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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Zementierverfahren für Untergrundbohrlöcher, und
insbesondere auf viskosifizierende und den Flüssigkeitsverlust kontrollierende
Zuschlagstoffe für
die Anwendung in Bohrlochzementen bei Temperaturen von bis zu 500°F (260°C), sowohl
auf Zementzusammensetzungen, welche die Zuschlagstoffe und Methoden
für die
Anwendung derselben Zusammensetzungen beinhalten.
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Hydraulische
Zementzusammensetzungen werden im allgemeinen für die Komplettierung von und
für das
Durchführen
von Reparaturarbeiten in Untergrundbohrlöchern angewendet. So werden
hydraulische Zementzusammensetzungen zum Beispiel für primäre Zementierverfahren
angewendet, wobei Rohranordnungen wie zum Beispiel Verrohrungen
und Futterrohre in Bohrlöcher
einzementiert werden. Während
des Durchführens
solcher primären
Zementierverfahren wird eine hydraulische Zementzusammensetzung
in den ringförmigen
Raum zwischen den Wänden
des Bohrloches und der Aussenoberfläche der darin positionierten
Rohranordnung eingepumpt. Die Zementzusammensetzung kann dann innerhalb
des ringförmigen
Raumes aushärten,
und formt auf diese Weise eine ringförmige Schicht von ausgehärtetem und
im Wesentlichen undurchlässigen
Zements innerhalb desselben, welche die Rohranordnung innerhalb
des Bohrloches stützt
und positioniert und die Aussenoberflächen der Rohranordnung mit
den Wänden
des Bohrloches verbindet. Hydraulische Zementzusammensetzungen werden
ausserdem für
das Durchführen
von Zementreparaturarbeiten wie zum Beispiel dem Plugging von hoch
durchlässigen
Zonen oder Spalten in Bohrlöchern,
dem Plugging von Rissen oder Löchern
in Rohranordnungen, und ähnlichen
Verfahren angewendet.
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Viskosifizierende
Zuschlagstoffe für
Zementzusammensetzungen werden oft in Bohrlochzementzusammensetzungen
angewendet, um ein Ablagern von Feststoffen innerhalb der Zementzusammensetzung
zu verhindern, nachdem dieselbe in einer auszuzementierenden Untergrundzone
positioniert wurde. Obwohl solche viskosifizierenden Zuschlagstoffe
für Zementzusammensetzungen
bei Untergrundtemperaturen von bis zu 350°F (176°C) erfolgreich angewendet worden
sind, sind die angewendeten viskosifizierenden Zuschlagstoffe bei
höheren
Temperaturen bis heute nicht dazu in der Lage, eine thermale Verdünnung zu
verhindern, was in einer Ablagerung von Feststoffen innerhalb der
Zementzusammensetzung resultiert. Dieses Ablagern von Feststoffen
in einer Zementzusammensetzung resultiert wiederum in einem defektiven
Zementierverfahren und einem Ausfall des ausgehärteten Zements, wenn dieser
eine zonenbedingte Isolierung erstellen soll.
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Mittel
für die
Kontrolle des Flüssigkeitsverlustes
werden in Zementzusammensetzungen auch dazu angewendet, den Flüssigkeitsverlust
aus derselben Zementzusammensetzung heraus und in durchlässige Formationen
oder Zonen hinein zu reduzieren, in welche hinein oder durch welche
dieselben Zementzusammensetzungen hindurch gepumpt werden. Während des
primären
Zementierens kann ein solcher Verlust von Flüssigkeit, d.h. Wasser, in durchlässige Untergrundformationen
oder Zonen in einer vorzeitigen Gellierung der Zementzusammensetzung
resultieren, wodurch das Überbrücken des
ringförmigen
Raumes zwischen der durchlässigen
Formation oder Zone und der darin einzuzementierenden Rohranordnung
die Zementzusammensetzung daran hindert, sich über die gesamte Länge des
Ringraumes hinweg zu verteilen.
