wykonanych skanerem elektrycznym. Przydatność metody CT jest szczególnie istotna w przypadku odwiertów z zachowanym materiałem rdzeniowym, w których nie wykonano kompletu badań geofizyki otworowej, gdyż umożliwia ona wyliczenie ciągłych profilowań dla niektórych parametrów (takich jak gęstość czy porowatość) wzdłuż przebadanych interwałów rdzeniowych.

Abstract

The monograph presents the possibilities of using X-ray computed tomography (CT) method to reflect various types of carbonate rock features in an obtained tomographic image. The technique discussed is one of the most accurate methods used in the analysis of drill cores, providing a non-invasive method of studying rocks and imaging their internal structure.
Carbonate rocks are a specific group of rocks, very difficult to interpret due to a high variability of a number of parameters, such as: lithology, mineral composition, biogenic structure content, porosity, permeability, and others. The method of X-ray computed tomography (CT) can be very helpful in the analysis of various carbonate rocks features because of it enables density diversification determination of a rock medium. This methodology has a high potential to obtain better resolution with respect to certain features, macroscopically invisible in the core (e.g. due to a homogeneous colour or the effect of recrystallization). The measurements result in obtaining a spatial image of the core in the greyscale. Light colours correspond to the core fragments with a high X-ray absorption, and the dark ones to the areas of low absorption. The amount of X-ray radiation absorption is primarily affected by the density of the rock medium, as well as the atomic number of the elements included in the individual minerals.
72 sections of drill cores, approx. 1m long each, were selected for tomographic examinations to obtain results as reliable as possible. The selected core material represents carbonate formations of various ages (from Devonian to Cretaceous), originating from the boreholes situated in the Carpathian Foreland and Carpathian basement areas. The interpretation of tomographic examinations was connected with a detailed sedimentological analysis of all core sections, allowing to carry out direct comparisons, as to which of the studied features and to what extent were disclosed in the CT images, and also whether this image can supplement or make the prepared descriptions more detailed.
The presented information has a qualitative nature, i.e. referring mainly to descriptive features of the analyzed carbonate rocks.
Another aim of this work was to compare and refine the interpretation of the borehole micro-imager, obtained as a result of measurements by Halliburton’s XRMI™ electrical scanner, based on its comparison with the tomographic image of the analyzed core intervals.
Chapter 2 describes the general characteristic of the X-ray computed tomography method measurement, as well as the specificity of the measuring equipment.
Chapter 3 includes the theoretical framework of the measurement principles, image processing and application of X-tended Range Micro Imager (XRMI™) (the wireline borehole imaging tool).
Chapter 4 presents detailed sedimentological and lithofacial characterization based on the analysis of macroscopic features of the selected core intervals.
Chapter 5 includes the analysis of selected structural and textural features of carbonate rocks in the tomographic imaging. The following features were analyzed: nodular structures, texture of biolithites, oncolithic textures, carbonate breccias and conglomerates, various types of stratification found in carbonate rocks, stylolites, dolomitization effects.
Chapter 6 contains the analysis of the biogenic structures, most often found in carbonate rocks, based on their tomographic image. As part of this issue, a number of fossil record forms were studied. They are characteristic of the following groups of organisms: siliceous and calcareous sponges, amphiporas, colonial and individual corals, serpulids
(tube-dwelling polychaetes), gastropods, bivalves (including characteristic groups such as inoceramids, boring and nestling bivalves, as well as thick-walled Trichites shells), brachiopods, crinoids and echinoids. In addition, attention was paid to the presence of bioturbations.
Chapter 7 presents the possibilities of X-ray computed tomography imaging of various types of porosity, cavernosity and fractures. The open fractures, calcite and anhydrite-filled fractures, as well as fractures filled with clay minerals were analyzed.
Chapter 8 includes the correlation possibilities of the carbonate rock cores tomographic images with the high-resolution XRMI™ images on the example of four selected core intervals.
The method of X-ray computed tomography (CT) can be very helpful in the analysis of various carbonate rocks features, such as structural and textural features, as well as biogenic structures. The discussed technique, as a non-invasive method, renders a possibility to reflect the CT image in various directions, without the necessity of mechanical interference in the rock material, resulting in the core destruction. Application of the X-ray computed tomography before dividing the core into archive and so-called ‘working’ parts can be very useful for the core documentation and archiving. The tomographic examination, carried out at the appropriate time, allows to preserve a complete image of the core. X-ray computed tomography data can also be used for various analyses and interpretations, including geophysical logs reinterpretation and borehole imaging.
The structural and textural features, best reflected in the tomographic record, included: the nodular structures, different types of stratification, the marly or clay-marly interlayers, the dolomitic breccia with agmatitic texture, the coral biolithites which had not changed much as a result of diagenetic processes, the stylolitic seams, as well as the effects of selective dolomitization processes.
Among the examined biogenic structures, the following were best represented in the tomographic records: colonial corals, amphiporas and echinoid spines. Siliceous sponges and shells of molluscs were also relatively well reflected. The analysis of various examples of biogenic structures preserved in carbonate rocks clearly indicated the very important role, of both the original mineral component building skeletal elements, as well as diagenetic processes having a direct impact on the state of preservation of these elements.
Porosity and fracturing are the best represented features of carbonate rocks in the CT image. Open fractures as well as fractures filled with anhydrite or with clay-marly material are generally well reflected in the CT image. Fractures filled with calcite are variously recognizable, depending on the mineral composition of the rock background.
The tomographic imaging of the cores may also be very important in the interpretation of geophysical logs. The usefulness of the CT method is particularly important for wells with preserved core material, in which no complete set of borehole geophysics has been done. Continuous profiles of some parameters (such as density or porosity) along the studied core intervals can be calculated from the tomographic image.
  

