DD148899A3 - Verfahren zur errichtung von zementbruecken - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Errichtung von Zementbruecken in Tiefbohrungen, Grubenausbauen etc., insbesondere zur Komplettierung von Speicherkavernen.Durch die Erfindung wird mit relativ einfachen Mitteln u.in einem aeuszerst rationellen u.wirtschaftlichen Verfahren d.Errichtung einer Zementbruecke unabhaengig vom Durchmesserverhlt.zwischen Rohrtour bzw.Ausbau u.Abdichtintervall,inbeson.bei unkontrolliert erweiterten Bohrlochkalibern ermoeglicht.D.Wesen der Erfindung besteht darin,d.ein Granulat-Harz-Haerte-Gemisch in Suspension mit einem Hilfsmedium o.Sole in das Trennflaechenniveau eingetragen wird,nachdem zuvor Sole und ein Hilfsmedium zur Trennflaecheneinstellung so in die Kaverne eingebracht wurden,dasz eine Druckerhoehung in der Kaverne erfolgt. Nach Aushaerten des Granulat-Haerter-Gemisches zu einem permeablen druckausgleichenden Stuetzkoerper wird mit Hilfe der komprimierten Kavernenfuellung, die durch den Stuetzkoerper flieszt, das Hilfsmedium nach uebertage gefoerdert und in bekannter Weise die Zementbruecke errichtet.

Description

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Verfahren zur Errichtung von Zementbrücken

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Errichtung von Zementbrücken in Tiefbohrungen, insbesondere in kavernösen, unverrohrten Bohrlochintervallen, .in denen Zementbrücken als Abdichtungen oder im Zuge von Installations- und Komplettierungsmaßnahmen vorgesehen sind.

Darüber hinaus kann die erfindungQgemäßc Lösung zur Zeraentstopfenherstellung in Schächten, weiteren Grubenbauen sowie in Öl- und Gassonden eingesetzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen;

Zementbrücken werden in Bohrungen zur Schichtentrennung bzw. zur Durchführung bestimmter technologischer Prozesse eingebracht. Dabei kommt es darauf an, die Zement-Bchlämme im vorgesehenen Teufenintervall zu plazieren, ohne daß während des Einbringens oder während der Erhärtung Umlagerungs- und Vermischungseffekte mit der Bohrspülung bzw. Komplettierungsflüßsigkeit eintreten·

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Umlagerungen und Vermischungen v/erden begünstigt durch Dichteunterschiede zwischen Zement schlämme und Bohrlochflüssigkeit, durch niedere Viskocitäts- und Thixotropiewerte der Bohrlochflüssigkeit, durch große Bohrlochdurchmesser und durch Flüssigkeitsbewegungen in offenen Formationen bzw. Hohlräumen unterhalb der einzubringenden Zementbrücke. Die Plazierung der Zementbrücken in ausgewählten Bohrlochintervallen erfolgt bekanntermaßen durch Vorstopfen. In verrohrten und unverrohrten Bohrlochintervallen sind das mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch verankerte .Abdichtelemente, die vor dem Zement schlämme ein pumpen gesetzt v/erden und über denen zementiert wird." -

Als Voraussetzung für Zementbrücken in unverrohrten Bohrlochintervallen mit unregelmäßigem Kaliber sind darüber hinaus eine breite Palette von Vorstopfen bekannt, deren Wirkung aus mechanischen Aufspreizvorgängen oder aus dem Auffüllen blasen- bzw« sackartiger Vorrichtungen beispielsweise mit Zement herrührt.

Die Manövrierfähigkeit und das Ausbreitmaß solcher mechanisch und hydraulisch wirkender Vorrichtungen wird in unverrohrten Bohrlochabschnitten vom Durchmesser der darüber befindlichen letzten zementierten Verrohrung entscheidend eingeengt, so daß die bekannten Verfahren zur Zementbrückenerrichtung nicht angewandt v/erden können. Unter den speziellen Bedingungen der Errichtung von Kavernen, wie sie beispielsweise zum Zwecke der Untergrundspeicherung mit Volumina bis zu mehreren 100.000 m angelegt werden, bewirken ständige, nichtausschließbare Flüssigkeits- und Hohlraumvolumenänderungen unzulässig hohe axiale Vorstopfenbelastungen. Unter diesen Bedingungen ist oberhalb kritischer Kaliberwerte im Abdichtintervall, derzeit annehmbar ab Durchmesser 400 mm, das Setzen funktionssicherer Vorstopfen und von darauf auf-

