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Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der am 21. Juni 2012 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/662705, die hierin durch Querverweis einbezogen ist.
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BEREICH DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung einer unterirdischen Formation mittels einer Mörtelsuspension, die Zementmaterial, Wasser und Gesteinskörnungen sowie wahlweise Beimischungen und/oder Additive umfasst.
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HINTERGRUND
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Ein Verfahren zur Behandlung einer unterirdischen Formation ist das Fracking. Fracking ist ein Prozess zur Erzeugung und anschließenden Fortpflanzung eines Risses oder eines Bruchs in einer Gesteinsschicht. Fracking ermöglicht die Gewinnung von Kohlenwasserstoffen aus Gesteinsformationen tief unter der Erdoberfläche (z. B. aus 2000 bis 20000 Fuß)). In diesen Tiefen fehlt der Formation ausreichende Pororität und Permeabilität (Durchlässigkeit), um Kohlenwasserstoffe in einem wirtschaftlichen Maß aus dem Gestein in ein Bohrloch strömen zu lassen. Künstlich geschaffene Brüche beginnen in einer vorbestimmten Tiefe in einem in das Speichergestein gebohrten Bohrloch und erstrecken sich nach außen in einen Zielbereich der Formation. Beim Fracking wird ein durchlässiger Weg geschaffen, der einen größeren Bereich der Lagerstätte mit dem Bohrloch verbindet, wodurch der Bereich vergrößert wird, in welchem Kohlenwasserstoffe aus dem Zielbereich gefördert werden können. Viele Brüche werden durch hydraulisches Fracking oder durch Druckinjektion von Fluiden in das Bohrloch erzeugt. Ein in das injizierte Fluid eingebrachtes Stützmittel kann die Bruchweite aufrechterhalten. Übliche Stützmittel umfassen Körnungen aus Sand, Keramik oder anderen Partikeln, die verhindern, dass sich der Bruch bei Beendigung der Injektion schließt. Einige Stützmaterialien sind teuer und möglicherweise ungeeignet zur Aufrechterhaltung der Ausgangsdurchlässigkeit. Der Transport der Stützmaterialien kann aufwendig und ineffektiv sein. Stützmittel kann beispielsweise bei Slickwater-Verfahren mit kurzen Bruchlängen zum Absetzen neigen. Außerdem erfordern Slickwater-Frackingverfahren die Verwendung großer Wassermengen und eine hohe Hydraulikleistung. Gel-Verfahren weisen im Zusammenhang mit Rückständen, welche die Lagerstätte verunreinigen, Schwierigkeiten bei der korrekten Säuberung auf, was die Gewinnung beeinträchtigt und die Funktionstüchtigkeit (hohe Viskosität) über lange Zeiträume (5 bis 24 Stunden) in festen Formationen mit langen Bruchverschlusszeiten unmöglich macht.
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Ein Verfahren zur Erzeugung von Permeabilität in Brüchen wird in der
US 7,044,224 beschrieben. Das Verfahren umfasst das Injizieren einer ein abbaubares Material umfassenden permeablen Zementzusammensetzung in eine unterirdische Formation. Der Abbau des abbaubaren Materials bildet Hohlräume in einer resultierenden Stützmittelmatrix aus. Ein Problem des Verfahrens liegt darin, dass der Abbau des abbaubaren Materials schwer zu steuern ist. Wenn das abbaubare Material nicht gleichmäßig mit der Zementzusammensetzung vermischt ist, stellt sich unter Umständen eine eingeschränkte Permeabilität ein. Wenn der Abbau außerdem zu schnell erfolgt, füllt die Zementzusammensetzung die Hohlräume vor der Bildung einer Matrix, was zu verringerter Permeabilität führt. Findet der Abbau zu langsam statt, sind die Hohlräume unzureichend miteinander verbunden, was wiederum zu verringerter Permeabilität führt. Damit der Abbau zum richtigen Zeitpunkt erfolgt, müssen verschiedene Bedingungen (z. B. pH-Wert, Temperatur, Druck etc.) sorgfältig gesteuert werden, was den Prozess komplex und damit zeit- und kostenintensiv macht. Ein weiteres Problem des Verfahrens liegt darin, dass das abbaubare Material unter Umständen teuer und schwierig zu transportieren ist. Ein zusätzliches Problem des Verfahrens liegt darin, dass die Permeabilität selbst bei dem Einsatz großer Mengen abbaubaren Materials nur geringfügig verbessert wird. Weiterhin kann der Zusatz abbaubaren Materials die Fließfähigkeit negativ beeinflussen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein Verfahren zur Behandlung einer unterirdischen Formation kann das Herstellen einer Mörtelsuspension, das Injizieren der Mörtelsuspension in die unterirdische Formation, das Aufrechterhalten der Mörtelsuspension bei einem Druck oberhalb des Bruchverschlussdrucks der Formation, das gleichzeitige Aushärtenlassen der Mörtelsuspension zur Bildung des Mörtels, das Verringern des Drucks unter den Bruchverschlussdruck und das Reißenlassen des Mörtels umfassen. Die Mörtelsuspension kann dazu ausgebildet sein, zu einem Mörtel mit einer Druckfestigkeit unterhalb des Bruchverschlussdrucks der unterirdischen Formation auszuhärten. Die Mörtelsuspension kann ein Zementmaterial und Wasser umfassen. Die Mörtelsuspension kann unter einen zur Erzeugung eines Bruchs in der unterirdischen Formation ausreichenden Druck in die unterirdische Formation injiziert werden. Der Druck kann aufrechterhalten werden, während die Mörtelsuspension zu dem Mörtel in dem Bruch aushärten kann. Der Druck kann dann unter den Bruchverschlussdruck gesenkt werden, und der Mörtel kann reißen und somit einen gerissenen Mörtel bilden.
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Ein weiteres Verfahren zur Behandlung einer unterirdischen Formation kann das Herstellen einer Mörtelsuspension, das Injizieren der Mörtelsuspension in die unterirdische Formation unter einem zur Erzeugung eines Bruchs in der unterirdischen Formation ausreichenden Druck und das Aushärtenlassen der Mörtelsuspension zur Bildung eines durchlässigen Mörtels in dem Bruch umfassen. Die Mörtelsuspension kann dazu ausgebildet sein, zu einem durchlässigen Mörtel mit einer Durchlässigkeit von über 10 mD-ft auszuhärten. Die Mörtelsuspension kann ein Zementmaterial, Gesteinskörnung und Wasser umfassen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Im Allgemeinen kann eine Mörtelsuspension nach dem Aufbrechen eines Muttergesteins zu einem starken, durchlässigen, steinartigen Mörtel aushärten. Die Mörtelsuspension kann Brüche gleichzeitig erzeugen und ausfüllen, wodurch die darin enthaltenen Kohlenwasserstoffe entweichen können. Während die Mörtelsuspension zu einem Mörtel aushärtet, können die Brüche offen bleiben, was ein Strömen der Kohlenwasserstoffe in ein Bohrrohr ermöglicht, solange der Mörtel permeabel ist. Eine derartige Mörtelsuspension kann den Bedarf an Stützmitteln, die teuer sind und unter Umständen die Ausgangsdurchlässigkeit nicht aufrechterhalten können, verringern oder beseitigen. Weiterhin kann eine verbesserte Durchlässigkeit durch die Verwendung einer Mörtelsuspension als Brucherzeugungsmittel ohne große Mengen an löslichen Materialien, Geliermitteln, Schaumbildnern und dergleichen eine im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren sicherere, kostengünstigere und effizientere Behandlungsmöglichkeit bereitstellen.
