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Tiefbohrzementmischung mit verbesserten Perforationseigenschaften
Die Erfindung betrifft eine Tiefbohrzementmischung mit verbesserten Perforationseigenschaften
zur Einbringung in den zwischen der Verrohrung und der Bohrlochwandung gebildeten
Ringraum.
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Durchweg wird bei Tiefbohrungen die Verrohrung durch eine Zementierung
gegen die umgebenden Formationen abgedichtet, so daß ohne weiteres kein Öl aus der
Formation in das Bohrloch zufließen kann. Zur Herstellung einer geeigneten Verbindung
zwischen der produzierenden Formation und der Bohrung wird eine Perforation der
Zementummantelung durch Perforationsgeräte hergestellt. Bei der Perforation wird
eine schlagartige Beanspruchung auf den Zementmantel ausgeübt, die einen beträchtlichen
Schaden an der Zementierung erzeugen kann.
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In der Praxis werden perforierte Bohrlochzonen mindestens 6 bis 10
m voneinander entfernt im Zement angeordnet, damit nicht bei der Perforierung über
Risse der Zementierung Verbindungen zwischen den perforierten Zonen auftreten können.
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Die Erfindung stellt sich daher zur Aufgabe, eine Zementmischung für
die vorgenannten Zwecke anzugeben, die bei der Perforation nur wenig zum Zerbrechen
neigt und bei der keine die einzelnen Perforationen verbindenden Risse entstehen.
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Dies wird erreicht, indem die in den Ringraum eingebrachte Zement-Schlamm-Mischung
einen Gehalt an Fasern einer Länge von 6 bis 130 mm und einen Durchmesser von 0,025
bis 5 mm aufweist. Zweckmäßig sind die Fasern, bezogen auf 100 Gewichtsteile Zement,
in einer Menge von 0,1 bis 5,0 .Gewichtsteilen zugeführt.
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Vorteilhaft bestehen die Fasern aus Fiberglas-oder synthetischen Fasern,
wie z. B. Nylon (Polyamid), Orlon (Polyakrylnitril), Dacron (Polyäthylenterephthalat),
anderen Akrylfasern, wie z. B. Akrilan und Zefran, abgewandelte Akryle, wie Eynel
(Vinylchlorid-Akrylonitril-Kopolymer) und Verel, Polyolefine (Polyäthylen und Polypropylen),
Polyvinylchlorid, Saran (Vinylchlorid-Vinylidenchlorid-Kopolymer), Kodel (ein Polyester
auf der Grundlage von Zyklohexandimethanol), Polyfluorolefine einschließlich Teflon
(Polytetrafluoräthylen), Vinylazetat-Vinylchlorid-Kopolymer undioder Vinyon. Die
Glasfasern können mit an sich bekannten Silanverbindungen überzogen sein. Wesentlich
ist, daß die zugesetzten natürlichen oder synthetischen Fasern nicht von dem Zementschlamm
beeinflußbar sind, d. h. von Wasser nicht gelöst werden und in basischer Umgebung
beständig sind.
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Als besonders geeignete Fasern haben sich Typ 39 B halbmatt Orlon-Akrylfrber,
6,5 cm lang, und Typ 54 halbmatt Dacron-Polyester, 6 Denier, 1,3 cm lang, beide
von E. I. DuPont de Nemours & Co., erwiesen. Zwei weitere Arten von Nylonfasern,
die von DuPont zu beziehen sind und sich als besonders brauchbar erwiesen haben,
sind Typ 220, 3 Denier, halbmatt, 0,95 cm lang, und Typ 120, 15 Denier, glänzend,
1,9 cm lang. Bevorzugte Glasfasern sind die Typen 805 und 832 der Owens-CorninFiberglass
Corporation. Beide Materialien enthalten einen Silanüberzug und ein Verbindungsmittel.
Der Überzug beträgt bei dem Typ 805 ungefähr 3,5 Gewichtsprozent der Faser und beim
Typ 832 1,58 Gewichtsprozent.
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Der Zementmischung können weitere Zusätze, wie z. B. Bentonit, als
Gelierungsmittel in einer Menge von etwa 1 bis etwa 25:% des Gesamtgewichts des
Zementschlamms zugefügt werden.
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Die Bereitung des Zementschlamms einschließlich der Beimengung der
Nylonfasern erfolgt zweckmäßig in einer üblichen pneumatischen oder schraubenartigen
Mischanlage. Der Zement und die Nylonfasern können in dieser Anlage trocken gemischt
werden und dann unter Verwendung eines rotierenden Düsenmischers dem Schlamm untergemischt
werden.
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Beim Zementieren eines Bohrloches unter Verwendung der erfindungsgemäßen
Zementmischung wird zuerst ein Rohrstrang in das Bohrloch eingesetzt. Dann wird
der Zementschlamm in das Rohr
gepumpt und tritt aus dem Rohrende
oder durch Perforation im Rohr aus, so daß er in dem zwischen dem Rohrstrang und
der Bohrlochwand gebildeten Ringspalt aufsteigt und darin abbindet.
