Een belangrijk onderdeel van het boren en aanboren van nieuwe oliebronnen is het gebruik van speciaal cement om het boorgat te bekleden en instorting en lekkage van het gat te voorkomen. Om te voorkomen dat deze cementen te snel uitharden voordat ze tot de diepste niveaus van de put doordringen, ze worden gemengd met chemicaliën die vertragers worden genoemd en die het uithardingsproces vertragen.

Het was moeilijk om te bestuderen hoe deze vertragers werken, echter, omdat het proces plaatsvindt bij extreme drukken en temperaturen die moeilijk te reproduceren zijn aan het oppervlak.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT en elders hebben nieuwe technieken ontwikkeld om het instellingsproces in microscopisch detail te observeren, een vooruitgang die volgens hen zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe formuleringen die specifiek zijn ontworpen voor de omstandigheden van een bepaalde putlocatie. Dit zou een grote bijdrage kunnen leveren aan het aanpakken van de problemen van methaanlekkage en het instorten van bronnen die kunnen optreden met de huidige formuleringen.

Hun bevindingen verschijnen in het tijdschrift Cement and Concrete Research, in een paper van MIT Professor Oral Buyukozturk, MIT-onderzoeker Kunal Kupwade-Patil, en acht anderen in het Aramco Research Center in Texas en in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Tennessee.

"Er zijn momenteel honderden verschillende mengsels" van cement in gebruik, zegt Buyukozturk, wie is de George Macomber Professor of Civil and Environmental Engineering aan het MIT. De nieuwe methoden die door dit team zijn ontwikkeld om te observeren hoe deze verschillende formuleringen zich gedragen tijdens het uithardingsproces "openen een nieuwe omgeving voor onderzoek en innovatie" bij de ontwikkeling van deze gespecialiseerde cementen, hij zegt.

Het cement dat wordt gebruikt om de bekleding van oliebronnen af ​​te dichten, moet vaak honderden of zelfs duizenden meters onder het oppervlak uitharden, onder extreme omstandigheden en in de aanwezigheid van verschillende bijtende chemicaliën. Studies van vertragers zijn meestal gedaan door monsters van het uitgeharde cement uit een put te verwijderen voor testen in het laboratorium, maar dergelijke tests onthullen niet de details van de opeenvolging van chemische veranderingen die plaatsvinden tijdens het uithardingsproces.

De nieuwe methode maakt gebruik van een unieke detectoropstelling in het Oak Ridge National Laboratory, de Nanoscale Ordered Materials Diffractometer, of NOMAD, die wordt gebruikt voor het uitvoeren van een proces genaamd Neutron Pair Distribution Function-analyse, of pdf. Deze techniek kan in situ de verdeling onderzoeken van paren atomen in het materiaal die realistische omstandigheden nabootsen die men tegenkomt in een echte oliebron op diepte.

"NOMAD is perfect geschikt om complexe structurele problemen te bestuderen, zoals het begrijpen van hydratatie in beton, vanwege de hoge flux en de gevoeligheid van neutronen voor lichte elementen zoals waterstof, " zegt Thomas Proffen van ORNL, een co-auteur van het artikel.

Uit de experimenten bleek dat het primaire mechanisme dat in veel gebruikte vertragersmaterialen aan het werk is, de uitputting van calciumionen is, een belangrijk onderdeel van het uithardingsproces, binnen het uithardingscement. Met minder calciumionen aanwezig, het stollingsproces wordt drastisch vertraagd. Deze kennis zou onderzoekers moeten helpen om verschillende chemische additieven te identificeren die hetzelfde effect kunnen produceren.

Als er oliebronnen worden geboord, de volgende stap is het plaatsen van een stalen behuizing om de integriteit van het boorgat te beschermen, voorkomen dat los materiaal in de put zakt en verstoppingen veroorzaakt. Deze omhulsels voorkomen ook dat de olie en gas, die onder hoge druk staat, van ontsnappen in de omringende rotsen en grond en migreren naar de oppervlakte, waar lekkage van methaan een belangrijke rol kan spelen bij het bijdragen aan klimaatverandering. Maar er is altijd ruimte, die kan oplopen tot enkele centimeters, tussen de behuizing en het boorgat. Deze ruimte moet volledig worden gevuld met cementslurry om lekkage te voorkomen en de stalen voering te beschermen tegen blootstelling aan water en corrosieve chemicaliën die ervoor kunnen zorgen dat deze defect raakt.

Methaan is een veel sterker broeikasgas dan koolstofdioxide, dus het beperken van de ontsnapping is een cruciale stap in de richting van het beperken van de bijdrage van olie- en gasbronnen aan de opwarming van de aarde.

"Het methaan, water, en allerlei verschillende chemicaliën daar beneden [in de put] zorgen voor een corrosieprobleem, " zegt Buyukozturk. "Ook, het omtreksgebied van de boorput ligt naast delen van de aardkorst die instabiliteit hebben, zodat materiaal in het gat kan vallen en de boorbuis kan beschadigen." De manier om deze instabiliteiten te voorkomen, is door cement door de boorbuis in het gebied tussen de boorput en de boorbuis te pompen, die "zonale isolatie" biedt. Het cement zorgt dan voor een hydraulische afdichting om water en andere vloeistoffen uit de buurt van de behuizing te houden.

Maar de hoge temperaturen en drukken die op diepte worden gevonden, vormen een omgeving die "het ergste is dat je een materiaal kunt aandoen, " hij zegt, het is dus cruciaal om te begrijpen hoe het materiaal en zijn chemische eigenschappen worden beïnvloed door deze barre omgeving terwijl ze hun werk doen om de put af te dichten.

Deze nieuwe methode om het instellingsproces te bestuderen, biedt een manier om "dit proces precies te begrijpen, zodat we de volgende generatie vertragers kunnen ontwikkelen, " zegt Kupwade-Patil, hoofdauteur van dit artikel. "Deze vertragers zijn erg belangrijk, " niet alleen om het milieu te beschermen, maar ook om ernstige economische verliezen door een beschadigde of lekkende put te voorkomen. "Verlies van de afdichting is ernstig, dus u kunt het zich niet veroorloven een fout te maken" in het cementafdichtingsproces, hij zegt.

"Na het behalen van mijn Ph.D., ongeveer 30 jaar geleden, mijn eerste taak was om de kwaliteit van het cementeren van oliebronnen te verbeteren, " zegt Paulo Monteiro, de Roy W. Carlson Distinguished Professor of Civil and Environmental Engineering aan de University of California in Berkeley, die niet bij dit werk betrokken was. "In die tijd waren er beperkte geavanceerde karakteriseringstechnieken, dus het is een waar genoegen om te zien hoe methoden voor totale verstrooiing van röntgenstralen en neutronen worden toegepast om de hydratatie van oliebroncementen in de aanwezigheid van chemische toevoegingen te bestuderen." Hij voegt eraan toe dat deze nieuwe methoden "het potentieel hebben om de ontwikkeling van op maat gemaakte hulpstoffen die de prestaties van het cementeren van oliebronnen aanzienlijk kunnen verbeteren."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.