En viktig del av att borra och tappa nya oljekällor är användningen av specialiserad cement för att fodra borrhålet och förhindra kollaps och läckage av hålet. För att förhindra att dessa cement härdar för snabbt innan de tränger ner till de djupaste nivåerna i brunnen, de är blandade med kemikalier som kallas retarderare som saktar ner härdningsprocessen.

Det har varit svårt att studera hur dessa retarder fungerar, dock, eftersom processen sker vid extrema tryck och temperaturer som är svåra att reproducera vid ytan.

Nu, forskare vid MIT och på andra håll har utvecklat nya tekniker för att observera inställningsprocessen i mikroskopisk detalj, ett framsteg som de säger skulle kunna leda till utvecklingen av nya formuleringar speciellt utformade för förhållandena för en given brunnsplats. Detta kan räcka långt för att lösa problemen med metanläckage och brunnskollaps som kan uppstå med dagens formuleringar.

Deras resultat visas i tidskriften Cement and Concrete Research, i en artikel av MIT Professor Oral Buyukozturk, MIT-forskaren Kunal Kupwade-Patil, och åtta andra vid Aramco Research Center i Texas och vid Oak Ridge National Laboratory (ORNL) i Tennessee.

"Det finns hundratals olika blandningar" av cement som för närvarande används, säger Buyukozturk, som är George Macomber professor i civil- och miljöteknik vid MIT. De nya metoderna som utvecklats av detta team för att observera hur dessa olika formuleringar beter sig under sättningsprocessen "öppnar en ny miljö för forskning och innovation" för att utveckla dessa specialiserade cement, han säger.

Cementet som används för att täta beklädnaden av oljekällor måste ofta ligga hundratals eller till och med tusentals meter under ytan, under extrema förhållanden och i närvaro av olika frätande kemikalier. Studier av retarderare har vanligtvis gjorts genom att ta bort prover av den härdade cementen från en brunn för testning i labbet, men sådana tester avslöjar inte detaljerna i sekvensen av kemiska förändringar som äger rum under härdningsprocessen.

Den nya metoden använder en unik detektoruppställning vid Oak Ridge National Laboratory som kallas Nanoscale Ordered Materials Diffractometer, eller NOMAD, som används för att utföra en process som kallas neutronparfördelningsfunktionsanalys, eller PDF. Denna teknik kan undersöka fördelningen på plats av atompar i materialet som efterliknar realistiska förhållanden som påträffas i en riktig oljekälla på djupet.

"NOMAD är perfekt lämpad för att studera komplexa strukturella problem som att förstå hydratisering i betong, på grund av dess höga flöde och neutronernas känslighet för lätta element som väte, " säger Thomas Proffen från ORNL, en medförfattare till tidningen.

Experimenten avslöjade att den primära mekanismen som fungerar i allmänt använda retardermaterial är utarmningen av kalciumjoner, en nyckelkomponent i härdningsprocessen, inom härdningscementet. Med färre kalciumjoner närvarande, stelningsprocessen bromsas dramatiskt. Denna kunskap bör hjälpa experimenterande att identifiera olika kemiska tillsatser som kan ge samma effekt.

När oljekällor borras, nästa steg är att sätta in ett stålhölje för att skydda borrhålets integritet, förhindrar att löst material kollapsar in i brunnen och orsakar blockeringar. Dessa höljen förhindrar också olja och gas, som är under högt tryck, från att fly ut i det omgivande berget och jorden och migrera till ytan, där läckage av metan kan spela en betydande roll för att bidra till klimatförändringar. Men det finns alltid ett utrymme, som sträcker sig upp till några tum, mellan höljet och borrhålet. Detta utrymme måste vara helt fyllt med cementuppslamning för att förhindra läckage och skydda stålfodret från exponering för vatten och frätande kemikalier som kan göra att det går sönder.

Metan är en mycket starkare växthusgas än koldioxid, så att begränsa dess flykt är ett avgörande steg mot att begränsa olje- och gaskällornas bidrag till den globala uppvärmningen.

"Metan, vatten, och alla möjliga olika kemikalier där nere [i brunnen] skapar ett korrosionsproblem, " säger Buyukozturk. "Också, borrhålets periferiområde ligger bredvid delar av jordskorpan som har instabilitet, så att material kan ramla in i hålet och skada höljet." Sättet att förhindra dessa instabiliteter är att pumpa cement genom höljet in i området mellan borrhålet och höljet, som ger "zonisolering". Cementen ger sedan en hydraulisk tätning för att hålla eventuellt vatten och andra vätskor borta från höljet.

Men de höga temperaturerna och trycken som finns på djupet utgör en miljö som är "det värsta du kan göra mot ett material, " han säger, så det är avgörande att förstå hur materialet och dess kemiska egenskaper påverkas av dessa tuffa omgivningar när de gör sitt jobb med att täta brunnen.

Denna nya metod för att studera inställningsprocessen ger ett sätt "att exakt förstå denna process, så att vi kan konstruera nästa generations retardanter, " säger Kupwade-Patil, huvudförfattare till denna uppsats. "Dessa retardanter är mycket viktiga, " inte bara för att skydda miljön utan också för att förhindra allvarliga ekonomiska förluster från en skadad eller läckande brunn. "Förlust av tätningen är allvarlig, så att du inte har råd att göra ett misstag" i cementförseglingsprocessen, han säger.

"Efter att ha tagit min doktorsexamen, för ungefär 30 år sedan, mitt första jobb var att förbättra kvaliteten på cementering av oljekällor, säger Paulo Monteiro, Roy W. Carlson Distinguished Professor of Civil and Environmental Engineering vid University of California i Berkeley, som inte var involverad i detta arbete. "På den tiden fanns det begränsade sofistikerade karaktäriseringstekniker, så det är ett verkligt nöje att se metoder för total röntgen- och neutronspridning tillämpas för att studera hydratiseringen av oljebrunnscement i närvaro av kemiska tillsatser." Han tillägger att dessa nya metoder har "potentialen att styra utvecklingen av skräddarsydda tillsatser som avsevärt kan förbättra prestandan för cementering av oljekällor."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.