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Es
besteht daher ein Bedarf für
verbesserte viskosifizierende Zuschlagstoffe für Bohrlochzemente, welche in
Zementen bei Temperaturen von bis zu 500°F (260°C) angewendet werden können, und
welche ausserdem die Kontrolle des Flüssigkeitsverlustes der Zemente
bei solchen Temperaturen ermöglichen
und verbesserte Bohrlochzementzusammensetzungen liefern, welche
die Zuschlagstoffe und die Methoden des Anwendens der Zementzusammensetzungen
beinhalten.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bietet einen viskosifizierenden und den
Flüssigkeitsverlust
kontrollierenden Zuschlagstoff für
die Anwendung in Bohrlochzementschlammen bei Temperaturen von bis
zu 500°F
(260°C),
wobei derselbe Zuschlagstoff eine Mischung eines Polymers beinhaltet,
welches wiederum mindestens einen Monomer beinhaltet, welcher kalziumtolerant
und anionisch ist und einfache Zementschlamme dispersiert, sowohl
wie mindestens ein Monomer, welches in einfachen Zementschlammen
hydrolisiert, um auf diese Weise anionische Carboxylatgruppen zu
erzeugen, welche sich mit Kalzium binden und die Schlamme viskosifizieren,
und mindestens ein Monomer, welches nicht-ionische Anhängergruppen
des Polymers erzeugt, wenn dasselbe in einfachen Zementschlammen
hydrolisiert, um auf diese Weise ein Ausfällen des Polymers zu verhindern;
und ein Homopolymer eines Monomers, welches in einfachen Zementschlammen
hydrolisiert, um auf diese Weise anionische Carboxylatgruppen zu
erzeugen, welche sich mit Kalzium binden, die Schlamme viskosifizieren,
und ein Ablagern innerhalb der Schlamme verhindern.
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Die
Erfindung bietet weiter eine Bohrlochzementzusammensetzung für die Anwendung
bei Temperaturen von bis zu ungefähr 500°F (260°C), welche einen hydraulischen
Zement beinhalten; und Wasser in einer ausreichend grossen Menge
für das Formen
eines Schlammes; und einen viskosifizierenden und den Flüssigkeitsverlust
kontrollierenden Zuschlagstoff nach der vorliegenden Erfindung.
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Die
Erfindung bietet weiter eine Methode für das Zementieren einer Untergrundzone,
welche von einem Bohrloch penetriert wird, wobei dieselbe Methode
die folgenden Stufen umfasst:
- (a) das Platzieren
einer Zementzusammensetzung in der vorgenannten Untergrundzone;
und
- (b) das Aushärten
der vorgenannten Zementzusammensetzung innerhalb desselben, wobei
dieselbe Zementzusammensetzung eine Zusammensetzung nach der vorliegenden
Erfindung repräsentiert.
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Der
viskosifizierende und den Flüssigkeitsverlust
kontrollierende Zuschlagstoff kann in der Form von Feststoffpartikeln
direkt zu dem hydraulischen Zement hinzugefügt oder mit dem angewendeten
Wasser vermischt werden, oder er kann mit Wasser kombiniert werden,
wobei eine lagerungsfähige
wässerige
Lösung geformt
wird, welche bequem mit dem Mischwasser der Zementzusammensetzung
kombiniert werden kann.
