DE3876392T2

DE3876392T2 - Zementierung von oel- und gasbohrloechern mit anwendung einer umgewandelten fluessigkeit.

Info

Publication number: DE3876392T2
Application number: DE8888311689T
Authority: DE
Inventors: Brett H Boyd; Robert B Carpenter; Leon H Miles; William N Wilson
Original assignee: Atlantic Richfield Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1987-12-11
Filing date: 1988-12-09
Publication date: 1993-04-01
Anticipated expiration: 2008-12-10
Also published as: CA1311190C; AU2451088A; DE3876392D1; MX165706B; US4883125A; EP0320288A1; NO885458L; AU602433B2; NO177634C; NO885458D0; EP0320288B1; NZ226652A; NO177634B; EP0320288B2; MY103931A

Description

Die Erfindung betrifft das Zementieren von Öl- und Gasbohrlöchern mit einem in zementartigen Schlamm umgewandelten Bohrfluid, der mit einem Dispergiermittel behandelt wurde und in ausreichenden Mengen in den zu zementierenden Raurn gepumpt wird, um den gesamten Spülschlamm im wesentlichen zu ersetzen, und der ein oder mehrere Zementgrundmaterialien und andere Zusatzstoffe verwenden kann.
Für die Füllung von Öl- und Gasbohrlöchern ist vorgeschlagen worden, das Bohrfluid oder den "Schlamm", der beim Bohren des Loches verwendet wird, in eine Zementaufschlämmung zu verwandeln, um Gehäuse oder Verrohrungen zu zementieren oder die Formation in der Nähe des Bohrlochs auf andere Weise zu stabilisieren oder zu versiegeln. Die U.S. Patente 3,168,139 von H.T. Kennedy et al., 3,499,491 von R.E. Wyant et al.; 3,557,876 von A. Tregasser, 3,887,009 von G.L. Miller et al. und 4,176,720 von William N. Wilson offenbaren Zubereitungen zum Zementieren von Bohrlöchern, die zumindest teilweise aus Bohrfluiden gebildet wurden. Das U.S. Patent 3,499,491 offenbart ein Verfahren zum Zementieren eines Rohrstücks in einem Bohrloch, bei dem ein wäßriges Bohrfluid mit einer Mischung aus hydraulischem Zement und pulverisiertem Natriumsilikatglas kombiniert wird, um einen Schlammbeton zu ergeben, der bei der Temperatur des Bohrlochs aushärtet.
Viele Versuche nach dem Stand der Technik, ein Bohrfluid in Zementmaterialien umzuwandeln, haben bestimmte Probleme aufgeworfen, da Viskosität und Flockenbildung des Bohrfluids ansteigen, wenn das zementartige Material zugesetzt und in das Bohrloch gepumpt wird. Umgewandelte Bohrfluidzubereitungen von der Art, wie sie beispielsweise in U.S. Patent 3,499,491 vorgeschlagen werden, neigen zum Gelieren und sich besonders temperaturempfindlich. In anderen Worten, wenn die Temperaturen im Bohrloch einen vorher festgelegten Wert überschreiten, neigt die Zementzubereitung dazu, rasch fest bzw. hart zu werden. Da sich die Temperaturbedingungen in einem Bohrloch oft schwer steuern oder vorhersagen lassen, ist eine vermindert Temperaturempfindlichkeit des in Zement umgewandelten Bohrfluids besonders wünschenswert.
Darüber hinaus ist bei den Verfahren und Zubereitungen nach dem Stand der Technik das Ersetzen des Bohrfluids aufgrund von Gelierung nicht vollständig und hat häufig zu schlechter Zementbindung oder einer unvollständigen Füllung des Rings zwischen Gehäuse und Bohrloch mit einem homogenen Zement geführt. In dieser Hinsicht ist die Erfindung entwickelt worden, um durch Umwandlung von Bohrfluids verbesserte Zementzubereitungen sowie ein verbessertes Verfahren zum Ersetzen von Bohrfluid aus dem Bohrloch und dem Ring zwischen Gehäuse und Bohrloch zur Verfügung zu stellen, so daß eine vollständige Füllung des zu zementierenden Raums mit einer homogenen Zementaufschlämmung erreicht wird.
Die Erfindung stellt eine verbessertes Verfahren zum Zementieren einer Öl- oder Gasquelle zu Verfügung, bei dem ein Bohrfluid durch Zusatz von zementartigen Materialien und einem Dispergiermittel in eine Zementaufschlämmung verwendelt und diese Zementaufschlämmung in einem Kreislauf zurückgeleitet wird, um sämtliches Bohrfluid im Bereich des Bohrlochs, das zementiert werden soll, vollständig zu ersetzen und in Zement zu verwandeln.
Darüber hinaus stellt die Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Umwandlung von Bohrfluiden in Zementaufschlämmungen zum Zementieren von zumindest Teilen eines Bohrlochs zur Verfügung. Die verbesserte Zementaufschlämmung wird unter Verwendung eines Bohrfluids zur Verfügung gestellt, das durch Zusatz bestimmter zementartiger Materialien und eines Dispergiermittels umgewandelt wird. Dieses Dispergiermittel minimiert die Tendenz zur Flockenbildung oder Gelierung und den damit einhergehenden Viskositätsanstieg, der in der sich bildenden Bohrfluid-Zementmischung zu verzeichnen ist, sowie die Ausbildung von gelierten Gemischen im Bohrloch während des Ersetzens nicht umgewandelten Bohrfluids im zu zementierenden Bereich. Das Dispergiermittel umfaßt vorzugsweise ein sulfoniertes Styrolcopolymer mit oder ohne organische Säure.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung können sulfoniertes Styrol-Maleinsäureanhydrid (SSMA), sulfoniertes Styrol-Imid (SSI), sulfonierte Styrol-Itaconsäure oder eine Kombination eines sulfonierten Styrolcopoylmers mit einer oder mehreren Verbindungen aus den Gruppen Polyacrylate, Kaliumsalze, Phosphonate und andere Co- oder Terpolymere von teilweise hydrolisierten Polyacrylamiden als Dispergiermittel verwendet und dem Bohrfluid in einer Mischung mit einem vermischten zementartigen Material zugesetzt werden, um das Fluid in eine verbesserte Zementaufschlämmung umzuwandeln.
Beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung werden Fachleute die vorstehend aufgeführten Merkmale der Erfindung und deren andere überlegene Eigenschaften würdigen können.
Die Zeichnung 1 ist ein schematisches Diagramm eines Bohrlochs und eines Fluidkreislaufsystems zum ununterbrochenen Mischen von Zement zum Zementieren des Rings zwischen Bohrloch und Gehäuse unter Verwendung von umgewandeltem Bohrfluid.
Die Zeichnung 2 ist ein schematisches Diagramm eines Zementmisch- und Kreislaufsystems, das entweder auf Chargenmischen oder auf ununterbrochenes Mischen von Zement zur Umwandlung von Bohrfluid eingestellt werden kann.
Die Umwandlung von Bohrlochfluiden in Zementaufschlämmungen zum Zementieren des Rings zwischen Bohrloch und Gehäuse oder für andere Zementiermaßnahmen am Bohrloch ist aus verschiedenen Gründen attraktiv. So entfällt zum Beispiel bei mindestens einem größeren Teil des Bohrfluids das Problem der Entsorgung und die damit in Zusammenhang stehenden Vorschriften, die Umwandlung von Bohrfluid in eine Zementaufschlämmung minimiert den Umgang mit Bohrfluid und der Zementaufschlämmung, der Zeit- und Kostenaufwand für die Herstellung der Zementaufschlämmung wird minimiert, und die Trennung zwischen Bohrfluid und der umgewandelten zementartigen Aufschlämmung muß nicht aufrechterhalten werden, besonders wenn man das erfindungsgemäße Verfahren und die Zubereitungen in Betracht zieht.
Die Umwandlung von Bohrfluid oder "Schlamm" in eine Zementaufschlämmung geht nicht ohne Verfahrensproblem und unerwünschte Veränderungen in der Zubereitung vor sich. Zum Beispiel kann der Zusatz zementartiger Materialien wie Mischungen aus Kalk, Siliciumdioxid und Aluminiumoxid oder aus Kalk und Magnesium, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid und Eisenoxid oder Zementmaterialien wie Calciumsulfat und Portland-Zement zu wäßrigen Bohrfluids die Viskosität des Fluidgemischs erheblich steigern und zu starker Flockenbildung führen. Versuche, solche Mischungen im Kreislauf durch ein Bohrloch zu leiten, können zu einer höchst unbefriedigenden Kreislaufgeschwindigkeit, Verstopfen des Bohrlochrings und zum Zusammenbruch der Erdformation in der Nähe des Bohrlochs führen bzw. dazu, daß sich die Zementaufschlämmung nicht richtig mischt. Deshalb hat man bestimmte Dispergiermittel wie Lignit und Lignosulfonate zur Verwendung in Bohrfluiden während des Bohrvorgangs entwickelt.
Ein Dispergiermittel, das kommerziell in Bohrfluid verwendet worden ist, ist ein sulfoniertes Styrol-Maleinsäureanhydrid-Copolymer mit niedrigem Molekulargewicht und ein wasserlösliches Salz davon (manchmal als "SSMA" bekannt). Das U.S. Patent 3,730,900 von A.C. Perricone et al. beschreibt verschiedene Bohrfluide, die zur Stabilisierung der rheologischen Eigenschaften und Fließverlusteigenschaften, besonders bei hohen Temperaturen im Bohrloch und bei Anwesenheit von Fluidkontaminanten, mit einem Dispergiermittel behandelt werden. Die U.S. Patente 4,476,029 von A.O. Sy et al., 4,581,147 von Homer Branch III und 4,680,128 von R.C. Portnoy sowie die Europäische Patentschrift Nr. 0 208 536 von P. Parcevaux et al. offenbaren ebenfalls Dispergiermittel für Bohrfluide und Fluid-Spacer-Zubereitungen. Dennoch blieb trotz des Standes der Technik, wie durch die hier angeführten Veröffentlichungen belegt und der Anmelderin bekannt, das Problem, wie man ein Bohrfluid wirksam in eine geeignete Zementzubereitung umwandelt und das Bohrfluid im Bohrloch ersetzt, einschließlich eines ringförmigen Bereichs zwischen einem Gehäuse und dem Bohrloch, und zwar auf eine Weise, die eine wirksame Belegung des zu zementierenden Bereichs mit einer Zubereitung zur Verfügung stellt, die eine wirksame Bindung mit dem Wandgehäuse eingeht und/oder die Quelle oder die der Quelle benachbarte Erdformation mit einer Barriere verstopft, die stark genug ist, die Wanderung von Fluiden in unerwünschte Richtungen und/oder ein Einstürzen der Wände des Bohrlochs oder des Gehäuses zu verhindern.
Obwohl der Zusatz bestimmter Anteile eines sulfonierten Styrol-Copolymers oder eines ähnlichen Dispergiermittels die Tendenz zur Flockenbildung oder Gelierung des in eine Zementmischung umgewandelten Schlammes wesentlich verringert, haben Versuche, eine Zubereitung mit reduzierter Viskosität und einer geringeren Tendenz zur Gelierung und Flockenbildung zu entwickeln, darüber hinaus zu der Entdeckung geführt, daß der Zusatz bestimmter Anteile organischer Säuren wie Natriumcitrat, Citronensäure, Gluco-delta-Lacton, Weinsäure und Erythrobsäure und anderer organischer Säuren sowie langkettiger Zucker in Kombination mit dem sulfonierten Styrol- Copolymer einen synergistischen Effekt bei der Reduzierung von Flockenbildung und Viskosität des zu einer Zementmischung umgewandelten Schlamms haben. Allerdings kann der Zusatz dieser organischen Säuren auch die Aushärtungszeit der Zementaufschlämmung verzögern.
