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Erdölbohrungen werden unter anderem in Erdformationen niedergebracht,
die Flüssigkeiten, wie Frisch- oder Salzwasser, mitunter auch Gase, enthalten. Wird
eine Verrohrung in ein Bohrloch eingebracht, das eine solche Formation durchläuft,
ist es üblich, zwischen Bohrlochwand und Bohrlochverrohrung eine Zementmischung
einzufüllen, um das Einwandern unerwünschter Flüssigkeiten oder eines Gases in die
ölführenden Zonen zu verhindern. Ferner wird die Öl abgebende Erdformation selbst
durch eine Zementierung abgedichtet, so daß das zu fördernde Produkt nicht in andere
durchlässige Zonen von geringerem Druck abwandern kann. Außerdem dient die Zementierung
dazu, zwischen der Bohrlochwand und der Verrohrung eine feste Verbindung herzustellen.
Vor der Zementierung wird das Rohr bis auf die gewünschte Teufe in das Bohrloch
abgesenkt, wobei verschiedene Vorrichtungen zum Einsatz kommen können, die die Rohre
innerhalb des Bohrlochs führen und zentrieren sollen. Üblicherweise wird der Zement
dann in den Rinraum zwischen Rohr und Bohrlochwand mittels verschiedener Verfahren
eingebracht. So kann z. B. die Zementmischung innerhalb des Rohres nach unten gedrückt
werden, so daß sie nach dem Erreichen des Rohrendes in dem Zwischenraum zwischen
Rohr und Bohrlochwand wieder nach oben steigen kann. Nachdem der Zement vollständig
eingebracht ist, läßt man ihn normalerweise bei Umgebungstemperatur abbinden.
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In neuerer Zeit werden die bereits zementierten Bohrungen oft einer
Wärmebehandlung von hohen Temperaturen unterworfen, um die Ölviskosität zu verringern
und dadurch die Ölförderung zu erhöhen. Die Wärmebehandlungen können kontinuierlich
oder in Stufen durchgeführt werden. Zur Wärmebehandlung werden unter anderem Heißdampf
oder Heißwasser verwendet. Die Dampfdrücke erreichen Werte von 175 kg/m2
und mehr bei Temperaturen von 260 bis 350° C und höher. Es hat sich herausgestellt,
daß die Wärmebehandlungen häufig zu Mängeln in der Haftfestigkeit zwischen Rohr
und Zement oder zwischen Rohr und Bohrlochwand führen.
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Fehler in der Zementhaftung erlauben den in den Erdformationen befindlichen
Flüssigkeiten, wie Wasser usw., in die Förderzone einzusickern. Die durch die Wärmebehandlungen
entstehenden Rohrlängsdehnungen führen letzlich zu Falten oder auch zu anderen Verformungen
der Rohre und damit zum Ablösen der Verrohrung von der Zementations-Schicht.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem
es möglich ist, eine widerstandsfähige, hitzebeständige Zementverbindung zwischen
dem Futterrohr und der Wand eines Bohrlochs herzustellen.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß vor
dem Einbringen der Zementmischung in den Ringraum zwischen Rohr und Bohrlochwand
das untere Ende des Rohres im Bohrloch festgelegt und anschließend auf das obere
Ende eine Zugspannung zur Vorspannung des Rohres gegeben und so lange aufrechterhalten
wird, bis die in der Zwischenzeit eingefüllte Zementmischung vollständig abgebunden
hat.
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Die Verankerung des Rohres kann z. B. durch Einzementieren des unteren
Rohrendes im Bohrloch erfolgen. Durch die Zugspannung erfährt das Rohr eine Längsdehnung;
diese muß mindestens einer Dehnung entsprechen, die in einem Futterrohr bei der
maximalen Temperatur eintreten würde, der das Rohr bei der Bohrlochbehandlung ausgesetzt
sein wird.
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Zu Beginn des Zementiervorgangs kann die Zementmischung zur Festlegung
des Rohrstrangs eingebracht werden. Nach deren Abbinden erfolgt dann das Eindrücken
der zur Zementierung des Ringraums vorgesehenen Zementmischung, wobei die Mischungen
jeweils im Rohrstrang nach unten gedrückt werden, der zuletzt eingefüllte Zement
aber nach Erreichen des Festlegungspfropfens für den Rohrstrang noch im Ringraum
zwischen Rohr und Bohrlochwand nach oben gedrückt wird. Um dem nachfolgenden Zement
das Eintreten in den Ringraum zu ermöglichen, werden nach dem Abbinden des Zementpfropfens
Durchtrittsöffnungen im Futterrohr dicht oberhalb diesem geöffnet. Zur Festlegung
des Rohrstrangs kann eine verhältnismäßig schnell abbindende Zementmischung und
zur Zementierung des Ringraums ein verhältnismäßig langsam abbindender Zement angewendet
werden. Im Gegensatz zu den vorstehend genannten Verfahrensschritten ist es aber
auch möglich, den langsam abbindenden Zement zuerst innerhalb des Rohres nach unten
zu drücken und dann die schnell abbindende Zementmischung nachfolgen zu lassen,
wobei der langsam abbindende Zement nach Erreichen des Rohrendes in dem Ringraum
zwischen Rohr und Bohrlochwand durch den nachfolgenden schnell abbindenden Zement
für den Pfropfen wieder nach oben gedrückt wird. Für den letzteren Zement wird vorzugsweise
eine Kalziumaluminat-Zementmischung verwendet.