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Der
viskosifizierende und den Flüssigkeitsverlust
kontrollierende Zuschlagstoff der vorliegenden Erfindung besteht
grundsätzlich
aus einer Mischung eines Polymers und eines Homopolymers. Das Polymer
ist dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe durch das Polymerisieren
der Folgenden erzeugt wird: (1) mindestens eines Monomers, welches
kalziumtolerant und anionisch ist und in einfachen Zementschlammen
dispersiert, und welches aus 2-Acrylamido-2-Methylpropansulfonsäure und
deren Salzen ausgewählt
wird; Vinylsulfonat, Allylsulfonat oder 3-Allyloxy-2-Hydroxy-1-Propansulfonsäure und
deren Salzen; (2) mindestens einem Monomer, welches dazu fähig ist,
in einfachen Zementschlammen zu hydrolisieren, um auf diese Weise
anionische Carboxylatgruppen zu erzeugen, welche sich mit Kalzium
binden, die Schlamme viskosifizieren, und Ablagerungen innerhalb
der Schlamme verhindern, und welches aus Acrylonitril, Acrylamid,
N,N-Dialkylacrylamid ausgewählt wird,
wobei die Alkylgruppe aus den Alkylgruppen C1 bis
C6 ausgewählt wird, N-Vinylpyrrolidon, 2-Acrylamido-2-Methylpropansulfonsäure und
deren Salzen, oder Alkylacrylaten wie zum Beispiel Methylmethacrylat;
und (3) mindestens einem Monomer, welches aufgrund einer Hydrolyse
in einfachen Zementschlammen nicht-ionische Anhängergruppen des Polymers erzeugt,
um auf diese Weise ein Ausfällen
des Polymers zu verhindern, und welches aus N-Alkyl-N-Vinylalkanamiden
wie zum Beispiel N-Methyl-N-Vinylacetamid,
Allylglycidylether oder Vinylacetat ausgewählt wird. Das Molekulargewicht des
Polymers beträgt
vorzugsweise zwischen ungefähr
300,000 und 1.5 Millionen, und noch vorzugsweiser ungefähr 500,000.
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Das
Verhältnis
der Monomer innerhalb des Polymers wird so gewählt, dass das Polymer die Schlamme
bei normalen Umgebungstemperaturen nicht übermässig viskosifiziert, wenn dasselbe
in Zementschlammen vorhanden ist, wobei das Polymer jedoch als Teil
einer Hydrolyserekation während
des Platzieren des Zementschlammes ununterbrochen ausreichend viele
Carboxylatgruppen bei Tieflochtemperaturen erzeugen wird, welche
mit den in den Schlammen vorhandenen Kalziumionen durch vernetzende
Reaktionen reagieren und die Schlamme viskosifizieren, um einer
thermalen Verdünnung
der Schlamme entgegen zu wirken. Auf diese Weise steigt aufgrund
der carboxylaterzeugenden Hydrolysereaktion die thermale Verdünnung der
Zementschlamme, und damit auch die Rate der Schlammviskosifizierung,
je höher
die Tieflochtemperatur ansteigt.
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Das
Polymer besitzt aufgrund seiner Adsorption auf Zementkörnern sowohl
wie aufgrund seiner Flüssigkeitsviskosifiziereigenschaften
ausserdem den Flüssigkeitsverlust
kontrollierende Eigenschaften. Wenn die Flüssigkeitsverlustkontrolle des
Schlammes, welcher das Polymer enthält, nicht ausreichend ist, können zusätzliche
Flüssigkeitsverlustkontrollpolymer
hinzugefügt
werden.
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Das
bevorzugte Monomerverhältnis
innerhalb des Polymers hängt
sowohl davon ab, wie das Polymer the Viskositäten der Zementschlamme bei
normalen Umgebungsbedingungen beeinflusst, wie auch von den Tieflochbedingungen.
Hohe Viskositäten
bei normalen Umgebungsbedingungen werden in übergrossen Pumpdrucken während des
Platzierens der Schlamme resultieren. Andererseits verursacht eine übermässige Dispersion
von Zementschlammen bei normalen Umgebungstemperaturen eine Ablagerung
von Partikeln noch vor dem Platzieren derselben Schlamme innerhalb
des Bohrloches. Das bevorzugte Verhältnis des oder der dispersierenden
Monomer der weiter oben aufgeführten
Gruppe 1 kann zwischen 30 und 60 Prozent Massenanteil des Polymers
liegen; das oder die anionischen, carboxylaterzeugenden Monomer
der oben aufgeführten
Gruppe 2 können
zwischen 20 und 60 Prozent Massenanteil des Polymers betragen; und
das oder die Monomer der oben aufgeführten Gruppe 3 können zwischen
0 und 40 Prozent Massenanteil des Polymers betragen. Es wird bevorzugt,
dass das oder die Monomer der Gruppe 1 zwischen 40–50 Prozent
Massenanteil des Polymers betragen; das oder die Monomer der Gruppe
2 sind in einer Menge von zwischen 30-40 Prozent Massenanteil vorhanden;
und das oder die Monomer der Gruppe 3 liegen in einem Bereich von
10-20 Prozent Massenanteil des Polymers.