Lassen Sie uns kurz die Zeichnung 1 betrachten. Dort wird ein erfindungsgemäßes System zur Umwandlung von Bohrfluid in eine Zementaufschlämmung zum Zementieren eines Wandgehäuses gezeigt, das sich in einer Erdformation 12 befindet, welche von einem Bohrloch 14 durchbohrt wird. In dem in Fig. 1 gezeigten System ist ein Gehäuse 16 vom Bohrlochkopf 18 in einen Teil der Formation getrieben worden; ein zweites Gehäuse 20 erstreckt sich in das Bohrloch und bildet einen Ring 22, der beispielsweise die Washout- und Hohlraumbereiche 24 und 26 einschließen kann. Das Gehäuse 20 reicht bis zum Bohrlochkopf 18 und ist so angelegt, daß es mit einer Pumpe 28 versehen werden kann, die Bohrfluid durch das Innere des Gehäuses 20 nach unten und durch den Ring 22 wieder nach oben zu einer Rückführleitung 30 zirkuliert. Durch die Rückführleitung 30 wird Bohrfluid zu einem Lagertank oder zu einer Grube 32 geleitet und dann während des normalen Bohrbetriebs durch eine Pumpe 33 und eine Leitung 34 wieder zurück zur Pumpe 28 geführt. Herkömmliche Anlagen zur Behandlung von Bohrfluiden wie Schieferschüttelvorrichtungen, Sandtrennvorrichtungen und verwandte Ausrüstungsteile sind im Interesse der Übersichtlichkeit nicht in den Zeichnungen 1 und 2 enthalten.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Umwandlung eines Bohrfluids in eine zementartige Aufschlämmung, die für verhältnismäßig große Zementmengen erfordernde Bohrlöcher geeignet ist, ist es, eine vorgemischte Menge von trockenen gemischten Zementmaterialien in einer geeigneten Lagervorrichtung 36 zur Verfügung zu stellen, von der sie in einen Mischapparat 38 von einem im Handel erhältlichen Typ eingeführt werden. Dort werden die trockenen Zementmaterialien mit Bohrfluid gemischt, das durch eine Leitung 39 und den Mischapparat 38 zur Pumpe 28 geleitet wird. Die Ventile 40, 41 und 42 dienen zur Steuerung des Fluidfließweges während des Umwandlungsverfahrens. Die dem Mischapparat 38 zugeführten Materialien werden hier im Hinblick auf verschiedene Beispiele zur erfindungsgemäßen Umwandlung von Bohrfluid in eine Zementaufschlämmung beschrieben. Auch eine geeignete Vorrichtung für den Zusatz von Wasser, die hier nicht gezeigt wird, sollte zur Verfügung gestellt werden. In vielen Fällen werden, was bevorzugt wird, Wasser und das Dispergiermittel dem Fluid vor den anderen Materialien zugesetzt.
Die Zeichnung 2 zeigt ein System, das größere Flexibilität bei dem erfindungsgemäßen Mischverfahren bietet. Die Lagervorrichtung 36 gibt vorher festgelegte Mengen trockenen gemischten Zementmaterials des vorstehend beschriebenen Typs in den Mischapparat 38 ab; die Chargenmischung erfolgt in einem oder mehreren Tanks oder Gruben 44, in die Bohrfluid aus dem Tank 32 und der Pumpe 33 durch die Leitung 46 eingespeist wurde. Das Bohrfluid im Tank 44 wird durch eine Pumpe 48 und die Ventile 50 und 51 immer wieder durch den Mischapparat 38 zirkuliert, bis die richtige Mischung und Dichte erreicht ist; wenn es soweit ist, werden die Ventile 50 und 52 so eingestellt, daß die Zementaufschlämmung durch eine Leitung 54 zur Pumpe 28 geführt wird. Natürlich wird das Bohrfluid beim normalen Bohrbetrieb durch die Leitung 30, den Tank 32, die Pumpe 33 und die Leitungen 53 und 54 zur Pumpe 28 zirkuliert. Die zementartige Aufschlämmung kann durch eine Verbindungsleitung mit einem dazwischengelagerten Ventil 45 zwischen dem Bohrloch 14 und dem Tank 44 hin- und herzirkuliert werden. Das in Fig. 2 gezeigte System kann dazu verwendet werden, durch Schließen des Ventils 51 und Öffnen des Ventils 55 der Pumpe 28 ununterbrochen eine zementartige Aufschlämmung zuzuführen.
Entsprechend wird bei den in Fig. 1 und 2 gezeigten Systemen Bohrfluid entweder durch ununterbrochenes Mischen oder durch Chargenmischung auf einfache Weise in eine Zementaufschlämmung umgewandelt. Bestimmte hier angeführte Zementaufschlämmungszubereitungen können beispielsweise vor der Einleitung in das Bohrloch verhältnismäßig lange in mehreren Tanks 44 gelagert werden. Durch fortlaufendes Mischen oder Chargenmischung des in Zement umgewandelten Bohrfluids verbleibt, wenn überhaupt, nur eine kleine Menge Bohrfluid zur Entsorgung, und das gesamte Bohrfluid im Bohrlochring 22 wird schließlich durch eine Zementzubereitung ersetzt, die den Anforderungen an das Zementieren des Gehäuses im Bohrloch 14 an die sonstige Behandlung der Formation 12 in der gewünschten Weise genügt. In anderen Worten wird durch die Erfindung das Bohrfluid, das während des Bohrvorgangs im Bohrloch vorhanden war, überwiegend oder vollständig in eine härtbare Zementzubereitung umgewandelt, die anschließend wieder in den ringförmigen Raum im Bohrloch gepumpt wird, um ihn zu versiegeln. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, das Fluid zu entsorgen, was normalerweise der Fall wäre.
Wie vorstehend erwähnt, können dem Fluid Wasser, das Dispergiermittel und andere Zusatzstoffe beigemischt werden, ehe trockene Materialien in großen Mengen zugesetzt werden.
Es wird angenommen, daß die verbesserte Zementzubereitung und das verbesserte Verfahren zum Zementieren einer Quelle in einer Erdformation durch die erfindungsgemäße Umwandlung des Bohrfluids mit Zubereitungen und Verfahren, die den hier beschriebenen im allgemeinen entsprechen, hergestellt bzw. durchgeführt werden kann. Bohrfluids auf Wasserbasis mit Dichten von etwa 1,08 bis 21,57 kg/l (9,0 pounds per gallon [ppg] bis 18 ppg) können in Zement umgewandelt und durch ein Bohrloch wie das Bohrloch 14 zirkuliert werden durch Zusetzen von ein bis einhundert Prozent (1 - 100 %), vorzugsweise null bis fünfzig Prozent (0 - 50 %), Wasser auf der Basis des ursprünglichen Bohrfluidvolumens zusammen mit einem Dispergiermittel, das ein sulfoniertes Styrol-Copolymer umfaßt, im Bereich von 0,0014 bis 0,0285 kg/l [0,50 bis 10,0 pounds per original barrel (Pfund pro Originalfaß) auf der Basis eines 42-Gallonen Fasses (nachstehend "ppb")] und vorzugsweise von weniger als 0,0143 kg/l (5,0 ppb). Durch Zusetzen