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Gemisch zum Zementieren von Bohrlöchern Die Erfindung betrifft ein
Gemisch zum Zementieren von Bohrlöchern und seine Anwendung bei verschiedenen Zementierverfahren
während des und im Anschluß an das Einbringen von Öl- und Gasbohrlöchern sowie im
besonderen eine Zementbrühe mit niedrigem Gewicht für Zementierverfahren in Erdbohrungen.
Sie fußt auf der Erkenntnis, daß sich bestimmte, natürlich vorkommende Bitumen und
Pyrobitumen als Beimischung zu Zement und Wasser für Bohrlochzementierarbeiten besonders
eignen.
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Der bei einer Zement-Wasser-Brühe verwendete Zement ist anorganischer
Art, z. B. üblicher Portlandzement oder Pozzuolanzement. Andere handelsübliche Zemente,
Kalke, Mörtel usw. werden bei besonderen Fällen angewendet. Die oft der Brühe zugemischten
Zusätze, die zur Lösung von mit Zement-Wasser-Mischung nicht erreichbaren Aufgaben
dienen, wirken als Streckmittel, Beschleunigungs- oder Verzögerungs-oder Verstärkungsmittel,
oder auch als Materialien, die das Gewicht der Brühe erhöhen oder verringern.
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Das Gewicht solcher Brühen ist abhängig vom Zement und der verwendeten
Wassermenge. Das Durchschnittsgewicht bekannterZementbrühen beträgt etwa 1,87 kg
je Liter Brühe und läßt sich durch Zugabe von Wasser verringern. Durch eine zusätzliche
Wasserzugabe über die zur Hydratbildung des Zementes benötigte Menge verringert
sich die Festigkeit des abgebundenen Materials merklich. Das Gewicht der Brühe ist
unwesentlich, sofern die Bohrlöcher nicht zu tief sind.
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Einbei Zementierverfahren in tieferen Bohrlöchern auftretendes Problem
ist die zerstörende Wirkung der schweren Brühen in Tiefenbereichen mit unterschiedlichen
Eigenschaften, wenn die Säule der Brühe in dem durch die Bohrung und die Futterrohre
gebildeten Ringhohlraum nach oben gedrückt wird. Es hat sich gezeigt, daß die Kombination
hohen Drucks mit schwerem Gewicht bei nicht so widerstandsfähigen Bereichen der
Bohrung Brüche oder Risse erzeugt, so daß die Brühe in diesen Bruchzonen an den
falschen Platz gelangt. Somit ist es unmöglich, die Brühe auf die erforderliche
Höhe anzuheben, um die Verrohrung mit dem Bohrloch fest zu verbinden.
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Man hat deshalb eine Zementbrühe mit leichtem Gewicht zu finden gesucht,
die dennoch die erforderlichen Eigenschaften der für Zementierverfahren in Erdbohrungen
verwendeten schwereren Brühen besitzen. Leichte Brühen lassen sich durch Zugabe
von Bentonit, Perlit und Diatomeenerden herstellen. Diese Materialien haben den
Nachteil, daß sie große Mengen von Wasser absorbieren. Demzufolge müssen zusätzliche
Wassermengen zugefügt werden, um den absorbierten Anteil zu ersetzen. Dies führt
zu einem abgebundenen Zement niedriger Druckfestigkeit, der selbst kurzfristig keine-nennenswerte
Belastung aushält. Zusätzlich beeinträchtigen diese Materialien die den Zementbrühen
beigegebenen Verzögerungs- oder Beschleunigungsmittel.
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Um den bestehenden Anforderungen zu genügen und die Nachteile bekannter
Zementierbrühen zu beseitigen, zeichnet sich ein Gemisch zum Zementieren von Bohrlöchern,
insbesondere von Öl- und Gasbohrungen, mit Wasser und Zement, erfindungsgemäß dadurch
aus, daß der Zusatz des in Form einer pumpfähigen Brühe vorliegenden Zementgemisches
ein Asphaltit, beispielsweise Pyrobitumen oder Gilsonit verschiedener Korngröße
ist und durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 4,7 mm hindurchfällt,
während er bei einem Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,25 mm zu 800/, zurückgehalten
wird und wobei die vorliegende Asphaltitmenge den halben bis zehnfachen, vorzugsweise
den achtfachen Volumanteil des Zementes ausmacht.
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Die Gewichtsmenge des als Zusatz zu dem Gemisch verwendeten Asphaltites
beträgt zwischen 12 und 2000/, des Zementgewichtes. Für besondere Zwecke kann dem
Gemisch ein Mineralöl oder ein Petroleumdestillat zugegeben sein.