Cena egzemplarza: 60 zł netto (plus 5% VAT)

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.

 

 

 

 

 

 
 

Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego Nr 226

TYTUŁ: Zabiegi hydraulicznego szczelinowania złóż niekonwencjonalnych i metody ich analizy / Hydraulic fracturing in unconventional reservoirs, and methods of their analysis

 

 

Autorzy: Piotr Kasza

 

 

Recenzenci:
dr hab. inż. Krzysztof Labus, prof. PŚ
prof. dr hab. inż. Waldemar Kamrat

 

 

 

226okl duza400
ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-33-1
DOI: 10.18668/PN2019.226

Streszczenie


Zabiegi hydraulicznego szczelinowania od bardzo wielu lat stanowią podstawową metodę stymulacji wydobycia ze złóż węglowodorów. Pierwsze eksperymentalne próby przeprowadzenia szczelinowania miały miejsce ponad 70 lat temu w Stanach Zjednoczonych. Pierwsze polskie próby szczelinowania odbyły się w latach 50. ubiegłego stulecia na złożach Przedgórza Karpat. Od tego czasu metoda ta jest coraz częściej stosowana w przemyśle naftowym. Jej głównym celem jest zwiększenie tempa i stopnia sczerpania udostępnionych zasobów węglowodorów. Przez wiele lat technika ta była doskonalona i wykorzystywana do stymulacji złóż konwencjonalnych. Ogromna rola w doskonaleniu technologii zabiegów hydraulicznego szczelinowania przypadła Instytutowi Naftowemu. Jego pracownicy uczestniczyli w tych działaniach od samego początku. Pierwsze krajowe ciecze technologiczne do szczelinowania opracowane zostały przy współudziale Instytutu. W tym czasie technologia szczelinowania zmieniała się diametralnie. Wchodziły do użycia nowe techniki i materiały. Prawdziwy przełom i bardzo dynamiczny rozwój techniki i technologii szczelinowania jest związany z odkryciem oraz próbami udostępniania i wydobycia węglowodorów ze złóż niekonwencjonalnych. Po latach doświadczeń okazało się, że właśnie hydrauliczne szczelinowanie jest kluczem do uruchomienia tych zasobów. Od tego momentu zmiany w światowej technice i technologii szczelinowania następowały bardzo szybko. Poszukiwano coraz lepszych i doskonalszych sposobów udostępniania złóż w piaskowcach niskoprzepuszczalnych, formacjach łupkowych i pokładach węgla. Zdobyte doświadczenia potwierdziły, że w tych formacjach należy wykonywać dużo większe zabiegi szczelinowania oraz w sposób znaczący modyfikować i odpowiednio dobierać technologię do warunków złożowych. Znaczny postęp nastąpił w dziedzinie dodatków chemicznych do cieczy szczelinujących, a także materiałów podsadzkowych (Liang et al. 2015). Ogromne znaczenie w osiągnięciu sukcesów w złożach niekonwencjonalnych miała też szeroko pojęta analiza danych i diagnostyka (Shahkarami et al. 2016). Pojawiły się nowoczesne metody analizy zabiegów szczelinowania w znaczący sposób poprawiające ich efektywność. Wykorzystano też nowe narzędzia, jak choćby mikrosejsmikę, do analizy skomplikowanych geometrii szczelin, wytwarzanych w trakcie szczelinowania złóż niekonwencjonalnych, a w szczególności łupków i węgli.