des Dispergiermittels bei der Umwandlung von Bohrfluid in eine Zementaufschlämmung wurde eine überraschende Verbesserung beim Vermischen des Zementmaterials mit der Bohrflüssigkeit erzielt. Eine Quelle und Spezifikation des sulfonierten Stryrol- Copolymers kann eine Zusammensetzung sein, die ein sulfoniertes Styrol-Maleinsäureanhydrid-Copolymer (SSMA) mit niedrigem Molekulargewicht umfaßt und unter dem Handelsnamen NARLEX D-72 von der National Starch and Chemical Corporation, Bridgewater, New Jersey, erhältlich ist. Das Dispergiermittel kann mit trockenem Zementmaterial und anderen Zusatzstoffen wie hier aufgeführt vorgemischt und beispielsweise in der Lagervorrichtung 36 gelagert werden; es kann dem Bohrfluid auch beigemischt werden, während Wasser zur Verdünnung zugesetzt wird. Darüber hinaus kann das Dispergiermittel auch ausgewählte Mengen von sulfoniertem Styrol-Imid- Copolymer (z.B. das Copolymer von sulfoniertem Styrol und N-Phenylmaleimid), sulfoniertem Styrol-Itaconsäure- Copolymer oder einer Kombination von sulfoniertem Styrol- Copolymer mit einer oder mehreren Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyacrylaten (d.h. Polymeren und Copolymeren von Estern aus Acrylsäure und Derivaten von Acrylsäure wie z.B. Methacrylsäure), teilweise hydrolysierten Co- oder Terpolymeren von Acrylamid und Kaliumsalzen sowie Phosphaten von diesen teilweise hydrolysierten Co- und Terpolymeren enthalten. Darüber hinaus wird angenommen, daß Monomere wie Maleinsäureanhydrid, Maleimid und Dimethylmaleat in Kombination mit dem ausgewählten Polymer zugesetzt werden können.
Gleichzeitig mit oder nach dem Zusatz des Dispergiermittels und von Wasser zur Verdünnung kann dem früheren Bohrfluid auch Portland-Zement in Konzentrationen im Bereich von 0,285 bis 1,17 kg/l (100 ppb bis 600 ppb) zugesetzt werden. Zubereitungen zur Steuerung der Hydratationsgeschwindigkeit wie Calciumsulfat können dem Bohrfluid im Bereich von 0,0285 bis 0,285 kg/l (10,0 ppb bis 100,0 ppb). Darüber hinaus können verschiedene ausgewählte Additive wie Härtungsverzögerer, Beschleuniger sowie Zusammensetzungen zur Steuerung des Fließverlusts wie anorganische Salze, Calciumaluminat, Lignosulfonate mit oder ohne organische Säuren und Polymere wie Hydroxyethylcellulose (HEC), Carboxymethylhydroxyethylcellulose (CMHEC) 2-Acrylamid-2-methylpropansulfonsäure (AMPS) und Acrylsäuren mit den anderen Materialien vorgemischt werden. Die vorstehend beschriebenen Zubereitungen können durch den Zusatz von Silikasand in der Menge von bis zu einhundert Gewichtsprozent (100 %) der Portland-Zementfraktion der Zementaufschlämmung weiter verändert werden, um die hohe Temperaturstabilität der Zubereitung zu erhöhen. Weiterhin können der Mischung andere Zementiermedien wie Calciumaluminate und das vorstehend beschriebene Calciumsulfat zugesetzt werden, um die Eindickungszeit der Aufschlämmung, die Geschwindigkeit der Festigkeitsentwicklung und die gesamte Druckfestigkeit durch Veränderung der Verhältnisse dieser Substanzen in der Mischung zu steuern.
Bei der Entwicklung der Erfindung wurde ursprünglich ein Bohrloch unter Verwendung eines Zementmaterials des in U.S. Patent 3,499,491 beschriebenen und im Handel unter dem Namen "C-mix" erhältlichen Typs zementiert. Diese Zementzusammensetzung wurde zur Verwendung bei der Umwandlung von Bohrfluiden in Zementaufschlämmungen entwickelt. Erfahrungen mit diesem bestimmten Typ der Zementzubereitung zeigen jedoch, daß das Bohrfluid bei Zusatz des trockenen gemischten Zementmaterials ("C- mix") immer noch abnorm stark geliert. Deshalb wurde beschlossen, bei der Entwicklung dieser Erfindung diese Zementzubereitung unter Zusatz eines Dispergiermittels in Form von SSMA zu testen, wobei ein Lignosulfat- Bohrschlamm auf Wasserbasis mit einer Dichte von etwa 1,47 kg/l (12,3 ppg) verwendet wurde.
Es wurde ein Bohrloch mit einem Gehäuse von 12,7 cm (5,0 inches) Durchmesser zementiert, wobei der Zement ursprünglich auf einer Tiefe von 3048 m (10.000 feet) und bei einer angegebenen Temperatur am Grund des Lochs von 74ºC (166ºF) eingebracht wurde. Eine Charge von 37.680 l (237 barrels) Zementaufschlämmung wurde gemischt und mit einer Pumpgeschwindigkeit von etwa 11 bis 12 l/sec [4,0 bis 4,5 barrels pro Minute (bpm)] mit einem Pumpendruck von unter etwa 3450 kPa (500 psig) eingebracht. Es wurde festgestellt, daß die Zementaufschlämmung immer noch besonders temperaturempfindlich war, was auch durch die in der nachstehenden Tabelle I aufgeführten Eindickungszeiten gezeigt wird.
Außer der Formulierung und den Eindickungszeiten zeigt Tabelle I auch die Druckfestigkeit bei Bohrlochtemperaturen und bestimmte rheologische Parameter bei den für das Bohrfluid oder den "Schlamm" allein angegebenen Temperaturen sowie das Schlamm-zu-Zement-Gemisch (MTC) das durch die 0,556 kg/l (195 ppb) "C-mix"-Zementmischung gebildet wurde. Die noch nicht aufbereiteten angegebenen Daten für die verschiedenen Geschwindigkeiten in Umdrehungen pro Minute wurden durch einen Rotationsviskosimeter zur Ermittlung der Scherbelastung und der Schergeschwindigkeit gemäß der API-Spezifikation Nr. 10 erhalten. Die in den nachstehenden Tabellen auf geführten rheologischen Parameter, einschließlich der in Centipoise angegebenen plastischen Viskosität (PV) und der in g/m³ [pounds per 100 square feet (lbs/100 ft.