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Es
hat sich dabei herausgestellt, dass verschiedene Homopolymer, welche
bei verschiedenen Temperaturen carboxylaterzeugende Monomer beinhalten,
in Kombination mit dem oben beschriebenen Polymer angewendet werden
können.
So hat es sich zum Beispiel herausgestellt, dass das Polymer der
vorliegenden Erfindung innerhalb einer synergistischen Mischung
zusammen mit anderen Homopolymeren angewendet werden kann, welche
durch das Polymerisieren von einem oder mehreren der in Gruppe 2
aufgeführten
Monomern erzeugt wurden. So kann das weiter oben beschriebene Polymer
vorteilhaft in Beimischung mit Polyvinylpyrrolidon oder Polyacrylamid
für das
Verhindern einer Partikelablagerung in Zementschlammen angewendet werden.
Das Polymer ist in dieser Mischung allgemein in einer Menge von
ungefähr
50% bis ungefähr
95% Massenanteil der Mischung vorhanden, und das oder die angewendeten
Homopolymer sind innerhalb derselben in einer Menge von ungefähr 5% bis
ungefähr
50% Massenanteil der Mischung vorhanden.
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Nützliche
viskosifizierende und den Flüssigkeitsverlust
kontrollierende Polymer nach der vorliegenden Erfindung sind kommerziell
erhältlich.
So sind zum Beispiel Polymer mit den Handelsnamen „HOSTAMER
V 4707TM", „HOSTAMER
4706TM",
und „HOSTADRILL
2825TM" kommerziell
von dem Unternehmen Clariant Corporation in Charlotte, Nord Karolina,
erhältlich,
wobei dieselben 2-Acrylamido-2-Methylpropansulfonsäure, Acrylamid,
und N-Vinyl-N-Alkylalknamid in entsprechenden Verhältnissen
beinhalten und in US-Anmeldung 4,587,283
beschrieben werden, auf welche wir uns bezüglich weiterer Einzelheiten
hiermit beziehen. Ein Polymer, welches mehrere Monomer der Gruppe
2 mit verschiedenen Hydrolyseraten beinhaltet, ist unter dem Handelsnamen „HE 300TM" von
Drilling Specialities Company in Bartlesville, Oklahoma, erhältlich.
Das Polymer „HE
300TM" beinhaltet
2-Acrylamido-2-Methylpropansulfonsäure, N-Vinylpyrrolidon, und
Acrylamid in einem entsprechenden Verhältnis. Ein Homopolymer von
Vinylpyrrolidon mit einem Molekulargewicht innerhalb eines Bereiches
von ungefähr
900,000 bis ungefähr
1.5 Millionen ist kommerziell unter dem Handelsnamen „PVP K-90TM" von
dem Unternehmen ISP Technologies Incorporated in Wayne, New Jersey,
erhältlich.
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Der
viskosifizierende und den Flüssigkeitsverlust
kontrollierende Zuschlagstoff der vorliegenden Erfindung kann in
der Form von Feststoffpartikeln mit dem hydraulischen Zement oder
dem angewendeten Mischwasser kombiniert werden, um auf diese Weise
eine Bohrlochzementzusammensetzung zu formen. Wenn der Zuschlagstoff
für Offshore-Bohrlochzementierverfahren
angewendet wird, sollte der Zuschlagstoff vorzugsweise in flüssiger Form
beigefügt
werden. Dies bedeutet, dass das weiter oben beschriebene Feststoffpartikelpolymer
mit mindestens einem Homopolymer mit einer ausreichend grossen Menge
Wasser kombiniert werden kann, um eine wässerige Lösung des Zuschlagstoffes zu
formen. Das angewendete Wasser kann aus frischem Wasser oder aus
Salzwasser bestehen. Die Polymer- und Homopolymermischung kann effektiv
in Kombination mit einem getrennten, den Flüssigkeitsverlust kontrollierenden
Zuschlagstoff sowohl wie mit anderen Bohrlochzementzusammensetzungszuschlagstoffen
angewendet werden.
