Cementing techniques and material performance for deep geothermal wells : a case study of the Olkaria geothermal field

Abstract

This thesis investigates cementing practices and material performance in deep geothermal wells, with a focus on the Olkaria Geothermal Field in Kenya. The study addresses challenges of loss circulation, cement failures, cementing time and excessive cement use by evaluating both field practices and simulation modeling. A mixed-methods approach was adopted: historical cementing data from over 100 wells at Olkaria were analyzed and compared with practices in the Aluto (Ethiopia) and Icelandic geothermal fields. Simulation modeling using CemPRO+ was performed on well OW-923C to assess the effects of casing standoff, rotation, reciprocation, and flow rate on mud displacement efficiency. Results highlight that inadequate casing centralization (low standoff) is the primary cause of poor cement displacement, with significant mud channeling observed at <50% standoff. Incorporating casing rotation and reciprocation was found to improve displacement efficiency, particularly at intermediate centralization levels. Additionally, higher flow rates combined with sufficient standoff further enhanced cement coverage. Field benchmarking revealed that Olkaria’s high cement consumption is linked to severe lost circulation and not using accelerators in backfills during cementing. In contrast, fields like Aluto utilized improved cement systems and placement techniques like inner string cementing that minimized losses and reduced top-up jobs. The findings underscore the need for optimized centralizer placement, casing movement, and tailored slurry designs to improve cementing efficiency and reduce operational costs. The study contributes actionable insights to enhance geothermal well integrity in challenging high-temperature environments.

Þessi meistararitgerð fjallar um steypuaðferðir og reynslu af efnum ísteypublöndum í djúpum jarðhitaborholum, með áherslu á Olkaria jarðhitasvæðiðí Keníu. Rannsóknin beinist að helstu áskorunum við steypingu, svo semskoltöpum, göllum í steypu, löngum steyputíma og umframþörf steypu, með þvíbæði að meta framkvæmd í reynd og með hermun. BLýsing á steypingu í yfir 100borholum á Olkaria svæðinu voru greind og borin saman við gögn um steyping íborholum á Aluto svæðinu í Eþíópíu og borholum á íslenskum jarðhitasvæðum.Forritið CemPRO+ var notað til að herma fóðringar í holu OW-923C og meta áhrifmiðjustillingar (standoff) fóðring , áhrif þess að snúa og lyfta fóðringum ísteypingu og áhrif rennslishraða steypunnar. Niðurstöðurnar sýna aðófullnægjandi miðjustilling fóringa (lágt «standoff») er helsta orsök lélegrarsteypufylliningar, og ósteyptar rásir voru áberandi þegar«standoff» var undir 50%.Snúningur og hreyfing fóðringar bætti steypufyllinguna einkum ef «standoff» varlágt. . Hermunin sýndi jafnframt að aukinn rennslishraði steypunnar ásamtásættanlegri miðjustillingu («standoff») bætti steypufyllingu verulega.Samanburður við önnur jarðhitasvæði leiddi í ljós að meiri steypunotkuní Olkariatengist bæði miklu skoltapi og minni notkun tafaefna þegar fyllt var utan meððfórðingum. Til samanburðar eru notaðar bættar steypuaðferðir í á svæðum eins ogAluto þar sem steypt er í gegnum steypustreng töð eru minni og minni þörf ááfyllingu utan með fóðringu. Niðurstöður verkefnisins undirstrika mikilvægi þessað vanda staðsetningu miðjustilla , hreyfa fóðringu í steypingu og hannasteypublöndu, sem hentar og bæta þannig árangur steypunnar og lækka kostnað,Verkefnið er innlegg til að bæta öryggi borhola í krefjandi aðstæðum áháhitasvæðum.