W monografii tej przedstawiono wybrane informacje na temat zabiegów hydraulicznego szczelinowania, historii i rozwoju tej technologii, w oparciu o najnowsze zdobycze techniki. Przedstawiono kluczową rolę szczelinowania w udostępnianiu złóż niekonwencjonalnych. Ponadto zaprezentowano nowoczesny sposób analizy zabiegów na wybranym przykładzie szczelinowania formacji łupkowej.
W rozdziale pierwszym dokonano ogólnej charakterystyki zabiegów szczelinowania. Podano podstawowe informacje na temat niekonwencjonalnych akumulacji węglowodorów i metod ich udostępniania poprzez szczelinowanie. Wskazano najlepsze metody stymulacji tych złóż oraz najważniejsze elementy zapewniające efektywność takich działań. Wskazano też istotne różnice pomiędzy formacjami złożowymi i wynikające z tego różnice technologii ich efektywnego szczelinowania.
Drugi rozdział obejmuje opis cieczy szczelinujących i materiałów podsadzkowych. Podano w nim podstawowe cechy charakterystyczne, zadania i wymagania, jakie stawiane są cieczom szczelinującym. Dokonano także charakterystyki typowych dodatków chemicznych do cieczy oraz opisano cel, w jakim są stosowane. Omówiono też wykorzystywane materiały podsadzkowe, sposób ich badań i doboru do szczelinowania w różnych warunkach złożowych.
Rozdział trzeci stanowi zasadniczą część pracy. Jest on oparty na doświadczeniach badawczych i zawodowych autora i został poświęcony analizie wykonanych testów i zabiegów szczelinowania w otworach udostępniających złoże gazu ziemnego w formacji łupkowej. Analizy te powstały na podstawie rzeczywistych danych z przeprowadzonych szczelinowań. W pierwszej części zaprezentowano sposób przygotowania danych do wykonania projektu technicznego zabiegu. Dzięki niemu możliwe jest zaplanowanie prac stymulacyjnych w otworze. W drugiej części przedstawiono wyniki testów w małej skali – minifrac – służących do diagnostyki otworu i złoża bezpośrednio przed szczelinowaniem. Celem tych operacji jest weryfikacja przyjętych założeń projektowych oraz przygotowanie ostatecznego projektu szczelinowania. Pokazano ponadto sposoby analizy testów minifrac oraz najważniejsze informacje otrzymywane na ich podstawie. W ostatniej części rozdziału zaprezentowano przykłady wyników szczelinowania poszczególnych sekcji otworu poziomego w dwóch wariantach. Pierwszy wariant dotyczył fazy projektowania zabiegów szczelinowania. Przygotowany projekt zmodyfikowano po wykonanych testach minifrac i na tej podstawie przygotowano plan szczelinowania. Drugi wariant opracowano na podstawie danych zarejestrowanych w trakcie szczelinowania. Pozwala to na porównanie i analizę celów planowanych i faktycznie zrealizowanych.
W rozdziale czwartym dokonano podsumowania oraz zaprezentowano wnioski wynikające z wykonanych analiz. Na ich podstawie stwierdzono rozbieżność założonych parametrów geomechanicznych w porównaniu do danych uzyskanych z testów minifrac. W niektórych analizowanych przykładach potwierdzono słabą skuteczność udostępnienia złoża poprzez perforację. Potwierdzono też różnice w przyjętych i rzeczywistych parametrach złożowych, co może prowadzić do trudności w wykonaniu szczelinowania. Dzięki tym analizom potwierdzono przydatność testów minifrac do diagnostyki złoża przed szczelinowaniem przez co mogą one znaleźć zastosowanie przy projektowaniu i ocenie skuteczności zabiegów szczelinowania złóż niekonwencjonalnych.

