Katkı maddelerinin kuyu çimentosu donma sıcaklığına ve koruma borusu tasarımına etkisi

Çimento, fırında bir arada yanan alümina, silis, demir ve magnezyum oksit gibi çeşitli hammaddelerin kompozisyonudur. Tüm prosedürün sonunda toz şeklinde elde edilir. Bu hammadde petrol endüstrisi de dâhil olmak üzere pek çok sanayide yaygın olarak kullanılmaktadır. Sondaj işlemlerinde çimento, koruma borusu ve formasyon arasında izolasyon sağlamak amacıyla kullanılır. Koruma borusunu desteklemeye yardımcı olur ve formasyondan kuyunun içine akışkan göçünü engelleme amacıyla kullanılır. Petrol endüstrisinde, çimento şerbeti çoğunlukla çimento ile su ve bazı katkı maddelerinin çeşitli amaçlarla yüzeyde karıştırılmasından oluşur. Çimento şerbeti kuyudaki sorunların tipine göre hazırlanır ve kuyu boyunca koruma borusu ile formasyon arasında yer alır. Kuyuların derinliklerine ve maruz kaldıkları sıcaklık ve basınçlara göre katkı maddeleri de çimento şerbetine ilave edilir. Katkı maddeleri çimentonun kalınlaşma zamanı, viskozite, dayanım, donma zamanı gibi özelliklerinin ayarlanması amacıyla çimento şerbetine ilave edilir. Katkı maddeleri kuyudaki karşılaşılan problemleri ortadan kaldırmaya yardımcı olurken bu bileşenlerin ters etkileri diğer özelliklerini de değiştirebilir. Örneğin hızlandırıcılar, erken dönemde hidratasyon oranını arttırmaya yardımcı olurken, geciktiriciler hidratasyonu ve dayanımı önler veya şerbetlerde kalınlaştırıcıların olması onun vizkozitesinin artmasına sebep olduğundan dolayı pompalanabilirliğini azaltır. Özellikle, permafrost zonlarında ve son derece derin kuyularda, yüzeydeki şerbetlerin tasarımı daha da karmaşık hale gelebilir. Abnormal basınçlar ve termal yükler, çimento şerbetini doğrudan etkiler ve yüzeydeki çimento bileşimindeki ilave maddeler, bu belirli durumlarda bulamacın fiziksel özelliklerini de değiştirebilir. Çimentonun karışımının donma süreci doğal ekzotermik bir kimyasal reaksiyondur. Bu çalışmada, iki farklı katkının çimento bulamacında ekstra ısı oluşumuna etkisi deneysel olarak araştırılmıştır. İki farklı yaygın olarak kullanılan katkılar, sürtünme azaltıcı, CFR – 3 ve sıvı kaybı katkı maddesi olan Halad9 testler boyunca kullanılmıştır. 120 farklı kompozsiyon için testler gerçekleştirilmiştir. Çimento bünyesindeki sıcaklık değişimleri 24 saat boyunca gözlemlenmiştir. Deneylerin her bir setinde, sıvı kaybı katkısı konsantrasyonları, çimento ağırlığının % 0.1'inden % 1.0'a kadar arttırılırken, sürtünme azaltıcı konsantrasyonunun her sette sabit tutulduğu 12 farklı grupta numuneler incelenmiştir. Tüm numunelerin testleri, API 10 B - Kuyu Çimentolarını Test Etmek İçin Tavsiye Edilen Uygulama Şartnamesine uygun olarak gerçekleştirilmiştir. Sıcaklık davranışlarını gözlemlemek amacıyla hazırlanmış çimento bulamaçları çevrel ısıdan etkisinin en aza indirilmesi amacıyla özel izole kaba yerleştirilmiştir. Bununla beraber kap ve kapağı çevresindeki sıcaklık etkilerini ortadan kaldırmak için yalıtım bandı ile sarılmıştır. Sıcaklık veri kayıt cihazı çimento bulamacının üzerindeki kapaktan geçerek güvenli bir şekilde çimento şerbetinin hemen üstünde alıcı olacak şekilde kaba yerleştirilmiştir. Deneylerden elde edilen sonuçlar, katkı maddelerinin, çimentonun ısınması üzerine direkt etkisini göstermektedir. Farklı katkılar için farklı konsantrasyonlarda çeşitli sıcaklık okumaları kaydedilmiştir. Çimento, su ve CFR-3 karışımı deneylerinde sürtünme azaltıcının sıcaklık değişiminde etkisi bireysel olarak incelenmiş ve deney sonuçlarından 70.8 0C sonuç alınmıştır. Bu sonuç CFR-3'ün %0.9 oranında elde