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bauenden Zementbrücken nicht möglich. Des weiteren v/erden zur Vermeidung von Vermischungs- und Umlagerungsprozessen in der erhärtenden Zementschlämme gelartige und weitere hochviskose Flüssigkeiten als Stützmedien eingesetzt. Die Methoden scheiden erfahrungsgemäß unter den Bedingungen unkontrolliert erweiterter Bohrlochkaliber und in Gegenwart nichtausschließbarer Druck- sowie Volumenänderungen unterhalb solcher Vorstopfen aus.

Vornehmlich unter den technischen Bedingungen von Stein-Balzkavernenbohrungen sind in Kavernenhalsintervallen erweiterte Kaliberbedingungen anzutreffen, die beträchtlich über das Innenmaß der letzten zementierten Rohrtour hinausgehen. Das_ Durchmesserverhältnis zwischen Kavernenhals und darüberliegender Rohrtour und die zusätzlich auf einen Vorstopfen wirkenden Druck- und Volumenänderungen der darunter befindlichen Kaverne können eine funktionsgerechte Vorstopfenhaftung und damit den nachfolgenden Zementbrückenaufbau ausschließen.

Nach der DD-PS 134 664 ist ein Verfahren zum untertägigen Verschließen von unverrohrten geologischen Bohrungen bei beliebigen Querschnittsformen bekannt, bei dem zunächst der Flüssigkeitsspiegel der mit Sole gefüllten Bohrung im Bereich der Auskesselung gezielt abgesenkt und dabei die Bohrung mit Öl gefüllt wird. Über eine eingebaute Hilfsrohrtour wird ein auf der Soleoberfläche schwimmfähiger, vorpolymerisierter Stoff aus Styrol, Zyklohexanonperoxid und Kobaltbeschleuniger eingebracht, der durch Polymerisation zu einem flüssigkeits- und gasdichten Abschluß der Bohrung führt, wobei ein in sich homogener fester Körper in Form eines Vorstopfens entsteht. Dieses Verfahren ist zwar für Querschnitte beliebiger Größe vorgesehen, jedoch ist die vorgeschlagene Lösung mit schwerwiegenden Nachteilen behaftet, die den Einsatz generell in

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Präge stellen* Auf Grund der stark exothermen Polymerisation muß diese über einen längeren Zeitraum ausgedehnt v/erden, um einer Stopfenzerstörung durch thermisch bedingte Rißbildungen vorzubeugen. Der polymerisierte Körper unterliegt einer sehr starken Schrumpfung, die ein sicheres Haften an der Bohrlochwand und am anstehenden Gebirge nicht in jedem Falle gewährleistet. Der entscheidende Nachteil besteht aber in den aufwendigen Maßnahmen zur Verhinderung eines Differenzdruckaufbaues unter und über dem Polymerisat während und nach Polymerisationsdauer bis zum Abschluß der Zementationerhärtung.

Ferner ist aus dem Bereich der Erdgas- und Erdölgewinnung eine Lösung bekannt - DD-PS 103 482 -, bei der zur Verhinderung des Absandens in der Fördersonde Filterrohrummantelungen durch das Verkleben von Kies mit einem Kunstharz hergestellt v/erden. Diese Technologien ermöglichen zwar im Endergebnis die Herstellung von Körpern unterhalb von Verrohrungen, die im Kaliber größer als darunter abgesetzte Rohre sein können, sind aber an Sedimentations- und Anlagerungsvorgänge über einer festen Bohrlochsohle gebunden. Diese Lösungen sind demzufolge unter den Bedingungen von solegefüllten Tiefbohrungen und Kavernen nicht einsetzbar.

Ziel der Erfindünn:·

Durch die Erfindung werden die vorstehend angeführten Mangel beseitigt und eine Losung vorgeschlagen, die auf relativ einfache und wirtschaftliche V/eise die Errichtung einer Zementbrücke zur Abdichtung eines unkontrolliert erweiterten Bohlochkalibers, unabhängig vom Ausmaß der Erweiterung gestattet.

