Steady displacements for conventional and reverse circulation primary cementing

Primærsementering av foringsrør er en kritisk brønnkonstruksjonsoperasjon der boreslammet utfor foringsrøret skal fortrenges og erstattes av flytende sement som herder til en fast sementkolonne etter plassering. Den herdete sementkolonnen utgjør et viktig brønnbarriereelement som skal sørge for soneisolasjon og gi foringsrøret mekanisk støtte. Konvensjonell sementering utføres normalt ved å pumpe en sekvens av væsker ned i brønnen på innsiden av foringsrøret. Ved bunnen av røret strømmer væskene ut og tilbake mot overflaten i ringrommet mellom foringsrør og bergformasjonen. Dette prosjektet har studert sementering ved såkalt reverssirkulering, hvor sementeringsvæskene blir injisert direkte til ringrommet som skal tettes fra overflaten. Denne sementeringsstrategien er påvist å kunne redusere bunnhullstrykket under sirkulering, og kan dermed potensielt åpne for hurtigere pumping av væsker, bruk av tyngre sementpasta, eller en lengre total sementkolonne. Reverssirkulering er også aktuelt ved sementering forbi tapssoner, hvor sementeringsvæsker bullheades ned ringrommet. Dette har gjort sementering ved reverssirkulering til en attraktiv plasseringsstrategi spesielt i landbrønner og brønner for geotermisk energiproduksjon. En utfordring ved reverssirkulering av sementeringsvæsker er at man oppretter tetthetsustabile forhold mellom væskene i brønnen idet sementen plasseres, og dette kan øke kontamineringsrisiko for sementpasta, noe som i sin tur kan redusere kvaliteten til herdet sement og fremtvinge krevende reparasjonsoperasjoner. Dette prosjektet har studert tetthetsustabil væskefortrengning i konsentriske og eksentriske ringrom med bruk av eksperimentelle og numeriske metoder, med blikk på å identifisere strategier for å forbedre fortrengningseffektiviteten. Typiske sementeringsvæsker og pumperater som brukt i feltet er funnet å resultere i ustabile fortrengninger, med signifikant blanding av væsker. Prosjektet har funnet at man delvis kan stabilisere prosessen ved å øke plasseringshastigheten, øke viskositeten til væskene, sørge for viskositetsstabile væskekonfigurasjoner, og minimere desentralisering av indre rør. Enkelte av disse strategiene vil kunne underminere antatte fordeler ved reverssirkulering. Prosjektet har fokusert på relativt korte ringromsgeometrier, og fremtidig arbeid bør studere væskeblanding, ustabiliter og fortrengningseffektivitet i lengre domener for mer realistisk oppskalering til felt.

A key impact of the project has been to increase the awareness of displacement-related challenges associated with reverse-circulation cementing, and density-unstable displacements in general, as well as providing guidance for possible strategies that partly compensate for the unstable conditions. This knowledge can benefit future reverse-circulation or bradenhead cementing operations by optimizing fluid properties to avoid channeling or back-flow of light, displaced fluid. The project has also strengthened the research collaboration between Norway and an internationally leading Canadian academic environment, and enabled an extended research stay.

Primary cementing is the well construction operation where drilling fluid is displaced from the annular space between casing or liner and formation and replaced by a cement slurry. Effective mobilization and displacement of drilling fluids are recognized as essential steps for successful cementing operations. The project addresses important knowledge needs within well cementing and the third technology target area defined by OG21, namely how process and fluid properties can be optimized in order to ensure complete drilling fluid displacement for conventional and reverse circulation primary cementing. The purpose of this project is to explore the existence and the conditions necessary for having so called steady, travelling wave displacement flows, where the interface between two consecutive fluids move steadily along the annulus toward the surface at the mean pump velocity. Such displacements are highly desirable as they ensure continuous displacement of drilling fluid around the entire annulus and thereby avoid mud channeling. We will explore the necessary process and fluid conditions for achieving steady displacements in both conventional and reverse circulation displacements using a combination of experimental work and numerical simulations. An important R&D challenge in the project will be to develop both experimental and numerical methods that allow conclusive observation of steady displacements under certain fluid and process conditions. In order to prove the existence and examine the stability of the displacement first-hand, require a long flow loop and a long numerical simulation geometry. The results can be used directly by operators and cementing service companies to design appropriate density and rheology of spacer fluids and cement slurry, flow rate, as well as minimum centralization required to achieve desirable steady state displacements.