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Behandlungen mittels der hierin beschriebenen Verfahren können Stimulation, Formationsstabilisierung und/oder Konsolidierung umfassen. Eine Stimulation mittels der nachfolgend beschriebenen Verfahren kann anstelle traditioneller Flüssigkeiten, wie beispielsweise Slickwater und linearer oder vernetzter Gelformulierungen mit festem Stützmittelmaterial, die Verwendung einer Mörtelsuspension umfassen. Die Mörtelsuspension kann die Brüche in einer Zielformation erzeugen, bevor sie zu einem permeablen Mörtel erstarrt und durchlässig wird, wodurch die Fluide aus der Lagerstätte in das Bohrloch strömen können. Somit kann die Mörtelsuspension als Fracking-Fluid und als Stützmittel dienen. Die Mörtelsuspension kann nach einer Hydrierung derart durchlässig werden, dass die erzeugte Bruchgeometrie durchlässig sein kann, ohne ein separates Stützmittel zu benötigen. Weiterhin kann die Flächendeckung der Brüche erhöht werden, was zu einer verbesserten Bruchlänge infolge einer größeren Kontaktfläche und einer entsprechenden Vergrößerung der Bohrlochabstände führt. In einigen Fällen können die Bohrlochabstände verdoppelt und die Anzahl an Bohrlöchern damit um 50% reduziert werden. Weiterhin können die Stimulationskosten erheblich reduziert werden. Außerdem lässt sich der Wasserverbrauch verringern, da die Mörtelsuspension bis zu 70% bis 75% weniger Wasser benötigt als eine traditionelle Slickwater-Frackingoperation.
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Die Mörtelsuspension kann durch (1) ein Steuern des Reißens in einem von der Mörtelsuspension gebildeten Mörtel während der Belastung des Mörtels durch die sich schließende Formation; (2) ein Steuern der Durchlässigkeit der Mörtelsuspension während des Aushärtens zu einem durchlässigen Mörtel; oder (3) durch beides eine hoch ausgebildete Bruchdurchlässigkeit erreichen und aufrechterhalten. Durch das Steuern des Reißens im Mörtel kann über Risse aufgrund der auf den Mörtel wirkenden minimalen In-situ-Spannung ein leitendes Medium erzeugt werden. Derartige Risse können einen freien Weg für die Fluidströmung ausbilden, wodurch der gerissene Mörtel selbst dann zu einem durchlässigen Medium wird, wenn der Mörtel vor dem Reißen weniger durchlässig oder sogar vergleichsweise undurchlässig war. Die Durchlässigkeit der Mörtelsuspension kann während des Aushärtens zu einem durchlässigen Mörtel gesteuert werden, indem die Mörtelsuspension mit einem Sand/Zementmaterial-Verhältnis größer als eins versehen wird. Die Durchlässigkeit kann durch eine Agglomeration von während der Hydrierung zementierten Sandkörnern erzeugt werden, indem ein Rezept gewählt wird, das Poren in dem Mörtel erzeugt. Die Agglomeration kann infolge einer Vorbeschichtung der Sandkörner oder aufgrund der Mischung der Mörtelsuspension eintreten. Letztlich kann bei einem Mörtel mit einer bestimmten Durchlässigkeit das Steuern des Reißens eines durchlässigen Mörtels eine noch weiter verbesserte Durchlässigkeit ermöglichen. Somit kann die Durchlässigkeit durch einen nicht gerissenen durchlässigen Mörtel, durch einen gerissenen im Wesentlichen undurchlässigen Mörtel oder durch einen gerissenen durchlässigen Mörtel bereitgestellt werden.
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In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Behandlung einer unterirdischen Formation die Verwendung einer Mörtelsuspension, die dazu ausgebildet ist, einen festen Mörtel zu bilden, der dazu ausgebildet ist, unter einem Bruchverschlussdruck zu reißen. In anderen Worten bedeutet dies, dass die Mörtelsuspension Bestandteile in solchen Verhältnissen umfassen kann, dass der resultierende Mörtel nach dem Aushärten eine Druckfestigkeit unterhalb des Verschlussdrucks des Bruchs nach Entfernung äußeren Drucks aufweist. Somit komprimiert der Bruchverschlussdruck den Mörtel, wenn nach Aushärtung der Mörtelsuspension und Bildung des Mörtels externer Druck entfernt wird. Da die Druckfestigkeit des Mörtels geringer ist als der Bruchverschlussdruck, führt diese Kompression zu einem gewissen Grad des Reißens des Mörtels, wodurch die Permeabilität des Mörtels verbessert wird.
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Die aus den Hohlräumen in der Matrix des Mörtels resultierende Permeabilität in ausgehärtetem Mörtel wird als primäre Permeabilität bezeichnet. Ist der ausgehärtete Mörtel beispielsweise gerissen, erzeugt die Aufbringung eines die Druckfestigkeit des Mörtels übersteigenden Formationsdrucks eine sekundäre Permeabilität. Das Erzeugen einer sekundären Permeabilität steigert die Gesamtpermeabilität des ausgehärteten Mörtels. Die sekundäre Permeabilität kann auch erzeugt werden, indem Komponenten in der Mörtelsuspension verwendet werden, die sich nach dem Aushärten des Mörtels entweder zusammenziehen oder ausdehnen. Sich zusammenziehende Komponenten erzeugen zusätzliche Hohlräume und schwächen außerdem die Matrix, was zu zusätzlichem Reißen bei Aufbringung von Formationsdrücken führt. Sich nach dem Härten ausdehnende Komponenten führen dazu, dass der ausgehärtete Mörtel seine Maße innerhalb des Bruchs verändert, und sie verursachen Risse, die zu sekundärer Permeabilität führen.
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Die vorliegende Erfindung kann auf primäre Permeabilität in dem ausgehärteten Mörtel zurückgreifen oder eines der hierin beschriebenen Verfahren zur zusätzlichen Erzeugung sekundärer Permeabilität anwenden oder kann einen vergleichsweise undurchlässigen Mörtel verwenden und auf während oder nach dem Aushärten der Mörtelsuspension in denn Bruch erzeugte sekundäre Permeabilität zurückgreifen.