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In der Zeichnung werden Erläuterungen zu den erfindungsgemäßen Verfahren
gegeben. Es zeigen F i g. 1 bis 3 die Festlegung eines Rohrstrangs mit einer schnell
abbindenden Zementmischung, die nach dem Einfüllen einer langsam abbindenden Zementmischung
für den Ringraum eingebracht wird, F i g. 4 bis 6 das Festlegen eines Rohrstrangs,
mit einem schnell abbindenden Zement, der innerhalb des Rohrstrangs vor der langsam
abbindenden Zementmischung nach unten gedrückt wird.
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Das Futterrohr 1 ist in eine Bohrung mit den Wänden 3 der Erdformation
niedergebracht worden. 4 ist der relativ langsam abbindende Zement, der durch den
nachträglich eingefüllten, schnell abbindenden Zement 5 in dem Ringraum zwischen
dem Futterrohr 1 und den Wänden 2 nach oben gedrückt wird. Mit 7 ist die Flüssigkeit
bezeichnet, die sich zum Teil in dem Ringraum befindet und in dem Rohrstrang oberhalb
des eingefüllten schnell abbindenden Zementes 5 als Druckmittel benutzt werden kann.
Zwischen dem schnell abbindenden Zement 5 und dem zuerst eingefüllten langsam abbindenden
Zement 4 befindet sich ein Trennelement 6, das als Stopfen ausgebildet sein kann.
In F i g. 3 ist der schnell abbindende Zement zur Verankerung des Rohres 1 im abgebundenen
Zustand mit 8 bezeichnet. Mit 9 ist schematisch der Angriff der Zukraft zur Vorspannung
des Rohres 1 bezeichnet. Im Gegensatz zu den F i g. 1 bis 3 wird nach den F i g.
4 bis 6 zuerst der schnell abbindende Zement 5 für den Pfropfen zur Festlegung des
Rohres 1 innerhalb des Rohrstrangs nach unten gedrückt. Im unteren Teil des Rohres
1 befinden sich deshalb Öffnungen 11 für
den Durchtritt des langsam
abbindenden Zementes 4. Die Öffnungen 11 sind während des Einfüllvorgangs des langsam
abbindenden Zementes 5 für die Festlegung des Rohrstrangs 1 durch Membranen oder
ähnliche Mittel geschlossen. Die Verschlußelemente werden durch die Manschette
10 getragen. Unterhalb der Öffnungen 11 befindet sich ein Anschlagring 13
zur Aufnahme der Trennscheibe 12.
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Die erste Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt die Festlegung
des Futterrohres oder des Rohrstrangs mit dem unteren Teil in dem Bohrloch. Vorteilhafterweise
geschieht die Festlegung durch eine Zementierung des unteren Rohrteils in dem Bohrloch.
Jedoch ist es ebenso möglich, eine andere Befestigung vorzusehen.
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Wie aus F i g. 1 ersichtlich, wird ein langsam abbindender Zement
4 innerhalb des Futterrohres 1 nach unten gedrückt und in dem Ringraum zwischen
dem Futterrohr 1 und der Bohrlochwand 3 nach oben geschoben. Unmittelbar nach dem
langsam abbindenden Zement wird ein schnell abbindender Zement 5 ebenfalls innerhalb
des Futterrohres 1 nach unten gepumpt. Wenn erwünscht, kann der langsam abbindende
Zement getrennt von dem schnell abbindenden Zement gehalten werden, und zwar beispielsweise
durch einen Stopfen 6. In F i g. 2 ist dann zu sehen, wie der schnell abbindende
Zement 5 den langsam abbindenden Zement 4 innerhalb des Ringraums nach oben drückt
und selbst den unteren Teil des Rohres einnimmt. Der schnell abbindende Zement 5
wird durch Wasser, Bohrschlamm oder irgendeine andere geeignete Flüssigkeit 7 nach
unten gepreßt. Die jeweiligen Mengen der unterschiedlich abbindenden Zementarten
müssen so bemessen sein, daß der schnell abbindende Zement 5 völlig den unteren
Teil des Futterrohres 1 umschließt und der langsam abbindende Zement 4 den ganzen
übrigen Ringraum zwischen Futterrohr 1 und Erdformation 2 ausfüllt, was den Hauptteil
der Rohrlänge ausmacht.
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In F i g. 3 ist die Endstufe des Verfahrens abgebildet. Der verhältnismäßig
schnell abbindende Zement 5 hat das Futterrohr 1 in dem Bohrloch nach dem Abbinden
festgelegt. Der langsam abbindende Zement 4 hat vorerst noch nicht abgebunden, und
während dieser Zeit wird an das obere Rohrende eine Zugspannung 9 angelegt, die
so lange aufrechterhalten wird, bis der langsam abbindende Zement 4 völlig abgebunden
hat. Zur Erzeugung der notwendigen Zugspannung können Vorrichtungen verschiedenster
Art verwendet werden, die nicht näher beschrieben und bezeichnet sind.