edilmiştir. Bununla beraber, Halad9 sıvı kaybı kontrol katkısının çimento ve su karışımı üzerindeki etkisi de deneylerde ayrı ayrı incelenmiştir. CFR-3'den farklı olarak Halad9 katkı maddesinin sıcaklık üzerindeki etkisi daha düşük olup, onun %0.1 oranlı karışımında maksimum sıcaklığı 66.5 0C olarak ölçülmüştür. Halad9 katı maddesinin maksimum sıcaklığa ulaşılma zamanlarındaki etkisi de gözlemlenmiştir. Çimento, su ve Halad9 karışımlarındaki maksimum sıcaklık ötelemesi 1 saatten fazla olarak izlenmiştir. Çimento ağırlığınca % 0.3'ü oranında sürtünme azaltıcı konsantrasyonlarında 70 °C'nin üzerinde maksimum sıcaklık kaydedilmiştir. Ayrıca, akışkan kaybı katkı maddesinin ilavesinin artan konsantrasyonlarında maksimum sıcaklığa ulaşması ve Halad9'un deneylerde sıcaklığın yükselmesine bir etkisi olmadığı izlenmiştir. CFR–3'ün sıcaklık değişimlerindeki etkisi Halad9'dan daha yüksektir. Sonuçta, elde edilen maksimum sıcaklık okumaları değerlendirilmiş ve basit lineer regresyon analizi yapılarak katkı maddelerinin miktarı ve sıcaklık değişimi arasındaki ilişki incelenmiştir. Bütün deney sonuçları göz önünde bulundurulduğunda, maksimum sıcaklık okumalarının her sette farklı olması nedeniyle genel olarak lineer bir ilişki tespit edilememiştir. Bununla birlikte ayrı ayrı setler için lineer regresyon analizi kullanılarak bazı kompozisyonlar için lineer ilişki elde edilmiştir. Özellikle, çimento ağırlığının % 0.4 ve % 0.5 CFR-3 konsantrasyonlarında R - kare değerleri, aralarındaki matematiksel ilişki değerlendirilebilecek kadar yüksektir. R-kare değeri, çimento ağırlığının % 0.4 konsantrasyonlu CFR-3 bileşimleri için 0.955 ve çimento ağırlığının % 0.5'i için 0.956'dır. Bu kompozisyonlara sahip çimento şerbetlerinde katkı maddelerinin miktarı ile sıcaklıklardaki artış arasında lineer bir ilişki olduğu söylenebilir. Deney sonuçlarının ayrıca koruma borusu tasarımı aşamasındaki etkileri incelenmiştir. Bunun için en yüksek, orta ve en düşük sıcaklık değişimine sahip çimento kompozisyonlarından elde edilen veriler kullanılmıştır. Çimento şerbetlerinde katkı maddeleri nedeniyle oluşan termal yükler, özellikle ilk 24 saatlik periyot boyunca koruma borusu tasarımı ve / veya formasyon için etkileri hesaplanmıştır. Bunun için 3 farklı koruma borusu: K – 55, C – 95, P – 110 tüm nominal ağırlıkları ile beraber hesaplamalarda kullanılmıştır. Koruma borusunun uzunluğu 3 000 ft, 10 000 ft ve 15 000 ft olup numunelerden elde edilmiştir. Hidratasyonun erken dönemlerinde maksimum sıcaklık değişimine ilişkin termal yükler de incelenmiş ve gerilmelerin büyüklüğü hesaplanmıştır. En yüksek gerilim değeri 9765 psi olup C – 95 sınıf koruma borusunun 53.5 Ibm/ft nominal ağırlığında, 53 0C sıcaklık farkında hesaplanmıştır. Genel olarak, bu etkiler koruma borusu veya formasyon için çok fazla olmamakla birlikte, ancak tasarım sırasında ihmal edilmemelidir. Özellikle koruma borularındaki yüklerin sıkışmadan gerilmeye geçtiği bölgelerde bu etki bir fark yaratabilir ve göz ardı edilmemelidir. Çimento katkı maddelerinin çimentonun donması sırasında ortaya çıkan ısıya önemli etkileri bulunmaktadır. Bu durum çimentonun asli görevi olan izolasyon özelliğini bozabilecek erken jelleşme, çimento bünyesinde çatlaklar oluşturma ve bağlanma problemleri gibi durumlara sebep olabilir. Elde edilen sonuçlar katkı maddelerinin çimentonun donma reaksiyonunca oluşan ekzotermik ısının daha da arttırabileceğini ortaya koymaktadır. Bu çalışmanın amaçlarından biride kuyularda çimento donma sıcaklığı değişimi sebebiyle oluşabilecek olumsuzluklar için farkındalık yaratmaktır.