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Darlegung des V/esens der Erfindung:

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Errichtung einer Zementbrücke unter erweiterten Kaliberbedingungen zu entwickeln, wobei die Zementbrückenunterlage über eine geringe Schrumpfung verfügt und die erforderlichen Maßnahmen zum Ausgleich der Druck- und Volumendifferenzen in Portfall bringen soll und gleichzeitig thermisch bedingte Instabilitäten auszuschließen sind»

Unter Ausnutzung bekannter Effekte an der Trennfläche unterschiedlich dichter Bohrlochmedien wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Sole und Hilfsmedium beim Trennflächeneinsteilen so in die Kaverne eingepumpt und/oder einzirkuliert v/erden, daß eine Druckerhöhung in der Kaverne erfolgt. Danach wird ein kunstharzbenetztes Granulat, beispielsweise gekörntes Polystyrol mit einem Korndurchmesser von 2 bis 5 mm in Suspension mit dem Hilfsmedium oder der Sole in das Trennflächenniveau eingetragen, welches hier zu einem permeablen druckausgleichenden Stützkörper aushärtet.

Der Harzeinsatz, bezogen auf das Granulatvolumen, beträgt 4 - 12 %. Damit ist die einzusetzende Granulatmenge durch Wirkung exothermer Reaktionen nicht begrenzt. Nach Aushärtung wird da3 Hilfsmedium mittels der komprimierten Kavernenfüllung, die durch den permeablen Stützkörper otrömt, wieder nach übertage gefördert und anschließend auf bekannte Weise auf dem Stützkörper eine Zementschlämme zirkuliert, die dann zur Zementbrücke erhärtet. Das Ausfördern der leichteren Phase ist in der Regel Voraussetzung für die Errichtung einer qualitätsgerechten Bementbrücke.

Ausführungsbeispiel:

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert v/erden. Die dazugehörige Zeichnung ·

zeigt ein technologisches Schema zur Durchführung des Verfahrens unter folgenden Ausgangsbedingungen:

- Abzudichten sei ein unkontrolliert erweitertes Kavernenhalsintervall einer UaCl-solegefüllten Steinsalzkaverne, wobei Kaliberdurchmesser im Setzbereich des Vor· Stopfens auftreten, die wesentlich größer als der Durchmesser der letzten zementierten Verrohrung sind.

- Als Bohrlochmedien zur Trennflächeneinstellung stehen

HaCl-Sole mit einer Dichte von 1,2 g/cm und handels-

übliches 01 mit einer Dichte von 0,9 g/cm zur Verfügung. . - .

- Als granuliertes Material wird beispielsweise Polyiyrolgranulat mit einer Körnung von 2 bis 5 mm eingesetzt. Die Materialdichte beträgt 1,05 g/cm ·

- Als Harz werden vorzugsweise Epoxidharze verwendet, die mit geeignetem Härter in einem Verhältnis von beispielsweise 2,5 bis 1,7 : 1 gemischt v/erden.

Aus laborätiven Untersuchungen wurden zur Benetzung des Polystyrolgranulates mit dem vorgenannten Epoxidharz-Härter-Gemisch folgende Festigkeitswerte gefunden:

Harzkonzentration	4	8	Herstellung und
in Vol. %			Erhärtung der
			Probe in:
Festigkeitsv/erte:
Druckfestigkeit in	560	1962
kN/m2	166	1324	NaCl-SoIe
Il		Öl

Spaltzugfestigkeit in ²

196

608 NaCl-SoIe

~ 7 —

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Die Zementbrücke wird auf folgende Weise errichtet:

- Einbau eines Steigrohrstranges bis nahe der geplanten Kopfte^.fe und Aufbau eines Lubrikators 1.

- Einfahren einer Heutronen-Gamma-Meßsonde 19 über Lubrikator 1 und Steigrohrstrang 11 bis zur geplanten Trennflächenteufe.

- Einpumpen des Öles 16 aus Vorratsbehälter 17 mit HD-Pumpaggregat 4 durch HD-Leitungen 3 gleichzeitig über Ringraum 18 und Steigrohrstrang 11, wobei die NaCl-Sohle 15 aus Verrohrung 10 und Steigrohrstrang 11 in die Kaverne 20 verdrängt und dabei komprimiert wird.