²)] angegebenen Streckungsgrenze wurden mit einem rotierenden Schleifscheibenviskosimeter mit fester Hülse unter Verwendung einer # 1 Feder und einer # 1 Schleifscheibe und Hülse, wie dem von E.G. & G. Chandler Engineering, Tulsa, Oklahoma, hergestellten Typ Chan 35 gemessen. Ohne die durch SSMA bewirkte gesteigerte Dispersion war die 0,556 kg/l (195 ppb) "C-mix"-Aufschlämmung zu zäh für den Meßbereich des Apparats in der vorhandenen Ausrüstung. Das Bohrloch wurde mit einem Chargenverfahren zementiert, das allgemein dem in Fig. 2 der Zeichnungen gezeigten Aufbau entsprach und sich an das allgemeine Verfahren der dort beschriebenen Chargenmischung hielt. Die Formulierungsmengen sind auf der Basis von "original barrels" des Bohrfluids angegeben. Die sich dabei ergebende Dichte bzw. die Enddichte des in eine Zementmischung umgewandelten Bohrfluids betrug etwa 0,0396 kg/l (13,9 ppg). TABELLE I Formulierung: Lignosulfonatschlamm Wasser Portland-Zement Typ I Natriumsilicat R.W.-Ton wasserfreie Soda Eindickungszeiten: Druckfestigkeit: Rheologische Eigenschaften: Schlamm * YP = yield point (Streckungsgrenze)
Die Zementzubereitung wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 11 l/s (4,0 bpm) zwei Stunden lang durch das Bohrloch zirkuliert. Die unteren 305 m (1000 feet) wurden anschließend mit einer herkömmlichen Zement-Waschabgangs-Aufschlämmung zementiert. Obwohl die Zementaufschlämmung [37680 l (237 barrels)] in der Charge gemischt und für den Zeitraum von 36 Stunden nicht in das Bohrloch gepumpt wurde, war das Gemisch immer noch pumpbar, als es nach Abkühlung auf eine Temperatur von etwa 32ºC (90ºF) in das Bohrloch gepumpt wurde.
Wegen der Temperaturempfindlichkeit des Gemischs, in dem die in Tabelle I angegebene "C-mix"-Aufschlämmung verwendet wurde, und wegen eines sehr kleinen "Mikro"- Rings, der sich an der Schnittstelle Gehäuse-Zement gebildet hatte, wurde die nachstehend beschriebene andere Zementmischung zur Füllung eines Bohrlochraums mit einem nominalen Durchniesser von 21,6 cm (8,50 inches) ab einer Tiefe von 2652 m (8700 feet) entwickelt. Eine Charge von 127190 l (800 barrels) einer Zementaufschlämmung unter Verwendung eines Lignosulfatschlamms, Wasser, SSMA und einem Lignosulfat-Verzögerungsmittel, das unter dem Handelsnamen WR-15 von der Western Company of North America erhältlich ist, wurde mit einem Portland-Zement der Klasse H (API-Quälität) zusammen mit einem Stabilisierungsmittel in Form von Calciumsulfathemihydrat in den nachstehend in Tabelle I angegebenen Mengen vermischt. Die Dichte wurde durch Zugabe einer Menge hohler Puzzolankugeln oder "Cenospheres" gesteuert. Eine verhältnismäßig leichte Zementaufschlämmung mit einer Dichte von 1,35 kg/l (11,3 ppg) wurde gebildet und für geeignet zur Lagerung befunden, da sie bei 88ºC (190ºF) eine angegebene Eindickungszeit von etwa 73 Stunden hatte (angegebene Zeiten basieren auf einem 24-Stunden-Tag) und für geeignet zum Chargenmischen und zur verhältnismäßig langen Lagerung befunden wurde. Die in Tabelle II festgehaltenen rheologischen Eigenschaften dieser Zubereitung stellten eine überraschend leicht zu pumpende Aufschlämmung zur Verfügung, die in einem Chargenverfahren hergestellt wurde und dann in das Bohrloch eingeführt und dort mit einer Geschwindigkeit von 26,5 l/s (10 bpm) einmal durch den vollen Kreislauf geleitet wurde (Rückführung). Während der Rückführung mittels eines System, das dem in Fig. 2 gezeigten ähnelt, wurde die Zementaufschlämmung auf herkömmliche Weise durch den Kreislauf gepumpt, als wäre sie Bohrfluid. TABELLE II Formulierung: Lignosulfonatschlamm Wasser Portland-Zement Klasse H "Cenospheres" Calciumsulfat Eindickungszeit: Druckfestigkeit: Rheologische Eigenschaften: Schlamm * YP = yield point (Streckungsgrenze)
Tabelle III zeigt die Bildung einer Zementaufschlämmung unter Verwendung umgewandelten Bohrfluids in Form eines Lignosulfatschlamms, welcher mit einem herkömmlichen ununterbrochenen Mischverfahren und einem Apparat ähnlich wie in Fig. 2 gezeigt vermischt wurde. Ein Bohrloch niit einem nominalen Durchmesser von 21,6 cm (8,50 inches) wurde mit einer Mischung der in Tabelle III angegebenen Formulierung zementiert, wobei insgesamt 143088 l (900 barrels) Zementaufschlämmung vermischt werden und das Bohrfluid im Bohrloch vollständig ersetzen und wobei die Mischung mit einer Geschwindigkeit von 21,2 bis 22,5 l/s (8,0 bis 8,5 bpm) durch zwei volle Kreisläufe geleitet wird. TABELLE III Formulierung: Lignosulfonatschlamm Wasser Portland-Zement Klasse H 100 mesh Silikasand Calciumsulfat Eindickungszeit: bei 89ºC (192ºF): bei Ziehen nach zwei Tagen immer noch im Fließzustand Druckfestigkeit: Rheologische Eigenschaften: Schlamm * YP = yield point (Streckungsgrenze)
Tabelle IV liefert die Daten bezüglich einer ununterbrochen gemischten Zementaufschlämmung, die in einer Tiefe von 3,109 (10.220 feet) eingebracht wurde, um das Bohrloch und zwei sich in einem offenen Loch befindliche Rohrstücke von 7,30 cm (2,875 inch) Durchmesser zu zementieren. Die in Tabelle IV gezeigte Formulierung ergab eine Zementaufschlämmung mit einer Dichte von 1,89 kg/l (15,8 ppg); außerdem wurde in der Formulierung eine im Handel von der Western Company of North America unter dem Warenzeichen WR-6 vertriebene Verzögerungszubereitung verwendet. Bohrfluid wurde vollständig aus dem Bohrloch verdrängt, und das in eine Zementaufschlämmung umgewandelte Bohrfluid wurde durch weitere 50 % des entleerten Bohrlochraums geleitet.