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Die unteren Bereiche der in Gewichtsprozenten angegebenen Zusatzmengen
haben dann Gültigkeit, wenn das Gewicht der Brühe nicht wesentlich verringert zu
werden braucht. Diese Mengen werden zugefügt, um die vorteilhaften Eigenschaften
des Gilsonits beim Überbrücken und Verstopfen - von Bruchzonen und Rissen in den
Bohrungen nutzbar
zu machen. Die übliche, bei Bohrlocharbeiten verwendete
Zementbrühe besteht z. B. aus einem Sack Portlandzement (42 kg), der mit 20,8 1
Wasser vermischt wird. Diese Brühe wiegt ungefähr 1,84 kg/l, und nach 24 Stunden
besitzt das abgebundene Material bei 38°C eine Druckfestigkeit von 114 kg/cm'.
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Bei bevorzugter Anwendung wird Gilsonit einer Zementbrühe mit wenigstens
dem gleichen Volumanteil wie Zement zugesetzt. In dieser Zusammensetzung dient Gilsonit
als Gewichtsverminderungszusatz, mit dem die Brühe verbesserte Schmierungseigenschaften
annimmt und sich ihre Abriebswirkung verringert; der Zusatz ersetzt ferner einen
wesentlichen Anteil des Zementes und beseitigt in weitestem Ausmaß das Schrumpfen
beim Abbinden des Gemisches, er verringert weiterhin die Kompressibilität des abgebundenen
Gemisches an Ort und Stelle und isoliert gegen Wärmeverlust bzw. gegen Wärmeaufnahme
des Bohrloches.
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Die Zementzusammensetzung gemäß der Erfindung enthält vorzugsweise
in Abhängigkeit von den gewünschten Ergebnissen volumenmäßig ungefähr bis 10mal
soviel Gilsonit wie Zement.
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Die geringeren Mengen werden zugegeben, wenn eine große Festigkeit
erwünscht ist, Mengen im oberen Bereich dort, wo die verschiedenen Eigenschaften
auf Grund des Gilsonit von Bedeutung sind. Die Korngröße und die Korngrößenverteilung
von Gilsonit bestimmt die Festigkeit, die Porosität und Durchlässigkeitseigenschaften
des abgebundenen Zementes für jedes Mischungsverhältnis. Wenn eine große Festigkeit
wünschenswert ist, sollte ein grober Gilsonitzuschlag verwendet werden.
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Wo geringstes Gewicht und geringste Porosität und Durchlässigkeit
von Bedeutung sind und dabei eine gewisse Verringerung der Festigkeit dafür in Kauf
genommen werden kann, läßt sich ein Zusatz mit Korngrößen entsprechend einem Sieb
mit 0,3 mm lichte Maschenweite oder noch feiner verwenden.
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Auf dem Bohrfeld treten Bedingungen auf, welche verschiedene Kombinationen
von Korngrößen und Korngrößenverteilungen erfordern. Die Mischung muß vom Zeitpunkt
des Mischens bis zum Zeitpunkt, wo sie ihren endgültigen Platz erreicht, pumpfähig
sein. Je gröber der Zusatz ist, desto weniger darf in einer gegebenen Zementbrühe
vorhanden sein, wenn die Pumpfähigkeit nicht beeinträchtigt sein soll. Ein Zement-GilsonitVerhältnis
von 1:4, bei dem ein grober Zusatz verwendet wird, ist schwer zu pumpen und wird
wahrscheinlich enge Querschnitte innerhalb des Pumpsystems verstopfen, während dieselbe
Mischung mit einem feineren Zusatz niemals zu Verstopfungen führt, sofern das Wasser-Zement-Verhältnis
groß genug ist. Der feinere Zusatz bildet darüber hinaus mit den Zementteilchen
und dem möglicherweise als Zusatz vorhandenen Bentonit einen dünnen Filterkuchen
mit einem geringen Wasserverlust.
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Eine Zementbrühe mit einem geringeren Gewicht als 1,02 kg/1 läßt sich
durch Zugabe einer größeren als oben beschriebenen Menge Gilsonit herstellen. Das
Gewicht der Brühe kann natürlich auch in Abhängigkeit von den verwendeten Wasser-
und Zusatzmengen verändert werden.
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Wenn in der Bohrung eine wasserführende Gesteinsschicht vorkommt und
das Eindringen von Wasser in das Bohrloch verhindert werden soll, wird nur eine
besonders leichte Zementbrühe gemäß der Erfindung bis zu ihrem Abbinden an dieser
Stelle belassen, deren Dichte nahe der des Wassers liegt.