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Die hierin beschriebenen Behandlungsverfahren können zum Fracken, Refracken oder jeder anderen Behandlung dienen, in der eine Durchlässigkeit eines Bruchs oder Bohrlochs erwünscht ist. Die Mörtelsuspension (flüssige Phase und feste Phase oder beides oder Teile von beiden) kann (z. B. im laufenden Betrieb oder durch einen Vormischprozess) hergestellt und unter einem zur Erzeugung eines Bruchs in der unterirdischen Formation ausreichenden Druck in die unterirdische Formation verbracht werden. Die Vorrichtungen bzw. der Prozess zum Mischen der Komponenten der Mörtelsuspension (z. B. Gesteinskörnung, Zementmaterial und Wasser) können einen Batch-Prozess, einen Semi-Batch-Prozess oder einen kontinuierlichen Prozess sowie Zementpumpen, Frac-Pumpen, Freifallmischer, in Bohranlagen verwendete Strahlmischer, ein Vormischen getrockneter Materialien (Batch-Mischen) oder andere Vorrichtungen bzw. Verfahren umfassen. In einigen Ausführungsformen erfolgt die Verbringung der Mörtelsuspension in die unterirdische Formation durch Injizieren der Mörtelsuspension mittels Pumpen bei Drücken von bis zu 30000 psi. Die Injektion kann kontinuierlich oder in separaten Chargen erfolgen. Bei einem Rohrinnendurchmesser von bis zu ca. 125 mm und einer Lochung bis zu ca. 1202,7 mm können Raten von bis zu ca. 12 m3/min wünschenswert sein. Sobald zumindest ein Bruch in der unterirdischen Formation erzeugt wurde, wird der Druck vorzugsweise oberhalb des Bruchverschlussdrucks gehalten, wodurch die Mörtelsuspension zu einem steinartigen Mörtel aushärten kann. Der Bruchverschlussdruck kann durch spezielle Tests, beispielsweise durch Micro-Fracs, Mini-Fracs, einen Formationsdrucktest (en.: leak-off test) oder anhand von Schall- und Dichtelogdaten, ermittelt werden.
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Solange der Druck zwischen dem Zeitpunkt der Erzeugung des Bruchs und dem Zeitpunkt des Aushärtens der Mörtelsuspension nicht unter den Bruchverschlussdruck fällt, füllt die Mörtelsuspension den Bruch aus und bildet darin den Mörtel. Sobald die Mörtelsuspension zum Mörtel ausgehärtet ist, kann der Druck unter den Bruchverschlussdruck gesenkt werden und der Mörtel in dem Bruch darf reißen, um einen gerissenen Mörtel zu bilden. Um das Reißen des Mörtels zu gewährleisten, kann die Mörtelsuspension dazu ausgebildet sein, zu einem Mörtel mit einer Druckfestigkeit kleiner oder gleich dem Bruchverschlussdruck der unterirdischen Formation auszuhärten. Zusätzliche Ausführungen der Druckfestigkeit des Mörtels können je nach Art und Menge der in der Mörtelsuspension verwendeten verschiedenen Materialien geeignet sein. Die Druckfestigkeit kann größer als der Bruchverschlussdruck – 0,5·Lagerstättendruck sein. Dies wird gewöhnlich als wirksamer Stützmitteldruck oder wirksamer Einschlussdruck bezeichnet. In einer Ausführungsform werden Brüche durch die Wirkung des Verschlussdrucks herbeigeführt, verlieren aber nicht ihre Integrität, da die Festigkeit des Mörtels vorzugsweise höher ist als der wirksame Einschlussdruck. In anderen Worten kann die Druckfestigkeit des Mörtels einen beliebigen Wert zwischen dem Verschlussdruck und dem wirksamen Einschlussdruck aufweisen, so dass der Mörtel bei Beaufschlagung mit dem Verschlussdruck reißt, aber nicht versagt. Wenn eine bestimmte Formation beispielsweise einen Bruchverschlussdruck von 8000 psi und einen Lagerstättendruck von 6500 psi aufweist, beträgt der wirksame Einschlussdruck 8000 – 0,5·6500 = 4750 psi. Ein bevorzugter permeabler Mörtel kann eine Druckfestigkeit von unter 8000 psi und über 4750 psi aufweisen. Formationen können viel höhere Punkt- und Linienbelastungen ausüben als aufgrund der Druckfestigkeitsschätzungen vorhergesehen, und diese Belastungen können ebenfalls das gewünschte Reißen verursachen. Dem durchschnittlichen Fachmann ist bewusst, dass die exakte Druckfestigkeit des Mörtels auf Grundlage zahlreicher Faktoren ausgewählt werden kann, einschließlich des gewünschten Grads des Reißens oder der Permeabilität, der Materialkosten, der Fließfähigkeit, der Bohrlochdrosselstrategie und dergleichen.
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In einigen Ausführungsformen kann die Mörtelsuspension dazu ausgebildet sein, einen durchlässigen Mörtel mit einer Druckfestigkeit oberhalb des zu erwartenden Bruchverschlussdrucks bereitzustellen. In solchen Ausführungsformen kann eine entsprechende Auswahl von Materialien eine ausreichende Durchlässigkeit des durchlässigen Mörtels unabhängig von einem Reißen des Mörtels zur Bereitstellung der Durchlässigkeit gewährleisten.
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Unabhängig davon, ob die Mörtelsuspension so ausgebildet ist, dass der Mörtel reißt oder nicht, kann die Mörtelsuspension dazu ausgebildet sein, zu gewährleisten, dass der Mörtel in dem Bruch zumindest eine gewisse Integrität beibehält. Somit resultieren verschiedene Ausführungen der Mörtelsuspension in einem Mörtel, der eine maximale Druckfestigkeit, eine minimale Druckfestigkeit oder beides aufweist. Eine bevorzugte Mörtelsuspension stellt einen Mörtel bereit, der aufgrund seiner ausreichend niedrigen maximalen Druckfestigkeit reißt, jedoch dank seiner ausreichend hohen minimalen Druckfestigkeit die strukturelle Integrität beibehält. In anderen Worten ausgedrückt kann der Mörtel reißen, während er an Ort und Stelle verbleibt und als Stützmittel dient. Der Grad, zu dem der Mörtel reißen kann, ist hinsichtlich einer Maximierung der Durchlässigkeit wählbar, so dass eine zur Gewährleistung der Durchströmung ausreichende Zahl an Rissen entsteht, jedoch nicht so viele Risse, dass der Mörtel in kleine Stücke zerbricht und den Bohrlochbetrieb blockiert oder anderweitig behindert.
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Zur Aufrechterhaltung der gewünschten Integrität im Bruch kann der Mörtel eine Druckfestigkeit oberhalb eines wirksamen Einschlussdrucks der Formation oder oberhalb eines Bruchverschlussdrucks aufweisen, wenn ein Reißen des Mörtels unerwünscht ist (z. B. wenn der Mörtel auch ohne Reißen ein durchlässige Mörtel mit ausreichender Permeabilität ist). Außerdem kann der Mörtel eine Festigkeit aufweisen, die ausreicht, Druckzyklen aufgrund vorübergehender Bohrlochstilllegungen zur Wartung oder aus anderen betrieblichen Gründen auszuhalten. In einigen Ausführungsformen kann der Mörtel eine Druckfestigkeit von ungefähr 20 MPa aufweisen, wenn der vorausgesetzte Bruchverschlussdruck etwa 40 MPa beträgt, so dass der Bruchverschlussdruck ein Reißen des Mörtels verursacht, ohne diesen zu zerstören.