Die Zirkulationsgeschwindigkeit betrug etwa 12 l/s [4,5 barrels per minute (bpm)]. TABELLE IV Formulierung: Lignosulfonatschlamm Wasser Portland-Zement Klasse H 100 mesh Silicasand Calciumsulfat Eindickungszeit: Druckfestigkeit: Rheologische Eigenschaften: Schlamm * YP = yield point (Streckungsgrenze)
Tabelle V liefert weitere Daten für eine aus einem Lignofsulfatbohrfluid umgewandelte Zementaufschlämmung mit einer Dichte von 1,86 kg/l (15,5 ppg), die auf der Grundlage ununterbrochenen Mischens hergestellt wurde unter Verwendung eines Systems ähnlich wie dem in Fig. 2, wobei [das Bohrfluid] vollständig ersetzt und die Zementaufschlämmung einmal durch den ganzen Kreislauf geleitet wurde. TABELLE V Formulierung: Lignosulfonatschlamm Wasser Portland-Zement Klasse H 100 mesh Silikasand Calciumsulfat Eindickungszeit: Druckfestigkeit: Rheologische Eigenschaften: Schlamm * YP = yield point (Streckungsgrenze)
Die API-Fluidverlustgeschwindigkeit (Spezifikation 10) bei 88ºC (190ºF) und einem Druckdifferential von 6900 kPa (1000 psi) betrug 56 cm³/30 min. durch ein Gitter mit 325 mesh.
Die Tabellen VI, VII und VIII zeigen jeweils die Ergebnisse der Labortests an unter Verwendung von SSMA als Dispergiermittel in Zementzubereitungen (MTC) umgewandelten Bohrfluiden. In den in Tabelle VI gezeigten Labortests wurde Salzwasserbohrfluid oder -schlamm verwendet. Die Dichte des Salzschlamms war hauptsächlich auf die Salzhaltigkeit des Wassers in der zur Herstellung einer 1,53 kg/l (12,8 ppg) Zementzubereitung verwendeten Fluidprobe zurückzuführen.
In den in den nachstehenden Tabellen gezeigten Beispielen konnte die Menge des Dispergiermittels zumindest in einigen Fällen gesteigert werden, um niedrigere Viskositäten zur Verfügung zu stellen. Die aufgeführten Mengen wurden unter Gesichtspunkten der Wirtschaftlichkeit und der Eindickungszeit der Aufschlämmung festgelegt. Darüber hinaus lag auch die Fluidverlustgeschwindigkeit der erfindungsgemäßen Zementaufschlämmungen im Vergleich mit herkömmlichen Zementaufschlämmungen in einem gewünschten Bereich. TABELLE VI Formulierung: Salzschlamm Wasser Calciumsulfat Zement Typ I Eindickungszeit: Druckfestigkeit: Rheologische Eigenschaften: * YP = yield point (Streckungsgrenze)
Tabelle VII zeigt die Entwicklung der Zementfestigkeit mit verschiedenen Zementmengen und die Wirksamkeit eines Verzögerungsmittels (WR-15). Eine Zementzubereitung mit einer Dichte von 1,58 kg/l (13,2 ppg) wurde formuliert. TABELLE VII Formulierung: Lignosulfatschlamm Wasser Calciumsulfat Portland-Zement Klasse H Silica Sand Eindickungszeiten: Ohne Verzögerungsmittel
Die Druckfestigkeit (compressive strength = CS) wurde mit der vorstehenden Formulierung und mit Sand als einer Konstante von 35 Gew.-% des Zements wie unten angegeben für verschiedene Zementmengen ermittelt: Mischung Zement Sand Dichte Tage
Die API-Fluidverlustgeschwindigkeit bei 88ºC (190ºF) und eineni Druckdifferential von 6900 kPa (1000 psi) betrug 112 cm³/30 min. durch ein Gitter von 325 mesh.
Tabelle VIII liefert die Formulierungsdaten, die Eindickungszeit und die Druckfestigkeit eines in Zement mit einer Dichte von 1,90 kg/l (15,9 ppg) umgewandelten Lignosulfatschlamms und zeigt, daß die Stabilität der Zementaufschlämmung nach etwa zwei Monaten bei sehr hohen Temperaturen recht gut war. Im Labor getestete Würfel wiesen keine Risse oder andere Zeichen der Zersetzung auf, nachdem sie einer Aushärtungstemperatur von 300ºF ausgesetzt gewesen waren. TABELLE VIII Formulierung: Lignosulfatschlamm Wasser Kerosin Portland-Zement Klasse H Silikasand Calciumsulfat Eindickungszeit bei 121ºC (250ºF): Druckfestigkeit:
Die vorstehenden Beispiele zeigen, daß eine verbesserte Zementzusammensetzung und ein verbessertes Verfahren zum Zementieren von Öl- und Gasbohrlöchern sowie ähnlicher unterirdischer Hohl- oder Leerräume, in denen das Bohrfluid verdrängt und durch ein Zementmaterial mit der erforderlichen Festigkeit ersetzt werden muß, zur Verfügung gestellt wird. Die Zementaufschlämmung kann auch durch den Kreislauf geführt werden, um sicherzustellen, daß das Bohrfluid vollständig durch ein Material ersetzt wurde, das sich verfestigen wird, uni die erforderliche Druckfestigkeit zu ergeben.
Wie bereits erwähnt, ergaben Tests mit Bohrschlämmen auf Wasserbasis, die unter Verwendung von Zement der Klasse A im Verhältnis von 113,5 kg (250 lbs) Zement pro "barrel" Originalbohrfluid und unter Zusatz eines SSMA im Bereich von 0,0143 bis 0,0171 kg/l (5,0 ppb bis 6,0 ppb) enthaltenden Dispergiermittels in Zement umgewandelt wurden, daß eine Grenze bei der Viskositätsverringerung und den die Flockenbildung hemmenden Eigenschaften existiert. Tests mit dem gleichen Schlamm, der unter Zusatz von Citronensäure als Dispergiermittel in eine Zementzubereitung umgewandelt wurde, ergaben ebenfalls einige Eigenschaften zur Hemmung der Flockenbildung und zur Verringerung der Viskosität. Allerdings führte die Zugabe von Citronensäure und SSMA in Mengen von etwa 0,0114 kg/l (4,0 ppb) SSMA und 0,00285 bis 0,0057 kg/l (1,0 bis 2,0 ppb) Citronensäure zu überlegenen Eigenschaften in bezug auf die Hemmung der Flockenbildung und die Verringerung der Viskosität, was auf die synergistische Wirkung eines Dispergiermittels hindeutet, das eine Kombination von Citronensäure und SSMA verwendet. Es ist zu erwarten, daß Natriumcitrat, Gluco-delta-Lacton, Weinsäure und Erythrobsäure ähnliche Resultate ergeben würden. Die Tabelle IX zeigt rheologische Daten für Gemische, in denen ausgewählte Dispergiermittel verwendet werden und die die angegebenen Dispergiermittel und Zementzubereitungen enthalten. Die Formulierungen basieren auf einem Polymerbohrschlamm mit einer Dichte von 1,12 kg/l (9,35 ppg) und einer Temperatur von 27ºC (80ºF). TABELLE IX Formulierung Zement Klasse H Citronensäure Zement Klasse G *YP = yield point (Streckungsgrenze)