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Die gewöhnliche Zement-Wasser-Brühe hat eine sehr geringe Viskosität
und ist sehr schwer, üblicherweise 1,8 bis 2,04 kg/1. Das Gewicht von Bohrschlamm
schwankt normalerweise zwischen 1,08 und 1,32 kg/1. Je näher das Gewicht der Zementbrühe
am Gewicht des Bohrschlammes liegt, desto leichter kann der Zement an seinen Anwendungsplatz
gebracht werden.
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Eine Bentonit-Zement-Brühe läßt sich mit einem niedrigen Gewicht 1,56
kg/1 herstellen. Wenn Perlit als Zusatz beigemischt ist, kann das Gewicht unter
1,44 kg/1 gebracht werden; dabei treten jedoch Nachteile, wie Abrieb, Porositätdurchlässigkeit
und Kompressibilität auf.
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Die Zugabe von Bentonit zur Mischung in Höhe von 1 bis 8 °/o des Zementgewichtes
erhöht die Wasseraufnahme der Mischung und setzt die Festigkeit herab, andererseits
trägt sie aber auch zur Aufrechterhaltung der homogenen Mischung bei.
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Als Zusatz zwecks Beschleunigung des Abbindens kann dort Kalziumchlorid
beigegeben werden, wo andere Zusätze oder niedrigere Temperaturen das Abbinden verzögern
oder wo es wünschenswert ist, eine Bewegung des Zementes so früh wie möglich nach
seiner Unterbringung oder dessen Absinken in tieferen Zonen zu verhindern.
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Die folgenden Beispiele zeigen die bisherige Anwendung von Diatomeenerde
zur Herstellung einer Zementbrühe mit leichtem Gewicht: Beispiel 1 200/, Diatomeenerde
werden einer Brühe aus einem Sack Zement (42 kg) und 451 Wasser zugemischt, so daß
das entstehende Gemisch 1,44 kg/1 wiegt. Die Druckfestigkeit nach 24 Stunden be;
38°C beträgt nur 11 kg/cm2.
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Beispiel 2 Zur Herstellung einer Zementbrühe mit einem Gewicht von
1,32 kg/1 werden 40 % Diatomeenerde einem Gemisch, bestehend aus einem Sack
Zement (42 kg) und 981 Wasser, beigegeben. Die Druckfestigkeit nach 24 Stunden bei
38'C beträgt nur 3,8 kg/cm2.
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Im Vergleich zu den oben angeführten Beispielen lassen sich erfindungsgemäß
folgende Ergebnisse erreichen: Beispiel 1 Durch Zugabe von 22,6 kg Gilsonitteilchen,
die durch ein Sieb mit 4,699 mm lichter Maschenweite hindurchfallen und von denen
80"/, von einem Sieb mit 0,246 mm lichter Maschenweite zurückgehalten werden, zu
einer Zementbrühe aus 42 kg Portlandzement und 26,51 Wasser entsteht eine Brühe
mit einem Gewicht von 1,43 kg/1. Nach 24 Stunden bei 38'C beträgt die Druckfestigkeit
88 kg/cm2. Dabei ergibt sich eine Gewichtsherabsetzung bezüglich einer normalen
Zement-Wasser-Brühe um 0,47 kg/1 ohne jeglichen Verlust von Druckfestigkeit.
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Beispiel 2 Ein Gemisch mit einem Gewicht von 1,32 kg/1 läßt sich durch
Zugabe von 45,3 kg Gilsonitteilchen, die durch ein Sieb mit 4,699 mm lichter Maschenweite
fallen und von denen 800/, von einem Sieb mit 0,246 mm lichter Maschenweite zurückgehalten
werden,
zu einer Zementbrühe aus 42 kg Zement und 341 Wasser
herstellen. Dieses Gemisch besitzt eine Druckfestigkeit von 48 kg/em2 nach 24 Stunden
bei 38°C. Diese Festigkeit ist für Zementierungen in Erdbohrungen ausreichend.
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Beispiel 3 Ein Gemisch mit einem Gewicht von 1,19 kg/1 läßt sich durch
Zugabe von 90,6 kg Gilsonitteilchen, die durch ein Sieb mit 4,699 mm lichter Maschenweite
hindurchfallen und von denen 800/0 durch ein Sieb mit 0,246 mm lichter Maschenweite
zurückgehalten werden, zu einer Zementbrühe aus 42 kg Zement und 531 Wasser herstellen.