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Nachdem ein permeabler Mörtel in dem Bohrloch gebildet wurde, können infolge der Verwendung eines durchlässigen Mörtels oder eines Reißens des Mörtels oder aufgrund von beidem Kohlenwasserstoffe aus der Formation gewonnen werden, wobei der permeable Mörtel die Aufrechterhaltung der Integrität des Bruchs in der Formation bewirkt, während die Kohlenwasserstoffe und andere Formationsfluide in das Bohrloch strömen können. Die gewonnenen Kohlenwasserstoffe können durch den permeablen Mörtel und/oder durch die erzeugten Risse strömen, während der Durchtritt von Formationssanden durch den permeablen Mörtel im Wesentlichen verhindert wird.
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Die Mörtelsuspension umfasst Zementmaterial und Wasser. Das Wasser kann in einer ausreichenden Menge vorliegen, um die Mörtelsuspension mit einer pumpbaren Konsistenz auszubilden. Insbesondere kann ein Gewichtsverhältnis zwischen Wasser und Zemmentmaterial in Abhängigkeit von einer Vielzahl verschiedener wünschenswerter Eigenschaften der Mörtelsuspension zwischen 0,2 und 0,8 betragen. Wenn zum Beispiel eine geringere Viskosität gewünscht ist, kann mehr Wasser verwendet werden, und wenn mehr Festigkeit gewünscht ist, kann mehr Zementmaterial oder weniger Wasser verwendet werden. Außerdem kann das Verhältnis von Wasser zu Zementmaterial in Abhängigkeit von der eventuellen Verwendung weiterer Materialien in der Mörtelsuspension variiert werden. Die jeweiligen in der Mörtelsuspension verwendeten Materialien können im Hinblick auf Fließfähigkeit und Homogenität ausgewählt werden.
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Eine Vielzahl von Zementmaterialien kann sich als geeignet erweisen, einschließlich hydraulischer Zemente aus Calcium, Aluminium, Silicium, Sauerstoff, Eisen und/oder Aluminium, die durch Reaktion mit Wasser aushärten und erstarren. Hydraulische Zemente umfassen unter anderem Portlandzemente, Puzzolanzemente, Gipszemente, Zemente mit hohem Aluminiumoxidgehalt, Silikazemente, hochalkalische Zemente, Mikrozement, Schlackenzement und Flugaschezement. Einige Zemente sind gemäß dem American Petroleum Institute, API-Richtlinien zu Materialien und Tests für Bohrlochzemente, API-Richtlinie 10, Fünfte Ausg. 1. Juli 1990, als Zemente der Klasse A, B, C, G und H klassifiziert. Weitere potentiell geeignete Zementarten und Zusammensetzungen sind in der europäischen Norm EN 197-1 dargelegt, die aus 5 Haupttypen besteht. Deren Typ II ist auf Basis der Art des Sekundärmaterials in sieben Subtypen unterteilt. Die amerikanische Norm ASTM C150 deckt verschiedene Arten von Portlandzement ab, und ASTM C595 betrifft gemischte hydraulische Zemente. Das Zementmaterial kann circa 20% bis circa 90% des Gewichts der Mörtelsuspension ausmachen.
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Das Wasser in der Mörtelsuspension kann Süßwasser, Salzwasser (z. B. Wasser mit einem oder mehreren gelösten Salzen), Sole (z. B. gesättigtes Salzwasser), Brackwasser, Rückflusswasser, Förderwasser (en.: produced water), aufbereitetes Wasser oder Abwasser, Seewasser, Fluss-, Teich-, Mineral-, Brunnen-, Sumpf- oder Meerwasser sein. Im Allgemeinen kann das Wasser aus jeder beliebigen Quelle stammen, solange es keinen Überschuss an Verbindungen enthält, die andere Komponenten in der Mörtelsuspension negativ beeinflussen. Das Wasser kann behandelt werden, um eine für die Verwendung in der Mörtelsuspension geeignete Zusammensetzung zu gewährleisten.
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In einigen Ausführungsformen kann die Mörtelsuspension dazu ausgebildet sein, einen durchlässigen Mörtel mit einem minimalen Grad der Durchlässigkeit bereitzustellen. Die Mörtelsuspension kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, mittels Ausfallgesteinskörnungen (en.: gap-graded aggregates), Reißen oder beidem zu einem durchlässigen Mörtel mit einer Durchlässigkeit zwischen circa 10 mD-ft und circa 9000 mD-ft, zwischen circa 250 mD-ft und circa 1000 mD-ft, über 100 mD-ft oder über 1500 mD-ft auszuhärten.
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Die Mörtelsuspension kann den Mörtel mit dem minimalen Grad an Durchlässigkeit versehen, ohne dazu auf bestimmte Materialien zurückzugreifen, die möglicherweise teuer, umweltschädlich, schwierig im Transport oder anderweitig unerwünscht sind. In anderen Worten kann die Mörtelsuspension im Wesentlichen bestimmte Materialien ausschließen. In einigen Fällen können beispielsweise Geliermittel, Gelbrecher, Schaumbildner, Tenside, zusätzliche Viskosifizierer und/oder abbaubare Materialien gänzlich aus der Mörtelsuspension entfallen oder nur in minimalen Mengen enthalten sein. Somit kann die Mörtelsuspension bezogen auf das Gewicht des Zementmaterials in der Mörtelsuspension weniger als 5% Geliermittel, weniger als 5% Schaumbildner, weniger als 5% Tenside und/oder weniger als 5% abbaubares Material umfassen. Die Mörtelsuspension kann bezogen auf das Gewicht des Zementmaterials in der Mörtelsuspension beispielsweise weniger als 4%, weniger als 3%, weniger als 2%, weniger als 1%, weniger als 0,5%, weniger als 0,1% oder nur Spuren von jedem dieser Materialien umfassen.