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Aus den F i g. 4 bis 6 geht ein weiteres Verfahrensbeispiel hervor.
Die Öffnungen 11 sind während des Einfüllens des schnell abbindenden Zementes 5
geschlossen. Eine Platte 12 folgt dem schnell abbindenden Zement 5 in einem gewissen
Abstand und legt sich schließlich auf den Anschlag ring 13, wie aus F i g. 5 hervorgeht.
Zwischen der Platte 12 und. dem Zement befindet sich eine bestimmte Menge an Flüssigkeit,
die zur Übertragung der Kraft für das Nachuntenpressen des schnell abbindenden Zementes
5 geeignet ist. Diese Platte 12 kann jedoch auch unmittelbar ohne Wasserpolster
dem schnell abbindenden Zement 5 folgen, wenn es so gewünscht wird. Sobald sich
die Platte 12 auf den ringförmigen Anschlag 13 legt, werden die öffnungen 11 in
der Manschette 10 geöffnet. Dadurch kann der langsam abbindende Zement 4 innerhalb
des Futterrohres 1 nach unten gepumpt werden, durch die Öffnungen 11 in den Ringraum
zwischen dem Futterrohr 1 und den Wänden 3 der Erdformation 2
gelangen
und schließlich wieder nach oben steigen. Dadurch füllt er schließlich den gesamten
Raum zwischen dem Futterrohr 1 und den Wänden 3 des Bohrlochs aus. Anschließend
kann der Innenraum des Rohres 1 durch Einfüllen von Wasser oder einer anderen geeigneten
Flüssigkeit 7 von dem langsam abbindenden Zement 4 gesäubert werden. Sobald der
langsam abbindende Zement 4 an seinem Platz ist, kann die Platte 12 durch erhöhten
Druck zerstört werden, damit der Rohrstrang unten wieder geöffnet ist. Es ist möglich,
alle bekannten Zementierungsverfahren und Säuberungsarten bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren anzuwenden.
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Im allgemeinen führt jede Zugspannung, die während des Abbindens des
Zementes 4 an das Futterrohr 1 gelegt wird, zu einer verbesserten Haftfestigkeit
während der späteren Wärmebehandlung. Vorzugsweise wird jedoch die Zugspannung so
gewählt, daß sich der Rohrstrang mindestens so weit ausdehnt, wie er sich ausdehnen
würde, wenn er auf die während der Wärmebehandlung erreichte Temperatur erhitzt
würde. Die einzupumpende Menge des schnell abbindenden Zementes 5 soll so bemessen
sein, daß das unterste Ende des Futterrohres 1 sicher im Bohrloch festgelegt ist.
Der schnell abbindende Zement 5 soll nur den kleinstmöglichen Teil der zur Wärmebehandlung
vorgesehenen Futterrohrlänge erfassen.
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Der Zement zur Festlegung des Futterrohres 1 in dem Bohrloch soll,
wenn das Verfahren nach den F i g. 1 bis 3 angewendet wird, ein Zement sein, der
schneller abbindet als der Zement, der zur Zementierung des Ringraums eingebracht
wird. Die Bezeichnungen »schnell« bzw. »langsam abbindender Zement« sind hierbei
relative Begriffe, d. h., es wird nur verlangt, daß der schnell abbindende Zement
schneller abbindet als der Zement, der zur Festlegung des Futterrohres vorgesehen
ist. Sofern das Verfahren nach den F i g. 4 bis 6 angewandt werden soll, kann zur
Festlegung des Futterrohres ein Zement verwendet werden, der sogar eine längere
Abbindezeit hat als der Zement für den Ringraum, da mit dem Einpumpen des Zementes
in den Ringraum so lange gewartet werden kann, bis der Zementpfropfen abgebunden
hat. Es ist also nicht unbedingt notwendig, daß bei Anwendung des Ausführungsbeispiels
nach den F i g. 4 bis 6 Zementmischungen verwendet werden, die unterschiedlich schnell
abbinden. Besonders geeignet als schnell abbindender Zement ist ein Kalziumaluminat-Zement
mit einem Beschleuniger. Dieser Zement kann über 40 °/o Quarzmehl enthalten. Ein
langsam abbindender Zement zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann
30 bis 50°/o Quarzmehl enthalten, jedoch sind auch andere Zusammensetzungen möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei jeder Art von Futterrohren anwendbar.
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Die praktische Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bei
jeder bekannten Zementationsart möglich, sofern das untere Futterrohrende vor dem
Abbinden des für den Ringraum bestimmten Zementes im Bohrloch festgelegt wird. Die
Festlegung der Verrohrung im Bohrloch kann auch auf andere Weise als durch Zementation
erfolgen, z. B. mittels
einer Querverriegelung zwischen unterem
Futterrohrende und Bohrlochwand.