Es ergibt sich eine Druckfestigkeit von 9,1 kg/cm2 bei 38°C nach 24 Stunden. Dies
ist etwa die minimale Druckfestigkeit, die bei Zementierungsarbeiten in vielen Bohrlöchern
gerade noch ausreicht.
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Ist, wie oben beschrieben, ein Gemisch mit einem Gewicht von 1,19
kg/1 und weniger erforderlich, um eine Zementstütze um ein Futterrohr in extrem
tief liegenden Erdbohrungen zu errichten, kann man eine normale Zementbrühe mit
einem Gewicht von 1,82 kg/1 der leichteren Brühe nachgeben. Die schwerere Brühe
würde sich im unteren Teil des Futterrohres verschieben und unter die leichtere
Brühe gelangen. Solch ein uAbrut$chen« wäre vorteilhaft, um das schwere Gewicht
des Futterrohres fest zu verankern. Die leichtere Zementbrühe würde ab-
| Gilsonit ' Pechglanz Grahamit |
| Farbe ................................. schwarz schwarz schwarz |
| Bruchfläche ............................ muschelförmig muschelförmig
muschelförmig |
| bis zackig bis zackig |
| Glanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . hell bis ziemlich hell wie bei Gilsonit sehr hell bis stumpf |
| Spezifisches Gewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 1,03 bis 1,10 1,07 bis 1,15 1,15 bis 1,20 |
| Schmelzpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 110 bis 176°C 110 bis 176°C 176 bis 316'C |
| Löslichkeit in CS2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . größer als 98 °/o größer als 95 % 45 bis 1000/0 |
| Löslichkeit in Petroleum-Naphta, 88'C .... 10 bis 60
°/0 20 bis 50 °/o - bis 50111, |
Man sieht, daß diese Materialien miteinander vergleichbare Eigenschaften besitzen,
in gleicher Weise wie das oben beschriebene Gilsonit lieferten sie zufriedenstellende
Ergebnisse.
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Ein anderes Material gleicher Gattung mit den gleichen geeigneten
Qualitäten wie Asphaltit sind die Pyrobitumen. Diese bestehen aus Elaterit, Wurtzit,
Albertit und Impsonit. Die Pyrobitumen unterscheiden sich von den Asphaltiten nur
dadurch, daß sie schwer schmelzbar und relativ unlöslich in Petroleum-Naphta und
Schwefelkohlenstoff sind. Die schwere Schmelzbarkeit ist besonders wichtig in tieferen
Erdbohrungen, wo die Temperaturen höher liegen als der Schmelzpunkt von Asphaltiten.
Im folgenden werden vergleichsweise die spezifischen Gewichte angegeben: binden
und eine gute Verbindung zwischen dem Oberteil des Futterrohres und des Bohrloches
ergeben und würde die Gefahr ausschalten, daß in den Bruchzonen und Rissen Verluste
entstehen und der Zementiervorgang unvollständig ausgeführt wird.
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Bei den bekannten Perforationsarbeiten ist das abgebundene Material
weniger bruchempfindlich, da der Gilsonit der Zusammensetzung einen gewissen Grad
von Nachgiebigkeit gibt. .
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Beim Einzementieren eines Futterrohres in ein Bohrloch gehen in vielen
Fällen große Mengen von Zementbrühe in Bereichen verloren, die stark durchlässig
sind, Risse haben usw., so da.ß die Zirkulation unterbrochen wird. Infolge der Überbrückungseigenschaften
von Gilsonit werden bei seiner Verwendung die Spülverluste herabgesetzt, und es
entsteht eine feste Lage von abgebundenem Zement um das Futterrohr herum innerhalb
des Bohrloches. Einige Bitumenarten zeigen jedoch nicht diese Überbrükkungseigenschaften.
Gilsonit wird deshalb als bevorzugtes Material verwendet.
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Bitumen ist eine allgemeine Bezeichnung und schließt Petroleum, natürlich
vorkommende Asphalte, natürlich vorkommende Mineralwachse und Asphaltite ein. Die
Asphaltite, die nur Abarten von Bitumen sind und befriedigend zum Erfolg der vorliegenden
Erfindung beitragen, sind Gilsonit, Pechglanz und Grahamit. Diese Materialien werden
in der folgenden Tabelle miteinander verglichen: . Die Asphaltite und Pyrobitumen
haben sich in der vorliegenden Erfindung als zufriedenstellend erwiesen, und zwar
infolge ihres niederen spezifischen Gewichtes, ihrer Überbrückungseigenschaften,
wenn sie sich in einer Zementbrühe befinden, und infolge ihrer Fähigkeit, ein zufriedenstellend
abbindendes Material herzustellen, wenn es mit Zement und Wasser zusammengemischt
wird. Es hat sich herausgestellt, daß die anderen Abarten der Bitumen nicht gleichzeitig
diese Qualitäten besitzen.