Abstract

Hydraulic fracturing treatments for many years has been the basic method of stimulating the production from hydrocarbon deposits. The first experimental fracturing tests took place more than 70 years ago in the United States. The first Polish experiences in fracturing took place in the 50’s of the last century in the fields of the Carpathian Foreland. Since then, this method has been increasingly used in the oil and gas industry. Its main goal is to increase the rate and the volume of recovery factor of the available hydrocarbon resources. For many years, this technique has been improved and used to stimulate conventional reservoirs. The Oil and Gas Institute – National Research Institute has been participating in these activities from the very beginning, and has played a key role in improving the technology of hydraulic fracturing operations in Poland. The first technological fluids for fracturing of Polish deposits were developed by specialists from the Institute.Over the next few decades, several generations of engineers have been continuing cooperation between industry and science, which is being carried on to this day. During these several decades, the World’s fracturing technology has changed dramatically. New techniques and materials have been introduced. The real breakthrough and very dynamic development of fracturing technology is related to the discovery, completion and production of hydrocarbons from unconventional reservoirs. After years of experience, it turned out that hydraulic fracturing is the key to the development of unconventional resources. From that moment onwards the progress of fracturing technology has been rapid. Improved methods to complete the tight gas sandstones, shale formations and coal seams have been designed. Numerous experiments have confirmed, that in these formations much massive fracturing operations should be performed, and the technology should be significantly modified and adapted to the reservoir conditions. Considerable progress has also been made in the field of chemical additives for fracturing fluids and proppants. Better data analysis and diagnostics were also of great importance in achieving successes in unconventional reservoirs. Modern methods of analysing fracturing treatments have significantly improved their efficiency. New tools were also used, such as micro-seismic analysis to study the complex geometries of fractures generated during unconventional deposits fracturing, in particular in shales and coals.
This work presents fundamental information on hydraulic fracturing treatments as well as the history of its development. The key role of fracturing in unconventional reservoirs completion was underlined, and the modern techniques of analysing treatments, on the example of fracturing in shale formation were presented.
The first chapter contains the characteristics of fracturing operations. The basic information on unconventional accumulation of hydrocarbons and methods of their completion was given. The most effective methods of stimulating these deposits and key elements ensuring the effectiveness of these activities were indicated. Significant differences between these formations and the resulting differences in the technology of their fracturing were also indicated.
The second chapter includes the description of fracturing fluids and proppants, their characteristics, tasks and requirements. Specification of typical chemical additives for fluids, and the purpose for which they were used, as well as the proppants used for fracturing, method of their examination and selection for fracturing in various reservoir conditions were discussed.
The third chapter is the most extensive part of the work. It is dedicated to the analysis of the performed tests and fracturing treatments in the shale gas wells. These analyses were made on the basis of real, field data from fracturing. The first part presents the method of preparing data for the technical design of the project procedure. Based on this design it is possible to plan the stimulation treatments in a certain well. The second part of the chapter, presents the results of minifrac tests, used to diagnose the well and formation just before fracturing. The purpose of these operations is to confirm or modify the design assumptions and to prepare the final fracturing design. The method of analysing the minifrac tests, and the most important information obtained from them, are shown. The last part presents the results of fracturing of individual sections of the horizontal example well in two variants. The first treatments designed for execution and the second treatments that were actually performed.
The fourth chapter summarizes the collected information and presents the conclusions resulting from the performed analyses. Based on these analyses differences between parameters of the geomechanical model and the data obtained from minifrac were identified. In some of the analyzed cases, the tests confirmed low efficiency of reservoir completion by perforation. Also confirmed were the differences between assumed and actual reservoir parameters which may lead to difficulties during fracturing. The analysis performed, proved that the minifrac tests before the main treatment are useful in the proper planning of the main fracturing operation. It was found that they can be used in the design and evaluation of the effectiveness of fracturing operations in unconventional reservoirs.
  