Die Zubereitungen 3) und 5) wiesen hohe Gelierungseigenschaften auf, während sich die Zubereitungen 4) und 6) bis 8) gut vermischten.
Tabelle X liefert Daten für Zementzubereitungen, in denen der gleiche Schlamm wie für das Beispiel von Tabelle IX verwendet wurde, die jedoch gleichzeitig die Vorteile der Anwendung eines teilweise hydrolysierten Polyacrylamidverdünners (Thin-X Verdünner erhältlich von Magcobar-IMCO, Houston, Texas) in Kombination mit der SSMA aufweisen. TABELLE X Formulierung Zement Klasse H Wasser Thin-X
Die Zubereitungen in den Beispielen 1) und 3) vermischten sich gut, die von Beispiel 2) jedoch nicht.
Aus den vorstehenden Erläuterungen kann man entnehmen, daß eine verbesserte Zubereitung und ein verbessertes Verfahren zum Zementieren von Bohrlöchern entwickelt worden ist, bei dem ein Bohrfluid oder "Bohrschlamm" in eine Zementzubereitung umgewandelt wird, indem man diesem Bohrfluid ein oder mehrere Zementmaterialien und ein Dispergiermittel zusetzt und das zu einer Zementzubereitung umzuwandelnde Fluid wieder durch das Bohrloch leitet, um das Bohrfluid vollständig zu verdrängen oder in ein Zementmaterial umzuwandeln, welches fest wird und ein geeignetes Mittel zur Versiegelung des Bohrlochs um ein Gehäuse oder eine andere Rohrstruktur darstellt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beinhaltet die Herstellung der Zementzubereitung in einem Chargenverfahren, bis das gesamte für den Zementiervorgang oder für die Entsorgung des Fluids erforderliche Fluid umgewandelt ist. Alternativ können die dem Bohrfluid zur Umwandlung in Zement zugesetzten Materialien auch ununterbrochen zugesetzt werden, und zwar während der Bohrfluidstrom im Kreislauf vom oder zum Bohrloch geführt wird. Das Verfahren der Rückführung des zu Zement umgewandelten Fluids in einem Volumenbereich von 10 bis 1000 % des Verdrängungsvolumens des Bohrlochraums stellt weitgehend sicher, daß das gesamte Bohrfluid aus dem Bohrloch entfernt worden ist und daß "washouts", Hohlräume oder andere Makel im Zementmantel oder im Ring minimiert werden.
Eine wünschenswerte erfindungsgemäße Zementzubereitung gestattet die vollständige Zirkulation des Fluids aus dem Bohrloch und das Ersetzen mit der eigentlichen Zementzubereitung. Da dieser Kreislauf normalerweise zwei, aber möglicherweise bis zu zehn, vollständige Verdrängungen des Systemvolumens, das das Bohrloch, die Mischtanks oder -gruben und sämtliche Verbindungsleitungen einschließt, umfaßt, ist es wünschenswert, daß die Zubereitung nicht vor Abschluß des Kreislaufs anfängt, fest zu werden oder einzudicken. In dieser Hinsicht ist man zu dem Schluß gekommen, ein oder mehrere Zementmaterialien mit oder ohne Verzögerungsmittel zu verwenden, um die Hydratationsgeschwindigkeit oder den Beginn des Eindickens zu steuern, vor dem eine unbedeutende Veränderung in den rheologischen Eigenschaften der Zubereitung beim Mischen und beim Zirkulieren eintritt. Darüber hinaus liegen die Fluidverlusteigenschaften in einem erwünschten, dem Basisbohrfluid ähnlichen Bereich.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung hier recht ausführlich beschrieben sind, können verschiedene Ergänzungen oder Veränderungen vorgenommen werden, ohne den Rahmen der beigefügten Ansprüche zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zum Zementieren eines eine Erdformation durchdringenden Bohrlochs, in das sich ein Leitungsrohr erstreckt, wobei das Bohrloch einen Raum aufweist, der von einer Fluidzubereitung eingenommen wird, und wobei das Verfahren das Ersetzen der Fluidzubereitung durch eine Zementzubereitung zum Zementieren des Raumes unter Ausbildung einer Abdichtung zwischen entfernt liegenden Punkten in der Formation und das Zum-Aushärten-Bringen oder Aushärten-Lassen der Zementzubereitung in dem Raum umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Zementzubereitung dadurch hergestellt wird, daß man Zementmaterial und ein Dispergiermittel einer Menge der Fluidzubereitung zusetzt, die dieselbe oder im wesentlichen dieselbe Zusammensetzung wie die Fluidzubereitung aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin ein fluides Medium, das die Zusammensetzung der Fluidzubereitung aufweist, in einem Kreislauf geführt wird, der den Raum einschließt, und Zementmaterial und ein Dispergiermittel einer Menge der im Kreislauf geführten Zubereitung unter Bildung einer härtbaren Zementzubereitung zugesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin das Dispergiermittel ein sulfoniertes Styrol-Copolymer umfaßt, das gewählt ist unter sulfonierten Styrol-Maleinsäureanhydrid-Copolymeren, sulfonierten Styrol-Imid-Copolymeren und sulfonierten Styrol-Copolymeren in Kombination mit einem Polyacrylat, einem partiell hydrolysierten Copolymer oder Terpolymer des Acrylamids oder einem Kaliumsalz oder Phosphonat eines derartigen partiell hydrolysierten Copolymers oder Terpolymers.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin das Dispergiermittel ein sulfoniertes Styrol-Maleinsäureanhydrid-Copolymer mit niedrigem Molekulargewicht umfaßt.

