Una parte fondamentale della perforazione e dell'estrazione di nuovi pozzi petroliferi è l'uso di cementi specializzati per rivestire il pozzo di trivellazione e prevenire il collasso e le perdite del foro. Per evitare che questi cementi si induriscano troppo rapidamente prima che penetrino nei livelli più profondi del pozzo, sono miscelati con sostanze chimiche chiamate ritardanti che rallentano il processo di presa.

È stato difficile studiare il modo in cui funzionano questi ritardanti, però, perché il processo avviene a pressioni e temperature estreme difficili da riprodurre in superficie.

Ora, ricercatori al MIT e altrove hanno sviluppato nuove tecniche per osservare il processo di impostazione in dettaglio microscopico, un progresso che, a loro dire, potrebbe portare allo sviluppo di nuove formulazioni studiate appositamente per le condizioni di una determinata posizione del pozzo. Questo potrebbe fare molto per affrontare i problemi della perdita di metano e del collasso dei pozzi che possono verificarsi con le formulazioni odierne.

I loro risultati appaiono sulla rivista Cement and Concrete Research, in un articolo del professore del MIT Oral Buyukozturk, Il ricercatore del MIT Kunal Kupwade-Patil, e altri otto all'Aramco Research Center in Texas e all'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Tennessee.

"Ci sono centinaia di miscele diverse" di cemento attualmente in uso, dice Buyukozturk, che è il professore George Macomber di ingegneria civile e ambientale al MIT. I nuovi metodi sviluppati da questo team per osservare come si comportano queste diverse formulazioni durante il processo di presa "aprono un nuovo ambiente per la ricerca e l'innovazione" nello sviluppo di questi cementi specializzati, lui dice.

Il cemento utilizzato per sigillare il rivestimento dei pozzi petroliferi deve spesso trovarsi a centinaia o addirittura migliaia di metri sotto la superficie, in condizioni estreme e in presenza di vari prodotti chimici corrosivi. Gli studi sui ritardanti sono stati tipicamente condotti rimuovendo campioni del cemento polimerizzato da un pozzo per i test in laboratorio, ma tali test non rivelano i dettagli della sequenza dei cambiamenti chimici che avvengono durante il processo di polimerizzazione.

Il nuovo metodo utilizza una configurazione unica del rivelatore presso l'Oak Ridge National Laboratory chiamato diffrattometro dei materiali ordinati su nanoscala, o NOMADE, che viene utilizzato per eseguire un processo chiamato analisi della funzione di distribuzione della coppia di neutroni, o PDF. Questa tecnica può esaminare in situ la distribuzione di coppie di atomi nel materiale che imitano le condizioni realistiche che si incontrano in un vero pozzo petrolifero in profondità.

"NOMAD è perfettamente adatto per studiare problemi strutturali complessi come la comprensione dell'idratazione nel calcestruzzo, a causa del suo alto flusso e della sensibilità dei neutroni agli elementi leggeri come l'idrogeno, " dice Thomas Proffen di ORNL, un coautore del documento.

Gli esperimenti hanno rivelato che il meccanismo principale all'opera nei materiali ritardanti ampiamente utilizzati è l'esaurimento degli ioni calcio, un componente chiave nel processo di indurimento, all'interno del cemento di presa. Con meno ioni calcio presenti, il processo di solidificazione è drammaticamente rallentato. Questa conoscenza dovrebbe aiutare gli sperimentatori a identificare diversi additivi chimici che possono produrre lo stesso effetto.

Quando si trivellano i pozzi di petrolio, il passo successivo è quello di inserire un involucro in acciaio per proteggere l'integrità del pozzo, impedendo al materiale sciolto di collassare nel pozzo e causare blocchi. Questi involucri impediscono anche il petrolio e il gas, che è ad alta pressione, di fuggire nella roccia e nel suolo circostanti e migrare in superficie, dove la fuoriuscita di metano può svolgere un ruolo significativo nel contribuire al cambiamento climatico. Ma c'è sempre uno spazio, che va fino a pochi pollici, tra la cassa e il pozzo. Questo spazio deve essere completamente riempito con boiacca di cemento per evitare perdite e proteggere il rivestimento in acciaio dall'esposizione all'acqua e alle sostanze chimiche corrosive che potrebbero causarne il guasto.

Il metano è un gas serra molto più forte dell'anidride carbonica, quindi limitare la sua fuga è un passo cruciale verso la limitazione del contributo dei pozzi di petrolio e gas al riscaldamento globale.

"Il metano, acqua, e tutti i tipi di sostanze chimiche diverse laggiù [nel pozzo] creano un problema di corrosione, " Buyukozturk dice. "Inoltre, l'area circonferenziale del pozzo è prossima a parti della crosta terrestre che presentano instabilità, quindi il materiale potrebbe cadere nel foro e danneggiare l'involucro." Il modo per prevenire queste instabilità è pompare cemento attraverso l'involucro nell'area tra il foro del pozzo e l'involucro, che fornisce "isolamento zonale". Il cemento fornisce quindi una tenuta idraulica per mantenere l'acqua e altri fluidi lontani dall'involucro.

Ma le alte temperature e pressioni che si trovano in profondità presentano un ambiente che è "la cosa peggiore che puoi fare a un materiale, " lui dice, quindi è fondamentale capire in che modo il materiale e le sue proprietà chimiche sono influenzate da questi ambienti ostili mentre svolgono il loro lavoro di sigillatura del pozzo.

Questo nuovo metodo di studio del processo di impostazione fornisce un modo "per comprendere con precisione questo processo, così possiamo progettare la prossima generazione di ritardanti, "dice Kupwade-Patil, autore principale di questo articolo. "Questi ritardanti sono molto importanti, " non solo per proteggere l'ambiente ma anche per prevenire gravi perdite economiche da un pozzo danneggiato o che perde. "La perdita della tenuta è grave, quindi non puoi permetterti di sbagliare" nel processo di sigillatura del cemento, lui dice.

"Dopo aver ottenuto il mio dottorato di ricerca, circa 30 anni fa, il mio primo lavoro è stato quello di migliorare la qualità della cementazione dei pozzi petroliferi, "dice Paulo Monteiro, il Roy W. Carlson Distinguished Professor di Ingegneria Civile e Ambientale presso l'Università della California a Berkeley, chi non era coinvolto in questo lavoro. "A quel tempo c'erano limitate tecniche di caratterizzazione sofisticate, quindi è un vero piacere vedere metodi di diffusione totale di raggi X e neutroni applicati per studiare l'idratazione dei cementi petroliferi in presenza di miscele chimiche." Aggiunge che questi nuovi metodi hanno "il potenziale per guidare lo sviluppo di additivi su misura che possono migliorare significativamente le prestazioni della cementazione dei pozzi petroliferi."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.