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Die Mörtelsuspension kann weiterhin Gesteinskörnung enthalten. Einige Beispiele für Gesteinskörnungen umfassen gewöhnlichen Sand, Flusssand, Schotter (z. B. Basalt, Lava/Vulkangestein etc.), mineralische Füllstoffe und/oder Sekundär- oder Rezyklatmaterialien wie Kalksteinkörner aus der Entsalzung von Wasser und Flugasche. Weitere Beispiele umfassen polydisperse, neue, recycelte oder Abfallstrom-Festpartikel, Keramik, Betonschotter, verbrauchte Katalysatoren (z. B. Schwermetalllauge) und Glaspartikel. Leichte Additive wie Bentonit, Puzzolan oder Diatomeenerde können ebenfalls vorgesehen sein. Die Gesteinskörnung kann eine Korngröße von 0 bis 2 mm, 0 bis 1 mm und möglicherweise 0,1 bis 0,8 mm aufweisen. Das Verhältnis Sand/Zementmaterial kann die mechanischen Eigenschaften des Mörtels, wie zum Beispiel die Druck- und Biegefestigkeit, sowie die Bearbeitbarkeit, Porosität und Permeabilität der Mörtelsuspension beeinflussen. Das Verhältnis wischen dem Sand und dem Zementmaterial kann zwischen 1 und 8, zwischen 1 und 6 oder zwischen 2 und 4 betragen. In einigen Ausführungsformen können Ausfallgesteinskörnungen verwendet werden. Somit können auf Basis der jeweiligen einzigartigen Eigenschaften spezielle Verhältnisse verschiedener Korngrößen ausgewählt werden, so dass gezielt Hohlräume in der Mörtelsuspension erzeugt werden, während sie in das Bohrloch gepumpt wird und zu dem Mörtel aushärtet. Ausfallgesteinskörnungen können also entweder vor oder nach dem Reißen des Mörtels zur Bildung eines permeablen Mörtels einen Hohlraumgehalt von circa 20% vorsehen. Ein Mischen der Kantigkeiten von Partikeln kann besser gepackte Mischungen ermöglichen. Natürliches Material wie Sand mit geringer oder hoher Kantigkeit kann beispielsweise entweder allein oder in Verbindung mit anderen Materialien ähnlicher oder unterschiedlicher Kantigkeiten verwendet werden. Wenn der gewünschte Hohlraumgehalt ausreichend hoch ist, kann der Mörtel dazu ausgebildet sein, eine Druckfestigkeit oberhalb des Bruchverschlussdrucks aufzuweisen. So kann mit Ausfallgesteinskörnungen ein höheres Maß an Integrität des Mörtels erreicht werden, während gleichzeitig eine ausreichende Durchlässigkeit ermöglicht wird. Ist jedoch zusätzliche Durchlässigkeit erwünscht, kann die Ausfallgesteinskörnung in Verbindung mit dem Mörtel verwendet werden, der dazu ausgebildet ist, unter Bruchverschlussdruck zu reißen, was eine noch höhere Durchlässigkeit erzeugt. In einigen Ausführungsformen können Sandkörner mittels Prähydratation mit einer Mischung auf Zementbasis beschichtet sein, um ein Absinken zu unterbinden und die Mörtelsuspension als Einphasenflüssigkeit zu erhalten. Zusätzlich können der Mörtelsuspension weiterhin ein Verdickungsmittel oder ein anderes übliches Feststoffsuspensionsadditiv sowie verschiedene Verbesserungszusätze beigemischt werden.
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Die Mörtelsuspension kann Bindemittel umfassen, unter anderem beispielsweise Portlandzement, wobei als sehr schnell abbindendes Beispiel CEM I 52.5 R genannt sei, oder andere Bindemittel wie z. B. Microcem, ein Spezialzement mit einer sehr kleinen Korngrößenverteilung (< 10 μm). Letzterer weist sehr kleine Zementpartikel und damit eine sehr große spezifische Oberfläche (d. h. Blaine-Wert) auf. Damit ist es möglich, frühzeitig sehr hohe Festigkeiten zu erreichen. Andere Zementmaterialien wie z. B. Zementklinker, Flugasche, Schlacke, Silikastaub, Kalkstein, gebrannter Schiefer, Puzzolan und mineralische Bindemittel können zum Binden verwendet werden.
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Die Mörtelsuspension kann Beimischungen von Verflüssigern oder Fließmitteln und Verzögerern enthalten. Fließmittel können unter anderem Polycarboxylatether, wobei als kommerzielles Beispiel BASF Glenium ACE 352 (aktiver Bestandteil = 20% m/m) genannt sei, und/oder sulfonierte Naphthalin-Formaldehyd-Kondensate umfassen, wobei als kommerzielles Beispiel Cugla PIB HR (aktiver Bestandteil = 35% m/m) genannt sei. Verzögerer können unter anderem aus dem Stand der Technik bekannte gewöhnliche Verzögerer für Zementanwendungen umfassen, wobei CUGLA PIB MMV (aktiver Bestandteil = 25% m/m) und/oder BASF Pozzolith 130R (aktiver Bestandteil = 20% m/m) als kommerzielle Beispiele genannt seien.
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Wahlweise kann in der Mörtelsuspension ein Dispergiermittel in einer Menge enthalten sein, die wirksam die Dispergierung des Zementmaterials und anderer Materialien in der Mörteldispersion unterstützt. Das Dispergiermittel kann beispielsweise circa 0,1 bis circa 5 Gewichtprozent der Mörtelsuspension betragen. Beispielhafte Dispergiermittel umfassen Naphthalinsulfonsäure-Formaldehyd-Kondensate, Aceton-Formaldehyd-Sulfit-Kondensate und Glucono-δ-lacton.
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Ein Additiv zur Kontrolle eines Flüssigkeitsverlusts kann in der Mörtelsuspension enthalten sein, um einen Flüssigkeitsverlust aus der Mörtelsuspension während des Einbringens zu verhindern. Beispiele für flüssige oder lösliche Flüssigkeitsverlust-Kontrolladditive umfassen modifizierte synthetische Polymere und Copolymere, natürlichen Gummi und Derivate derselben sowie derivatisierte Cellulose und Stärken. Im Anwendungsfall kann das Flüssigkeitsverlust-Kontrolladditiv üblicherweise in einer Harzzusammensetzung in einer Menge enthalten sein, die ausreicht, einen Flüssigkeitsverlust aus der Mörtelsuspension zu verhindern. Das Flüssigkeitsverlustadditiv kann beispielsweise circa 0 bis circa 25 Gewichtsprozent der Mörtelsuspension betragen.
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Andere Additive, wie beispielsweise Beschleuniger (z. B. Calciumchlorid, Natriumchlorid, Triethanolamin-Calciumchlorid, Kaliumchlorid, Calciumnitrit, Calciumnitrat, Calciumformiat, Natriumformiat, Natriumnitrat, Triethanolamin, X-Seed (BASF), Nano-CaCO3 und andere Alkali- und Erdalkalimetallhalogenide, Formiate, Nitrate, Carbonate, in ASTM C494 genannte Beimischungen für Zement oder andere), Verzögerer (z. B. Natriumtartrat, Natriumcitrat, Natriumgluconat, Natriumitaconat, Weinsäure, Citronensäure, Gluconsäure, Ligninsulfonate und synthetische Polymere und Copolymere, thixotropische Additive, lösliche Zink- oder Bleisalze, lösliche Borate, lösliche Phosphate, Calciumligninsulfonat, Kohlenhydratderivate, zuckerbasierte Zusätze (z. B. Lignin), in ASTM C494 genannte Zusätze für Zement oder andere), Suspensionsmittel, Tenside, hydrophobe oder hydrophile Beschichtungen, pH-Puffer und dergleichen können ebenfalls in der Mörtelsuspension enthalten sein. Zusätzliche Additive können Fasern zur Verstärkung oder Schwächung umfassen, die entweder polymer oder natürlich sind, wie zum Beispiel Cellulosefasern. Additive für das Reißen können ebenfalls enthalten sein. Manche Reiß-Additive können Quellmaterialien (z. B. Gips, Calciumsulfoaluminat, freien Kalk (CaO), Aluminiumpartikel (z. B. metallisches Aluminium), reaktive Silika (z. B. grobkörnig; langfristig) etc.), Schrumpfmaterialien, Zementverunreinigungen (z. B. Öl, Diesel), Schwachpunkte (z. B. schwache Gesteinskörnungen, vulkanische Gesteinskörnungen etc.) und nicht bindende Zuschläge (z. B. Kunststoffe, harzbeschichtetes Stützmittel, biologisch abbaubares Material) umfassen.