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Man kann Puzzuolanzement zur Steigerung der Festigkeit oder als Streckmittel
zumischen. Andere üblicherweise verwendete Zusätze können als Bestandteil für besondere
Zwecke verwendet werden, z. B. als Verzögerungsmittel, um die Abbindezeit des Zementgemisches
zu verlängern und um bei längeren Arbeiten zum Mischen und zum Eintrocknen zusätzliche
Zeit zu gewinnen oder wenn extrem hohe Drücke und/oder Temperaturen auftreten oder
falls Verunreinigungen oder Zusätze vorhanden sind, die in schädlicher Weise das
Abbinden beschleunigen.
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Abhängig von der vorliegenden Gilsonitmenge kann ein Petroleumlösungsmittel
der feuchten oder trockenen Mischung zugefügt werden, um die Oberfläche der Gilsonit-
oder andere Teile zu benetzen
| Maserung Spezifisches |
| 1 Gewicht bei 220C |
| Elaterit . . . . . . . . leicht braun 0,90 bis 1,05 |
| Wurtzit . . . . . . . . leicht braun 1,05 bis 1,07 |
| Albertit . . . . . . . . braun bis 1,07 bis 1,10 |
| schwarz |
| Impsonit ....... schwarz 1,10 bis 1,25 |
und sie zu einer innigen Verbindung mit der Verrohrung und der
Erdformationen des Bohrloches zu bringen, wodurch Korrosion verhindert wird und
das Abreißen des Zementes vom Futterrohr und/oder von der Bohrlochwand infolge der
normalen Schrumpfung beim Abbinden auf ein Kleinstmaß herabgesetzt wird.
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Anstatt der direkten Zugabe des Lösungsmittels zur Mischung kann es
durch die Verrohrung in die Zementierzone oder Zementbrühe eingepumpt werden.
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Zugabe von größeren Mengen Gilsonit zu einer Zement-Wasser-Brühe setzt
die Wärmeleitfähigkeit des Zementes wesentlich herab, wodurch dessen Abbinden beschleunigt
wird und die Röhrleitung von der Bohrlochwand und von der Förderzone isoliert wird.
Solche Isolierung der Rohrleitung ist besonders vorteilhaft, wo Öle mit einem niedrigen
Stockpunkt gefördert werden, und wobei es notwendig ist, die Temperatur des Öles
nahe der Temperatur zu halten, bei der es aus der Förderzone austritt.
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Gegenüber normalem, sauberem Zement verhält sich der Wärmeübertragungswert
bei einem Gemisch von 8 Teilen Gilsonit und 1 Teil Zement wie 8 : 2.
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Üblicherweise wird anstatt Wasser ein Petroleumdestillat als Flüssigkeit
für die Brühe verwendet. Nachdem eine solche Brühe in eine wassertragende Zone eingebracht
wird, ersetzt das Wasser das Destillat und bewirkt das Abbinden des Zementes in
üblicher Weise. Dieses Vorgehen kann genauso mit einer Gilsonit-Zement-Mischung
gemäß der Erfindung angewendet werden, vorausgesetzt, daß die Zeit zur Verdrängung
des Destillates durch das Wasser nicht so lange dauert, bis das Gilsonit durch die
Lösungswirkung des Destillates ernsthaft angegriffen würde.
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In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß es Gilsonite verschiedener
Klassen in bezug auf Schmelzpunkte und Löslichkeit gibt. Je niedriger der Schmelzpunkt,
desto schneller wird sich das Gilsonit in einem entsprechenden Lösungsmittel lösen
oder bei Wärme erweichen. Aus diesem Grunde ergibt sich bei Verwendung von Gilsonit
in einer Zementzusammensetzung für Öl- und Gasbohrungen die Möglichkeit, eine Materialgruppe
auszuwählen, die den besonderen Zwecken am besten entspricht.
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Das Erweichen von Gilsonit bei Wärme erhält besondere Bedeutung bei
relativ hohen Bohrlochtemperaturen, wo die Tendenz besteht, daß das Gilsonit erweicht
und in den umgebenden Zement diffundiert, wodurch er wasserdicht wird.