Cena egzemplarza:60 zł netto (plus 5% VAT)

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.

 

 

 

 

 

 
 

Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego Nr 224

TYTUŁ: Stosowanie paliw etanolowych do silników o zapłonie iskrowym / The use of ethanol fuels to spark ignition engines

 

 

Autorzy: Zbigniew Stępień, Magdalena Żółty

 

 

Recenzenci:
Prof. Jan Czerwiński, Ph.D.
Prof. dr hab. inż. Dariusz Ozimina

 

 

 

224okl duza400
ISBN: 978-83-65649-31-7
ISSN: 2353-2718
DOI: 10.18668/PN2019.224

Streszczenie


Od wielu lat podejmowane są na całym świecie coraz bardziej intensywne działania zmierzające do ochrony środowiska naturalnego człowieka. Unia Europejska pełni wiodącą rolę w międzynarodowej walce ze zmianami klimatycznymi, w związku z tym dąży do zmniejszenia poziomu emisji gazów cieplarnianych, do którego zobowiązała się w protokole z Kioto. Dla krajów, które są jego sygnatariuszami, priorytetem jest ograniczenie zużycia energii pozyskanej z ropy naftowej i węgla kamiennego poprzez zastępowanie jej energią pochodzącą ze źródeł odnawialnych, które mogą przyczynić się do globalnej poprawy stanu powietrza.
W Unii Europejskiej drugim co do wielkości sektorem gospodarki, odpowiedzialnym za 20% emisji szkodliwych substancji, w tym gazów cieplarnianych do atmosfery, jest transport drogowy. Pozostaje on jednym z niewielu sektorów, z których emisja stale wzrasta, co niweczy postęp osiągnięty przez inne obszary gospodarki.
Wprowadzone w 2009 r. dyrektywy europejskie Renewable Energy Directive i Fuel Quality Directive umożliwiają zwiększenie zawartości etanolu w tradycyjnej benzynie silnikowej do 10% (V/V), a także sprzyjają budowie samochodów typu flex-fuel vehicle, przystosowanych do zasilania paliwem zawierającym do 85% (V/V) etanolu.
Paliwa do tłokowych silników spalinowych charakteryzują się właściwościami użytkowymi, które spełniają wysokie wymagania współczesnych silników spalinowych, realizujących skomplikowane strategie procesów spalania i wyposażonych między innymi w wielopunktowe, bardzo zaawansowane technicznie systemy wtrysku paliwa, innowacyjne systemy doładowania oraz katalityczne, wielofunkcyjne układy oczyszczania spalin.
Formuła chemiczna paliw ulega nieustannej ewolucji, głównie na skutek działań ekologów w zakresie ograniczania emisji substancji szkodliwych pochodzących ze spalania ropopochodnych paliw do powietrza atmosferycznego oraz nieustannego rozwoju silników. Działania te wymuszają na projektantach samochodów zmiany w konstrukcji układów zasilania, komór spalania, układów oczyszczania spalin, a na producentach paliw dostosowywanie ich formuły chemicznej w celu zminimalizowania emisji szkodliwych substancji powstających podczas spalania takiego paliwa. Dlatego też coraz większego znaczenia nabiera stosowanie biopaliw i biokomponentów jako dodatku do paliw konwencjonalnych.
W części teoretycznej niniejszej publikacji opisano zalety i wady stosowania etanolu jako komponentu benzyny silnikowej i paliw etanolowych. Na podstawie rozeznania dostępnej literatury branżowej przedstawiono wyniki badań wpływu etanolu na wielkość emisji szkodliwych składników do atmosfery. Skupiono się również na wyzwaniach, przed jakimi stanęli konstruktorzy silników spalinowych, aby przystosować je do eksploatacji na paliwach zawierających zwiększony udział etanolu w paliwie.
W części doświadczalnej zaprezentowano wyniki badań prowadzonych w ramach projektów badawczych i prac statutowych w Instytucie Nafty i Gazu – Państwowym Instytucie Badawczym. Wyniki te dotyczą:
•    określenia oddziaływania paliw etanolowych na parametry użytkowo-eksploatacyjne silników ZI;
•    oceny regulowanych i nieregulowanych emisji szkodliwych składników gazów wylotowych silników zasilanych paliwami etanolowymi;
•    badań wpływu paliw etanolowych na tworzenie szkodliwych osadów na elementach silników testowych;
•    wielokierunkowych badań oddziaływania paliw etanolowych na procesy degradacji smarowego oleju silnikowego.