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In einigen Ausführungsformen, z. B. bei der Stimulation einer konsolidierten oder halbkonsolidierten Formation, kann der Mörtelsuspension herkömmliches Stützmittelmaterial zugesetzt werden. Hierbei beziehen sich die Begriffe „konsolidiert” und „halbkonsolidiert” auf Formationen, die im Gegensatz zu einer „unkonsolidierten” Formation mit relativ geringer struktureller Stabilität einen gewissen Grad an relativer struktureller Stabilität aufweisen. Solche Formationen können sehr hohe Bruchverschlussdrücke ausüben, wenn sie einem Fracking-Prozess unterzogen werden. Das Stützmaterial kann bei der Aufrechterhaltung der geöffneten und abgestützten Brüche helfen. Im Anwendungsfall kann das Stützmittelmaterial eine ausreichende Größe aufweisen, um zur Abstützung der offenen Brüche beizutragen, ohne die Durchlässigkeit des Mörtels negativ zu beeinflussen. Die übliche Größenordnung kann zwischen circa 10 bis 80 US-Mesh liegen. Das Stützmittel kann eine Größe im Bereich von circa 12 bis 60 US-Mesh aufweisen. Typischerweise kann dessen Menge wesentlich geringer sein als die Menge an Stützmaterial, die in einem herkömmlichen Fracking-Fluid-Prozess verwendet wird.
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Die Mörtelsuspension kann weiterhin Glas oder andere Fasern, die den Mörtel beim Reißen binden oder anderweitig zusammenhalten können, Kalkstein oder anderes Füllmaterial zur Verbesserung der Kohäsion (Verhinderung der Entmischung) der Mörtelsuspension oder eine beliebige Anzahl von Additiven oder Materialien umfassen, die in Bohrlochoperationen mit Zementmaterial verwendet werden.
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Die Mörtelsuspension kann in einem Bruch in einer unterirdischen Formation zu einem durchlässigen Mörtel aushärten, um unter anderem die Integrität des Bruchs aufrechtzuerhalten und die Erzeugung von Schwebstoffen in Verbindung mit Bohrlochfluiden zu verhindern. Die Mörtelsuspension kann (entweder im laufenden Betrieb oder durch einen Vormischprozess) an der Oberfläche hergestellt und anschließend über ein Bohrloch unter einem zur Ausführung der gewünschten Funktion ausreichenden Druck in die unterirdische Formation und/oder in Brüche oder Risse derselben injiziert werden. Wenn das Fracking oder ein anderer Mörtelsuspensionseinbringungsprozess erfolgt ist, darf die Mörtelsuspension in dem Formationsbruch/den Formationsbrüchen aushärten. Gegebenenfalls ist eine ausreichende Menge Druck zur Erhaltung der Mörtelsuspension während der Aushärteperiode erforderlich, um unter anderem ein Ausfließen der Mörtelsuspension aus den Formationsbrüchen zu verhindern. Nach der Aushärtung kann der durchlässige Mörtel eine ausreichende Durchlüssigkeit aufweisen, um den Durchfluss von Öl, Gas und/oder anderen Formationsfluiden zu ermöglichen, ohne dass es zu einer Migration wesentlicher Mengen unerwünschter Schwebstoffe zum Bohrloch kommt. Darüber hinaus kann der durchlässige Mörtel eine ausreichende Druckfestigkeit zur Aufrechterhaltung der Integrität des Bruchs/der Brüche in der Formation aufweisen.
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Der Mörtel kann eine ausreichende Festigkeit aufweisen, um im Wesentlichen beispielsweise zur teilweisen oder gänzlichen Aufrechterhaltung der Integrität des Bruchs/der Brüche in der Formation zur Verbesserung der Durchlässigkeit der Formation als Stützmittel zu fungieren. Entscheidenderweise kann der Mörtel in seiner Funktion als Stützmittel auch Strömungskanäle innerhalb der Formation vorsehen, welche die Strömung erwünschter Formationsfluide zum Bohrloch erleichtern. Der gerissene Mörtel kann zwar eine ungenügende Festigkeit aufweisen, um ein Reißen unter Bruchverschlussdruck zu verhindern, gleichzeitig kann er jedoch genug Festigkeit aufweisen, um als Stützmittel zu fungieren. In einigen Ausführungsformen kann der permeable Mörtel (d. h. durchlässiger Mörtel, gerissener Mörtel oder gerissener durchlässiger Mörtel) eine Permeabilität im Bereich von circa 0,1 Darcy bis circa 430 Darcy aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann der permeable Mörtel eine Permeabilität im Bereich von circa 0,1 Darcy bis circa 50 Darcy aufweisen. In wiederum anderen Ausführungsformen kann der permeable Mörtel eine Permeabilität von über circa 10 Darcy oder über circa 1 Darcy aufweisen.
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Wenn ein Reißen des Mörtels nicht speziell erwünscht ist, können in den oben beschriebenen Verfahren die Schritte des Erhaltens eines Drucks oberhalb des Bruchverschlussdrucks während des Aushärtenlassens des Mörtels und das Reißenlassens des Mörtels in dem Bruch zur Bildung eines gerissenen Mörtels wahlweise entfallen. Entfallen diese Schritte nicht oder entfallen sie nur teilweise, kann der Mörtel dennoch reißen und den gerissenen Mörtel bilden, was zu verbesserter Durchlässigkeit führt. Ist das Reißen allerdings erwünscht, können diese Schritte sicherstellen, dass ein kontrolliertes Reißen auftritt.
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Schlacken aus Mörtelsuspension und stützmittelhaltiges Gel können die Durchlässigkeit zwischen Bereichen gerissenen Mörtels innerhalb der Brüche unter Verwendung der Stützmittel- und Gelabschnitte als Verbindungen erhöhen. Die Abschnitte aus gerissenem Mörtel können als Stütze für die vertikale Einbringung hochdurchlässigen Materials in den Bruch dienen. Die Behandlung kann am Ende mit Stützmittel und Fluid für eine bessere Durchlässigkeit nahe des Bohrlochs beendet werden. Eine niedrige oder hohe Frequenz und ein niedriges oder hohes Verhältnis von gerissenem Mörtel zu Gel können von der Fähigkeit der Ausrüstung zum Schalten zwischen zwei Systemen abhängen.
