An Experimental Investigation of Rheological and Free Water of Foam Cement System

قاسم محمد  سيد; حسن عبد الهادي عبد الحسين; احمد كريم حسن

doi:10.52716/jprs.v15i4.978

المؤلفون

قاسم محمد سيد قسم هندسة النفط/جامعة بغداد
حسن عبد الهادي عبد الحسين قسم هندسة النفط/جامعة بغداد
احمد كريم حسن وزارة النفط/مركز البحث والتطوير النفطي

DOI:

https://doi.org/10.52716/jprs.v15i4.978

الكلمات المفتاحية:

Foamed cement, Foam quality, Stability, Free water, Rheological Properties.

الملخص

نظام السمنت الرغوي هو أحد أنواع السمنت الخفيف الوزن المستخدم في عملية تدعيم آبار النفط في التكوينات الضعيفة المعرضة لمشاكل الفقدان. تهدف هذه الدراسة إلى تحديد أقرب نموذج ريولوجي لنظام السمنت الرغوي ومدى تأثير وجود الرغوة وتركيزها على اللزوجة البلاستيكية واستقرار النظام الرغوي وكذلك الماء الحر. أجرينا تجارب على عينة من السمنت الأساسي وعدة عينات من السمنت الرغوي، تم حقن نسبة حجمية من الرغوة (هواء محقون كنسبة مئوية) 15، 25، 36، و 47 في ملاط السمنت الأساسي للحصول على كثافات مختلفة من السمنت الرغوي 1.6، 1.4، 1.2، و 1.0 غم/سم³ على التوالي. لاختيار أفضل نموذج الريولوجي، تم تطبيق معيار متوسط الخطأ النسبي المطلق (EAAP) و R² لأربعة نماذج ريولوجية (بلاستيك بينغهام، قانون الطاقة، هيرشيل بولكلي وكاسون). أشارت النتائج إلى أن نموذج هيرشل-بولكلي أظهر أقرب نموذج ريولوجي بأقل قيمة لـ (EAAP) حوالي 5٪ و R²أكبر من 0.989. بالإضافة إلى ذلك، فإن زيادة نسبة الرغوة ستحسن اللزوجة اللدائنية وفي نفس الوقت تزيد استقرار نظام السمنت الرغوي، حيث انخفضت النسبة الحجمية للفقاعات الدقيقة المتحررة من 5.3٪ إلى 4.3٪ عندما زادت نسبة الرغوة من 15 إلى 47. كان الماء الحر لملاط السمنت الأساسي 2.08٪ واختفى الماء الحر تمامًا عندما زادت نسبة الرغوة عن 15٪. أظهرت البيانات المختبرية وجود علاقة مباشرة بين نسبة الرغوة واللزوجة اللدائنية واستقرار السمنت الرغوي والماء الحر، مما مكن من إنشاء نموذج موثوق للتنبؤ بأداء السمنت الرغوي واستخدامه في عمليات تسميت الآبار التي تعاني من مشاكل فقدان ملاط السمنت. تم حساب قوة ضغط الاسمنت الرغوي لعدة كثافات في رسالة الماجستير وتم الحصول على قيم ممتازة اعلى من انواع الاسمنت الخفيف الاخرى ونشرت في بحث اخر. السمنت الرغوي هو نظام جديد في عمليات تدعيم الآبار النفطية لم يطبق في العراق في الوقت الحاضر ومن المهم دراسته مسبقا للتعرف على سلوكه الريولوجي وكذلك مشكلة المياه الحرة والتي تشكل عبئا في تدعيم الآبار النفطية الأفقية أو المائلة.

المراجع

G. Murtaza, A. H. Tunio, M. A. Bhatti, and E. H. Sargani, “Designing of Cement Slurry to Enhance Compressive Strength and Rheology: An Experimental Study”, International Journal of Current Engineering and Technology, vol. 11, no. 2, 2021. https://doi.org/10.14741/ijcet/v.11.2.2.

A. H. Al-Hiti, and R. H. Hana, “Physical and Rheological Properties of Class" G" Gilsonite Cement Slurries (Experimental Study)”, Iraqi Journal of Chemical and Petroleum Engineering, vol. 4, no. 1, pp. 27–31, 2003. https://doi.org/10.31699/IJCPE.2003.1.4.

J. White, S. Moore, M. Miller, and R. Faul, “Foaming cement as a deterrent to compaction damage in deepwater production”, in IADC/SPE Drilling Conference, New Orleans, Louisiana, February 2000. https://doi.org/10.2118/59136-MS.

W. M. Harms, and J. S. Febus, “Cementing of fragile-formation wells with foamed cement slurries”, Journal of Petroleum Technology, vol. 37, no. 06, pp. 1049–1057, 1985. https://doi.org/10.2118/12755-PA.

E. B. Nelson, and W. Cementing, “Schlumberger educational services”, Houston, Teksas [Preprint], 1990.

J. Vela, H. Arias, E. Sanchez, and J. R. Garzon “Foam Cement Proven as Effective Solution for Zonal Isolation in Difficult Wellbores: A Success Field Case in Colombian Mature Fields”, in SPE Latin American and Caribbean Petroleum Engineering Conference, OnePetro, 2020. https://doi.org/10.2118/199097-MS.

D. E. Hirt, R. K. Prud’homme, and L. Rebenfeld, “Characterization of foam cell size and foam quality using factorial design analyses”, Journal of dispersion science and technology, vol. 8, no. 1, pp. 55–73, 1987. https://doi.org/10.1080/01932698708943592.