Abstract

For many years, activities aimed at protecting man’s natural environment have been getting more and more intensive around the world. The European Union is playing a leading role in the international fight against climate change, therefore it is striving to achieve the reduction of greenhouse gas emissions to which it has committed itself in the Kyoto Protocol. For the countries that are its signatories, the priority is to reduce energy consumption obtained from crude oil and hard coal, by replacing it with energy from renewable sources that can contribute to the global improvement of the air condition.
In the European Union, the second largest sector of the economy, responsible for 20% of emissions of harmful substances, including greenhouse gases into the atmosphere, is road transport. It remains one of the few sectors whose emissions are constantly growing, thus negating the progress made by other sectors of the economy.
Introduced in 2009 the European directives: Renewable Energy Directive and Fuel Quality Directive, allow the increase of ethanol content in traditional gasoline to 10% (V/V), and also support the construction of Flex Fuel Vehicles adapted to fuel supply containing up to 85% (V/V) of ethanol.
The fuels for piston combustion engines are characterized by functional properties that meet the high requirements of modern internal combustion engines, implementing complicated combustion processes and equipped with, among others, multi-point, very technically advanced fuel injection systems, innovative supercharging systems and catalytic multifunctional exhaust gas cleaning systems.
The chemical composition of fuels is constantly evolving, mainly due to the action of environmentalists in the scope of limiting emissions of harmful substances from the combustion of fuels into the atmosphere and continuous development of engines. These activities force car designers to change the design of power systems, combustion chambers, exhaust gas treatment systems, and fuel manufacturers to adapt their chemical composition to minimize the emission of harmful substances generated during the combustion of such fuels. Therefore, the use of biofuel and biocomponents as an admixture to conventional fuels becomes increasingly important.
The theoretical part of this publication describes the advantages and disadvantages of using ethanol as a component of gasoline and ethanol fuels. Based on the knowledge of available industry literature, the results of studies of ethanol impact on the emission of harmful components into the atmosphere are presented. The focus was also on the challenges faced by the engineers of internal combustion engines to adapt them to operating with fuels containing an increased share of ethanol in the fuel.
The experimental part presents the results of research carried out as part of research projects and statutory work at the Oil and Gas Institute – National Research Institute. These results concern:
•    determination of the impact of ethanol fuels on spark ignition engine performance and their operational parameters;
•    assessment of regulated and unregulated emissions of harmful components of exhaust gases from spark ignition engines;
•    studies on the influence of ethanol fuels on the formation of harmful deposits on test engines;
•    multidirectional studies on the impact of ethanol fuels on the degradation processes of engine lubricating oil.
  

Cena egzemplarza:60 zł netto (plus 5% VAT)

Koszt przesyłki: 5 zł brutto za sztukę – list polecony

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.

 

 

 

 

 

 
 
  1. Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu – Państwowego Instytutu Badawczego Nr 223

Страница 4 из 11