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Um ein effizientes Pumpen und andere Arten der Bearbeitung der Mörtelsuspension zu ermöglichen, kann die Mörtelsuspension dazu ausgebildet sein, gemäß bestimmten Beschränkungen der Arbeitsstätte zu fließen. Somit kann der Fließfähigkeitsradius unter Berücksichtigung von Variablen wie Temperatur, Tiefe des Bohrlochs und anderer Formationseigenschaften angepasst werden. Die Viskosität der Mörtelsuspension, die durch dem Fachmann bekannte Viskometer-Standardvorrichtungen, z. B. einen Fann-35 (von Fann Instrument Company, Houston, Texas) gemessen wird, kann weniger als 5000 cP oder weniger als 3000 cP, möglicherweise weniger als 1000 cP betragen. Ebenso kann die Mörtelsuspension dazu ausgebildet sein, gemäß bestimmten Beschränkungen der Arbeitsstätte auszuhärten. So kann die Aushärtezeit unter Berücksichtigung von Variablen wie Temperatur, Tiefe des Bohrlochs und anderer Formationseigenschaften angepasst werden. In einigen Ausführungsformen kann die Aushärtezeit der Mörtelsuspension mindestens 60 Minuten nach Pumpenabschaltung betragen. In weiteren Ausführungsformen kann die Aushärtezeit der Mörtelsuspension 2 Stunden bis 6 Stunden nach Pumpenabschaltung, circa 3 Stunden nach Pumpenabschaltung oder eine andere Aushärtezeit betragen, die eine Einbringung der Mörtelsuspension ohne unerwünschte Verzögerung nach der Einbringung und vor dem Aushärten ermöglicht. Wenn eine Aushärtezeit ausgewählt wurde, kann das Verfahren zur Behandlung der unterirdischen Formation ein Aushärtenlassen der Mörtelsuspension durch Abwarten der gesetzten Aushärtezeit umfassen. Wenn die Aushärtezeit der Mörtelsuspension beispielsweise 60 Minuten beträgt, kann das Verfahren eine Wartezeit von mindestens 60 Minuten nach Beendigung der Injektion umfassen. Einem Fachmann ist bewusst, dass bestimmte Verzögerertechnologien die Festigkeitsentwicklung der Mörtelsuspension beeinflussen können, was berücksichtigt und kompensiert werden kann.
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Nach dem Aushärten der Mörtelsuspension kann der Mörtel (z. B. ein durchlässiger Mörtel) eine Durchlässigkeit von über 100 mD-ft aufweisen, und die Mörtelsuspension kann dazu ausgebildet sein, eine derartige Durchlässigkeit in dem Mörtel bereitzustellen. Vor dem Reißen kann ein durchlässiger Mörtel eine erste Durchlässigkeit aufweisen. Diese Durchlässigkeit kann aus einer kontinuierlichen offenen Porenstruktur und/oder aus in dem durchlässigen Mörtel ausgebildeten Rissen resultieren. Nach dem Reißen des durchlässigen Mörtels kann der gerissene durchlässige Mörtel aufgrund der durch die Risse erzeugten Hohlräume eine höhere Durchlässigkeit aufweisen. Das Reißen kann beispielsweise Risse mit Breiten von circa 0,5 mm vorsehen. Somit kann eine zweite Durchlässigkeit des durchlässigen Mörtels höher sein als die erste Durchlässigkeit des durchlässigen Mörtels vor dem Reißen. Die erste Durchlässigkeit kann beispielsweise mindestens 100 mD-ft betragen, und die zweite Durchlässigkeit kann mindestens 250 mD-ft betragen. Die zweite Durchlässigkeit kann um einen Grad oder eine Prozentzahl höher als die erste Durchlässigkeit sein. Die zweite Durchlässigkeit kann beispielsweise mindestens 25 mD-ft, 50 mD-ft, 100 mD-ft, 250 mD-ft, 500 mD-ft oder 1000 mD-ft höher sein als die erste Durchlässigkeit. Diese Werte können für einen Einschlussdruck von bis zu circa 15000 psi gelten, wobei unterschiedliche Werte auf verschiedene angewandte Nettodrücke zutreffen.
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Nach dem Aushärten der Mörtelsuspension kann der Mörtel eine Salztoleranz von über 3% Sole aufweisen, und die Mörtelsuspension kann dazu ausgebildet sein, eine derartige Salztoleranz in dem Mörtel bereitzustellen. Die Salztoleranz kann beispielsweise zwischen circa 1% Sole und circa 25% Sole liegen. Einem Fachmann ist bewusst, dass manche Gesteinskörnungen bei hohem Salz- oder Alkaligehalt eine ungewollte Alkali-Silika-Reaktivität aufweisen können und derartige Materialien daher hier nicht bevorzugt sind.
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Die Mörtelsuspension kann mit einer Aushärtetemperatur von circa 50°C bis circa 330°C, mit einer Aushärtetemperatur von unter 150°C oder mit einer Aushärtetemperatur von über 150° ausgebildet sein.
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In einer Ausführungsform kann die Mörtelsuspension aus 27,7 Gew.-% Portlandzement, 13,9 Gew.-% Grundwasser, 55,4 Gew.-% Sand 0–1 mm, 1,7 Gew.-% Verzögerer und 1,3 Gew.-% Fließmittel gebildet sein.
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In einer speziellen Ausführungsform können die Mörtelsuspension und der Mörtel mit einigen oder allen der folgenden Eigenschaften ausgebildet sein:
| Eigenschaft | Wert |
| Einschlussdruck (20 Stunden nach Aushärten) | 42–85 MPa |
| Durchlässigkeit | 250–1000 mD-ft (mit 3 mm Rissbreite) |
| Aushärtezeit | 2 Stunden |
| Aushärtetemperatur | 60–200°C |
| Salztoleranz | 3–10% Sole |
| Förderraten | bis zu 10 m3/min |
| Rohrdurchmesser | 127 mm |
| Rohrperforationen | 12,7 mm |
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BEISPIELE
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In einem Test unter Umgebungsbedingungen (d. h. 20°C) ergab eine Mischung unter Verwendung der untenstehenden Bestandteile mit einem Wasser/Zement-Verhältnis von 0,35 einen Mörtel mit den folgenden Eigenschaften:
| Bestandteil | % m/m | Kg/m3 (unter Annahme von 4% V/V Luftgehalt |
| CEM I 52.5 R | 28,8 | 658 |
| Zementsand 0–1 mm | 57,6 | 1317 |
| Wasser | 10,1 | 231 |
| Cugla MMV | 0,56 | 12,8 |
| BASF Glenium | 0,55 | 12,6 |
| Eigenschaft | Wert |
| Druckfestigkeit (nach 16 Stunden) | 36 MPa |
| Druckfestigkeit (nach 24 Stunden) | 48 MPa |
| Biegefestigkeit (nach 16 Stunden) | 6 MPa |
| Biegefestigkeit (nach 24 Stunden) | 7 MPa |
| Fließfähigkeit (nach 0 Minuten) | > 300 mm |
| Fließfähigkeit (nach 30 Minuten) | > 300 mm |
| Fließfähigkeit (nach 60 Minuten) | > 300 mm |
| Aushärtezeit | > 120 Minuten |
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In einem weiteren Test ergab eine Mischung unter Verwendung der untenstehenden Materialien mit einem Wasser/Zement-Verhältnis von 0,35 einen Mörtel mit den folgenden Eigenschaften:
| Bestandteil | % m/m | Kg/m3 (unter Annahme von 4% V/V Luftgehalt |
| Microcem | 29,7 | 667 |
| Zementsand 0–1 mm | 59,4 | 1335 |
| Wasser | 10,4 | 234 |
| BASF Pozzolith | 0,26 | 5,8 |
| BASF Glenium | 0,28 | 6,3 |
| Eigenschaft | Wert |
| Druckfestigkeit (nach 16 Stunden) | 64 MPa |
| Druckfestigkeit (nach 24 Stunden) | 84 MPa |
| Biegefestigkeit (nach 16 Stunden) | 7 MPa |
| Biegefestigkeit (nach 24 Stunden) | 8 MPa |
| Fließfähigkeit (nach 0 Minuten) | 300 mm |
| Aushärtezeit | 15 Minuten |
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In einem weiteren Test ergab eine Mischung unter Verwendung der untenstehenden Materialien einen Mörtel, der der Festigkeitsanforderung von mindestens 42 MPa bei 20°C, 50°C und 80°C entsprach und nach 24 Stunden bei 80°C eine Druckfestigkeit von über 80 MPa aufwies.