A. A. Mahmoud, A. Abdelaal, S. Adjei, and S. Elkatatny, “Foamed Cement Applications in Oil Industry Based on Field Experience: A Comprehensive Review”, ACS omega, vol. 9, no. 9, pp. 9961–9973, 2024. https://doi.org/10.1021/acsomega.3c07580

H. A. Barnes, J. F. Hutton, and K. Walters, “An introduction to rheology”, Elsevier, vol. 3, 1989.

D. Guillot, “Rheology of Well Cement Slurries”, In: E.B. Nelson and Guillot, D. (Eds.), “Well Cementing”, Schlumberger, Texas, pp. 93–142, 2006.

A. Shahriar, “Investigation on rheology of oil well cement slurries”, The University of Western Ontario (Canada) ProQuest Dissertations & Theses, 2011.

A. Pikłowska, “Cement slurries used in drilling–types, properties, application”, World Scientific News, vol. 76, pp. 149–165, 2017.

T. Kjøstvedt, “New methodology for foam cement mixing to better reflect onsite mixing method”, Master's Thesis, University of Stavanger, Norway, 2011.

Q. M. Sayed, and H. A. H. A. Hussein, “Experimental Evaluation of Stability and Rheological Properties of Foam Cement for Oil Wells”, Journal of Engineering, vol. 30, no. 02, pp. 179–190, 2024. https://doi.org/10.31026/j.eng.2024.02.12.

A. J. Hammood, Z. H. J. Al-Qaisi, “Synthesis and Characterization of Carboxymethyl Cellulose-g-poly (acrylamide) as Polymeric Drug Carrier”, Karbala Journal of Pharmaceutical Sciences, vol. 16, 2019.

B. M. A. Brito, P. M. Bastos, A. J. A. Gama, J. M. Cartaxo, G. A. Neves, and H. C. Ferreira, "Effect of carboxymethylcellulose on the rheological and filtration properties of bentonite clay samples determined by experimental planning and statistical analysis", Cerâmica, vol. 64, pp. 254–265, 2018. https://doi.org/10.1590/0366-69132018643702332.

D. Guillot, “4 Rheology of well cement slurries”, in Developments in Petroleum Science, vol. 28, pp. 4-1-4-37, 1990. https://doi.org/10.1016/S0376-7361(09)70302-4.

E. B. Nelson, and D. J. Guillot, “Rheology and Flow of Well Cement Slurries”, in Well Cementing, pp. 93–142, 2006.

T. Hemphill, W. Campos, and A. Pilehvari, “Yield-power law model more accurately predicts mud rheology”, Oil and Gas Journal; vol. 91, no. 34, 1993.

E. Broni-Bediako, O. F. Joel, and G. Ofori-Sarpong, “Comparative study of local cements with imported class ‘G’cement at different temperatures for oil well cementing operations in Ghana”, Journal of Petroleum and Environmental Biotechnology, vol. 6, no. 4, pp. 1–7, 2015. http://dx.doi.org/10.4172/2157-7463.1000233.

N. Casson, “Rheology of disperse systems”, Flow Equation for Pigment Oil Suspensions of the Printing Ink Type, Rheology of Disperse Systems, pp. 84–102, 1959.

E. C. Bingham, “Fluidity and Plasticity”, McCraw-Hill Book Company, Inc., New York, London, 439, 1922.

F. J. Adewale, A. P. Lucky, A. P. Oluwabunmi, and E. F. Boluwaji “Selecting the most appropriate model for rheological characterization of synthetic based drilling mud”, International Journal of Applied Engineering Research, vol. 12, no. 18, pp. 7614–7629, 2017.

W. H. Herschel, and R. Bulkley, “Konsistenzmessungen von gummi-benzollösungen”, Kolloid-Zeitschrift, vol. 39, pp. 291–300, 1926. https://doi.org/10.1007/BF01432034.

J. F. Ogbonna, “The secondary effects of lignosulfonate cement retarder on cement slurry properties”, Journal of Engineering and Applied Sciences, vol. 4, no. 9, pp. 1–7, 2009.

API Spec.10A, “Specification for Cements and Materials for Well Cementing, 23rd.”, American Petroleum Institute, 2002.

P. Zhang, G. Bai, G. Cui, L. Zhang, X. Peng, S. Pei, and S. Ren, “Enhanced CO2 foam based on amide and amine surfactants and synergistically coupled with sodium dodecyl sulfate at high temperature and high pressure”, Journal of Petroleum Science and Engineering, vol. 179, pp. 266–275, 2019. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2019.04.070.

X. Wei, H. Wang, Y. Xie, and Y. Du, “An experimental investigation on the effect of carboxymethyl cellulose on morphological characteristics of dust-suppression foam and its mechanism exploration”, Process Safety and Environmental Protection, vol. 135, pp. 126–134, 2020. https://doi.org/10.1016/j.psep.2019.12.009.

U. T. Gonzenbach, A. R. Studart, E. Tervoort, and L. J. Gauckler, “Ultrastable particle‐stabilized foams’, Angewandte Chemie International Edition, vol. 45, no. 21, pp. 3526–3530, 2006. https://doi.org/10.1002/anie.200503676.

API RP, “Preparation and Testing of Foamed Cement Formulations at Atmospheric Pressure”, 2015.