- Die lleutronen-Gamma-IJeßsonde 19 signalisiert zum Meßzug 2 den geplanten Teufenstand der Trennfläche 14.

- .Ausfahren von Neutronen-Gamma-IJeßsonde 19.

- Ingangsetzen eines Ölkreislaufes, indem aus Ringraum 18 das Öl 16 in da3 Mischaggregat 7 abgelassen wird, das Öl 1.6 danach in HD-Pumpaggregat 4 gelangt, vom HD-Pumpaggregat 4 über den Steigrohrstrang 11 in den Kavernenhals 12 gedrückt wird, aus dem das Öl 16 schließlich über Ringraum 18 aufsteigt und erneut dem Mischaggregat 7 zufließt.

- Aufnahme der Harzbenetzungsarbeiten am Mischplatz 8 und Transport des harsbenetzten Polystyrolgranulates 21 über Förderband 9 in den Mischbehälter 5 des Mischaggregates 7. Die Dickstoffpumpe 6 saugt die Öl-Polystyrolgranulatsuspension aus Mischbehälter 5 und fördert diese in HD-Pumpaggregat 4, da3 diese Suspension über Steigrohrstrang 11 in den Kavernenhals 12 pumpt· Schwerkraftbedingt trennt sich das harzbenetzte Polystyrolgranulat 21 vom im Kavernenhals 12 aufsteigenden ölstrom und setzt sich in Bindung an die Trennfläche 14 zu einem auf NaCl-SoIe 15 schwimmenden, nach dem entstehenden Kavernenhaiskaliber 12 geformten,

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zunächst unverfesiigten Körper zusammen, der zum Stützkörperstopfen 13 aushärtete

Rückforderung des Öles 16 in den Vorratsbehälter 17 durch Entspannung der ITaCl-Sole 15, indem die NaCl-SoIe 15 durch Stützkörper 13 hindurch das Öl 16 in Richtung Sondenkopf aus Ringraum 18 und Steigrohrstrang 11 verdrängt»

Vorbereitung und Durchführung der Zementationsarbeiten zur Zementbrückenerrichtung auf bekannte Weise über dem Stützkörper 13» der dabei als Fundament fugiert, und die im Vergleich zur Sole spezifisch schwerere Zementschiamme hindert, in die Kaverne abzufließen»

Claims (2)

1. 20 6 2 79 -9-

   Er fin dungsan s pruch:

   1. Verfahren zur Errichtung von Zeraentbrücken in Tiefbohrungen, insbesondere in druck- und volumensensiblen Kavernenbohrungen mit abzudichtenden Kaliberintervallen unterhalb der letzten zementierten Verrohrungen, indem im Abdichtintervall eine Trennfläche zwischen zv/ei nicht mischbaren, unterschiedlich dichten Bohrlochmedien eingestellt und daraufein in der Dichte abgestimmtes Vorstopfenmaterial eingebracht wird, das sich in Orientierung an eine eingestellte Trennfläche über den gesamten Bohrlochabschnitt ausbreitet, wobei im Abdichtintervall die Kaliberdurchmesser wesentlich größer als die Verrohrungsdurclimesser sind, gekennzeichnet dadurch, daß Sole und Hilfsnedium beim Trennflächeneinstellen so in die Kaverne eingepumpt und/ oder einzirkuliert werden, daß eine Druckerhöhung in der Kaverne erfolgt; dann ein kunstharzbenetztea Granulat, beispielsweise gekörntes Polystyrol mit einem Korndurchmesser von 2 bis 5 mm in Suspension mit dem Hilismedium oder der Solo in das Trennflächenniveau eingebracht wird und hier zu einem penneablen Stützkörper aushärtet und nach Aushärtung das Hilfsiaedium mittels der komprimierten Kavernenfüllung, die durch den permeablen Stützkörper strömt, wieder nach übertage gefördert und anschließend auf bekannte V/eise auf den Stützkörper eine Zementschlämme zirkuliert wird, die dann zur Zementbrücke erhörtet.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Harzeinsatz bezogen auf das Granulatvolumen vorzugsweise 4 - 12 % beträgt.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   DD-PS 134664 (E 21 b, 33/10);
   103482 (E 21 b, 43/04)

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