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In einem Test an zwei Proben eines gerissenen Mörtels wurde die Durchlässigkeit bei Raumtemperatur mittels der Methode der fallenden Druckhöhe (en.: falling head method) bei einer Wassersäulenhöhe von circa 0,4 m gemessen. Die Proben zeigten eine gute Fließfähigkeit und ein gutes Aushärteverhalten bei einer Druckfestigkeit zwischen 25 MPa und 30 MPa (bei 80°C) nach 24 Stunden. Wie unten angegeben war die Druckfestigkeit in diesem Bereich ausreichend schwach, um ein Reißen unter dem angenommenen Bruchverschlussdruck und eine Durchlässigkeit zwischen 150 mD-ft und 2200 mD-ft zu ermöglichen.
| Zement CEM I 52.5 R | 19.98% m/m | 22,46% m/m |
| Wasser | 12,91% m/m | 12,57% m/m |
| Zementsand 0–1 mm | 55,33% m/m | 53,89% m/m |
| Kalksteinfüllmittel | 9,22% m/m | 8,98% m/m |
| Cugla MMV | 0,86% m/m | 0,84% m/m |
| BASF Glenium | 1,25% m/m | 1,26% m/m |
| Glasfasern | 0,40% m/m | 0,00% m/m |
| Sand/Zement-Verhältnis | 2,77 | 2,40 |
| (Gesamt-)Wasser/Zement Verhältnis | 0,73 | 0,63 |
| Entmischung | Nein | Nein |
| Fließfähigkeit (nach 0 Minuten) | 180 mm ohne Vibration > 300 mm mit schwacher Vibration des Ausbreittischs | 260 mm ohne Vibration > 300 mm mit schwacher Vibration des Ausbreittischs |
| Fließfähigkeit (nach 60 Minuten) | 120 mm ohne Vibration > 300 mm mit schwacher Vibration des Ausbreittischs | 280 mm ohne Vibration > 300 mm mit schwacher Vibration des Ausbreittischs |
| Aushärtezeit (min) | > 75 | > 75 |
| Druckfestigkeit (nach 16 Stunden) | 26 MPa | 25 MPa |
| Druckfestigkeit (nach 24 Stunden) | 31 MPa | 27 MPa |
| Durchlässigkeit – kleine Risse (bis 0,6 mm) | 150 mD-ft | 150 mD-ft |
| Durchlässigkeit – breite Risse (bis 3,0 mm) | 2200 mD-ft | 2200 mD-ft |
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In einem weiteren Test wurde die Durchlässigkeit bei Raumtemperatur mittels der Methode der fallenden Druckhöhe mit einer Wassersäulenhöhe von circa 0,4 m gemessen. Die Proben zeigten eine gute Durchlässigkeit bei einer Interpolation auf 80°C und unter Verwendung eines Gases als Medium. Wie unten angegeben lag die Druckfestigkeit unter dem gesetzten Minimalwert, was auf die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Reißens hinweist, womit die Durchlässigkeit erhöht wird.
| Sandkorngröße | 0,5–1,6 mm | 1–2 mm |
| Zement CEM I 52.5 R | 18,6% m/m | 18,4% m/m |
| Wasser | 5,6% m/m | 6,9% m/m |
| Zementsand 0–1 mm | 74,4% m/m | 73,4% m/m |
| Cugla MMV | 0,6% m/m | 0,6% m/m |
| BSF Glenium | 0,9% m/m | 0,9% m/m |
| Sand/Zement-Verhältnis | 4,0 | 4,0 |
| (Gesamt-)Wasser/Zement-Verhältnis | 0,36 | 0,43 |
| Entmischung | Nein | Nein |
| Fließfähigkeit (nach 0 Minuten) | 150 mm | 150 mm |
| Aushärtezeit (Minuten) | > 60 | > 60 |
| Druckfestigkeit | 30 MPa | 12 MPa |
| Durchlässigkeit | 26 mD-ft | 75 mD-ft |
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Angesichts der verschiedenen Tests wird angenommen, dass zumindest die folgenden Zusammensetzungsspannen (% m/m) für eine zur Bildung eines im Wesentlichen undurchlässigen Mörtels ausgebildeten Mörtelsuspension geeignet wären:
| | Spanne | Bevorzugte Spanne | Spezifische Spanne |
| Zement | 15–40 | 20–29 | 20 |
| Kalksteinfüllmittel | 15–30 | 20 | 20 |
| Wasser | 5–30 | 10–14 | 11 |
| Sand | 20–70 | 48–60 | 48 |
| Fließmittel | 0–3 | 0,3–1,4 | 1,3 |
| Verzögerer | 0–3 | 0–1,8 | 0 |
| Glasfasern | 0–5 | 0,54 | 0 |
| W/Z-Verhältnis | 0,3–0,8 | 0,4–0,7 | 0,60 |
| S/Z-Verhältnis | 0,5–8 | 2–3 | 2,4 |
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Angesichts der verschiedenen Tests wird angenommen, dass zumindest die folgenden Zusammensetzungsspannen für eine zur Bildung eines durchlässigen Mörtels ausgebildete Mörtelsuspension geeignet wären:
| | Spanne | Bevorzugte Spanne | Spezifische Spanne |
| Zement | 10–40 | 14–41 | 14 |
| Kalksteinfüllmittel | 0 | 0 | 0 |
| Wasser | 5–20 | 5–15 | 5 |
| Sand | 40–85 | 40–81 | 81 |
| Fließmittel | 0–3 | 0,3–1,9 | 0,3 |
| Verzögerer | 0–3 | 0–2,5 | 0 |
| Glasfasern | 0 | 0 | 0 |
| W/Z-Verhältnis | 0,3–0,8 | 0,4–0,6 | 0,40 |
| S/Z-Verhältnis | 0,5–8 | 1–6 | 6,0 |
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Angesichts der verschiedenen Tests wird angenommen, dass zumindest die folgenden Spannen für eine mit prähydriertem vorbeschichtetem Sand ausgebildete Mörtelsuspension geeignet wären:
| | Spanne | Bevorzugte Spanne |
| W/Z-Verhältnis | 0,05–0,50 | 0,15–0,30 |
| S/Z-Verhältnis | 1–10 | 3–6 |
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Dem Fachmann ist bewusst, dass zahlreiche Modifikationen und Variationen in Bezug auf die offenbarten Ausführungsformen, Konfigurationen, Materialien und Verfahren möglich sind, ohne von deren Bereich abzuweichen. Dementsprechend sollen der Bereich der Ansprüche und deren funktionale Entsprechungen nicht durch die speziell beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen begrenzt sein, da diese lediglich beispielhafter Natur sind und separat beschriebene Elemente wahlweise miteinander kombiniert werden können.