5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, worin das Dispergiermittel ein sulfoniertes Styrol-Maleinsäureanhydrid-Copolymer umfaßt und die aushärtbare Zementzubereitung außerdem wenigstens eine Verbindung einschließt, die gewählt ist unter Citronensäure, Natriumcitrat, Gluco-delta-Lacton, Weinsäure und Erythrobsäure.

6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, worin das Dispergiermittel der Fluidzubereitung zusammen mit Zementmaterial in einer solchen Geschwindigkeit zugesetzt wird, daß das Gelieren der Fluidzubereitung bei Zugabe des Zementmaterials zu der Fluidzubereitung minimiert wird.

7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Dispergiermittel der Fluidzubereitung in einer Menge zwischen 0,00143 und 0,0285 kg/l (0,5 ppb und 10,0 ppb) der Fluidzubereitung zugesetzt wird und das Zementmaterial der Fluidzubereitung in einer Menge von 0,285 bis 1,71 kg/l (100 ppb bis 600 ppb) der Fluidzubereitung zugesetzt wird.

8. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, worin das Dispergiermittel mit dem Zementmaterial vor dem Zusetzen des Zementmaterials zu der Fluid- Zubereitung gemischt wird.

9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, worin die Zementzubereitung mit einem Mittel zur Einstellung der Hydratationsgeschwindigkeit in einer Menge von 0,0285 bis 0,285 kg/l (10,0 ppb bis 100,0 ppb) versetzt wird, welches gewählt ist unter Calciumsulfat und Calciumaluminat.

10. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, welches den folgenden Schritt einschließt:

Zusetzen wenigstens zweier Zementmaterialien zu der Fluidzubereitung zur Kontrolle der Hydratationsgeschwindigkeit der Zementzubereitung, wobei diese gewählt sind unter Portlandzement, Calciumsulfat und Calciumaluminat.

11. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, welches den folgenden zusätzlichen Schritt einschließt:

Entfernen von Bohrflüssigkeit aus dem Raum mit einer Wasser und ein sulfoniertes Styrol-Copolymer umfassenden Vorspül-Zubereitung unter Bildung eines reologisch verträglichen Materials zum Entfernen der Bohrflüssigkeit vor dem Füllen des Bohrlochs mit der Zementzubereitung.

12. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, worin die Zementzubereitung umfaßt:

- eine Menge an Bohrfluid auf Wasserbasis;

- Portlandzement in Konzentrationsbereichen von 0,285 bis 1,71 kg/l (100 pounds pro Original 42-US-Gallonen-Barrel Bohrfluid (ppb) bis etwa 600 ppb);

- ein ein sulfoniertes Styrol-Maleinsäureanhydrid-Copolymer mit niedrigem Molekulargewicht umfassendes Dispergiermittel in einem Mengenbereich von weniger als etwa 0,0143 kg/l (5,0 ppb);

- Calciumsulfat-Hemihydrat in einer Menge im Bereich von etwa 0,0285 bis 0,285 kg/l (10,0 ppb bis 100 ppb); und

- fein gemahlenes Siliciumdioxid.