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Druckfestigkeitsversuche an dem abgebundenen Zement wurden gemäß API
RP 10 B durchgeführt, die sich besonders zur Untersuchung von Tiefbohrzement und
Zementzusätzen bewährt hat. Zur Erprobung wurden Düsenperforierungen vorgenommen,
indem der Ringspalt zwischen einem Stück einer Verrohrung, die in die Mitte eines
Stückes eines Futterrohres eingesetzt war, mit verschiedenen Zementverbindungen
gefüllt wurde. Die Versuchsmuster bei Raumtemperatur konnten unter Wasser aushärten,
bevor sie perforiert wurden. Die zur Durchführung dieser Versuche verwendeten Muster
bestanden aus 0,9 m langen Abschnitten eines N-80-Rohres von 7,5 cm Durchmesser
und 10 kg/m Gewicht, die in ein 18 cm Durchmesser, 40 kg/m aufweisendes N-80-Futterrohr
zementiert waren. Die verschiedenen Zementverbindungen wurden durch einen einzigen
Schuß perforiert. Alle Muster waren bei der Perforation 60 cm tief unter Wasser
getaucht.
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Folgende Beispiele veranschaulichen die Erfindung. Beispiel 1 Druckfestigkeits-
und Perforationsversuche wurden an Zement durchgeführt, der 0, 0,5 und 1,0 Gewichtsprozent
des Zements an 3 Denier und 15 Denier DuPont-Nylon enthielt. Die Proben wurden bei
37,8° C 24 Stunden lang unter Wasser ausgehärtet.
| Tabelle 1 |
| Druckfestigkeit |
| Behandlungstemperatur ..... 37,8° C |
| Behandlungsdauer .......... 24 Stunden |
| Zement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . API-Zement |
| der Klasse A |
| Art des Nylons |
| Bentonitgel 3 Denier 1 15 Denier |
| (kg pro Sack Zement ä 50 kg) |
| 0 , 0,54 1,1_ ( 0,54 1 1,1 |
| 0,/o . . . 205 I 178 167 190 176 |
| 12% ..... |
| 22 16,2 |
| 17,3I 16,6 |
| 16,9 |
Tabelle 2 Beschreibung der Perforationsversuche Aussehen der Perforation, nachdem
das 18-cm-Futterrohr entfernt wurde 1. API-Zement der Klasse A mit 12 % Bentonit
und 0,54 kg 15-Denier-Nylon pro Sack Zement. Saubere Perforation - keine Spalte
oder Risse um die Perforation herum; 2. API-Zement der Klasse A mit 12% Bentonit
und 0,35 kg 15-Denier-Nylon pro Sack Zement. Saubere Perforation - keine Spalte
oder Risse um die Perforation herum.
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Beispiel 2 Gemäß dem Verfahren nach Beispiel 1 wurden verschiedene
Zementverbindungen bereitet und eingegossen, die an Stelle des Nylons Dacron, Orlon
und Fiberglas enthalten.
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Es wurden Druckfestigkeits- und Perforationsversuche an Zement durchgeführt,
der 0, 0,5 und 1,5 Gewichtsprozent Dacron, Orlon und Fiberglasfasorn enthielt. Diese
Proben wurden bei 37,8° C 24 Stunde lang unter Wasser ausgehärtet.
| Tabelle 3 |
| Druckfestigkeit |
| Behandlungsdauer .......... 24 Stunden |
| Behandlungstemperatur ..... 37,8° C |
| Zement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . API-Zement |
| der Klasse A |
| Faser Bentonit (kg/cmz) |
| Typ I 0/0 00/0 I 120/e |
| Keiner .............. 0 190 22 |
| Dacron - 54 . . . . . . . . 0,5 177 20 |
| Dacron - 54 . . . . . . . . 1,0 140 21,7 |
| Orlon - 39B . . . . . . . . 0,5 140 19,6 |
| Orlon - 39 B . . . . . . . . 1,0 125 15,7 |
| Fiberglas - 805 ..... 1;0 203 |
| Fiberglas - 832 ..... 1,0 203 - |
Tabelle 4 Beschreibung der Perforierversuche Aussehen der Perforation, nachdem das
18-cm-Futterrohr entfernt ist 1. API-Zement der Klasse A mit 12% Gel ohne Fasern;
der Zement zerspaltete und war stark in der Nähe der Perforation gerissen; 2. API-Zement
der Klasse A mit 12%- Gel und 0,28 kg Dacron pro Sack Zement; sauberes Loch, keine
ausgedehnten Spaltungen oder Risse im Zement; 3. API-Zement der Klasse A mit 12%
Gel und 0,54 kg Dacron pro Sack Zement; sauberes Loch, keine ausgedehnten Risse
oder Spaltungen im Zement; 4. API-Zement der Klasse A mit 12% Gel und 0,28 kg Orlon
pro Sack Zement; sauberes Loch, keine ausgedehnten Risse oder Spaltungen im Zement;
5. API-Zement der Klasse A mit 12% Gel und 0,54 kg Orlon pro Sack Zement; sauberes
Loch, ohne ausgedehnte Spaltungen oder Risse im Zement. Es ist selbstverständlich,
daß viele andere Bestandteile in der Zementmischung enthalten sein können.
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Zum Beispiel kann es bei gewissen Anwendungen wünschenswert sein,
Materialien wie Zementbeschleuniger, Puzzolanerde, Siliziummehl, Diatomeenerde (Kieselgur),
Zementverzögerer, Flüssigkeitsverlustzusätze, Reibungsverminderungsmittel u. dgl.
zu verwenden. Diese Bestandteile werden in der üblichen Menge verwendet. Zum Beispiel
werden Puzzolanerde, Siliziummehl und Kieselgur in Mengen bis zu 25 Gewichtsprozent
des Zements oder mehr verwendet, wobei Puzzolanerde bis zu etwa 75%-, Siliziummehl
bis zu etwa 60% und Kieselgur bis zu etwa 50% verwendet wird.