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Ein
bevorzugter viskosifizierender und den Flüssigkeitsverlust kontrollierender
Zuschlagstoff der vorliegenden Erfindung für die Anwendung mit Bohrlochzementzusammensetzungen,
welche Temperaturen von bis zu 500°F ausgesetzt werden, besteht
deshalb aus einer Mischung eines Polymers, welches wiederum aus mindestens
einem Monomer besteht, welches kalziumtolerant und anionisch ist
und einfache Zementschlamme dispersiert, mindestens einem Monomer,
welches in einfachen Zementschlammen hydrolisiert, um auf diese
Weise anionische Carboxylatgruppen zu erzeugen, welche sich mit
Kalzium binden und die Schlamme viskosifizieren, und mindestens
einem Monomer, welches während
des Hydrolisierens in einfachen Zementschlammen nicht-ionische Anhängergruppen
des Polymers erzeugt, um auf diese Weise ein Ausfällen des
Polymers zu verhindern, und ein Homopolymer eines Monomers, welches
in einfachen Zementschlammen hydrolisiert, um auf diese Weise anionische
Carboxylatgruppen zu erzeugen, welche sich mit Kalzium binden, die Schlamme
viskosifizieren, und ein Ablagern innerhalb derselben Schlamme verhindern.
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Die
verbesserten Bohrlochzementzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung
bestehen grundsätzlich
aus einem hydraulischen Zement, einer ausreichend grossen Menge
Wasser für
das Formen eines Schlammes, und einem der weiter oben beschriebenen
viskosifizierenden und den Flüssigkeitsverlust
kontrollierenden Zuschlagstoffe nach der vorliegenden Erfindung.
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Eine
Reihe verschiedener hydraulischer Zemente kann gemäß der vorliegenden
Erfindung angewendet werden, wobei dieselben solche einschliessen,
welche aus Kalzium, Aluminium, Silikon, Sauerstoff und/oder Schwefel
bestehen, und welche sich aufgrund einer Reaktion mit Wasser setzen
und aushärten.
Solche hydraulischen Zemente schliessen Portland-Zemente, Pozzolanazemente,
Gipszemente, aluminöse
Zemente, Silikazemente und alkaline Zemente ein, sind jedoch nicht
auf diese beschränkt.
Portland-Zemente werden für
die Anwendung gemäß der vorliegenden
Erfindung allgemein bevorzugt. Portland-Zemente der in der API Specification
For Materials And Testing For Well Cements, API-Spezifizierung 10, Ausgabe 5, vom 1. July
1990 des American Petroleum Institute definierten und beschriebenen
Typen werden besonders bevorzugt. API Portland-Zemente schliessen
die Klassen A, B, C, G, und H ein. Die API-Klassen G und H werden bevorzugt,
wobei die Klasse G am meisten bevorzugt wird.
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Das
in den Zementzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung angewendete
Wasser kann aus frischem Wasser, ungesättigten Salzlösungen einschliesslich
Sole und Meerwasser, und aus gesättigten
Salzlösungen
bestehen. Im allgemeinen kann das Wasser aus einer beliebigen Quelle
stammen, solange dasselbe nicht zu viele Mischungen beinhaltet,
welche andere Komponente innerhalb der Zementzusammensetzungen negativ
beeinflussen können.
Das Wasser ist innerhalb der Zementzusammensetzungen der vorliegenden
Erfindung in einer Menge vorhanden, welche für das Formen eines pumpbaren
Schlammes ausreicht. Insbesondere ist das innerhalb der Zementzusammensetzung
vorhandene Wasser in einer Menge innerhalb eines Bereiches von ungefähr 38% bis
ungefähr
70% Massenanteil des darin enthaltenen hydraulischen Zements vorhanden,
und vorzugsweise in einer Menge von ungefähr 60%.
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Der
viskosifizierende und den Flüssigkeitsverlust
kontrollierende Zuschlagstoff der vorliegenden Erfindung ist in
den Zementzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung in einer
Menge innerhalb eines Bereiches von ungefähr 0.2% bis ungefähr 7% Massenanteil
des darin enthaltenen hydraulischen Zements enthalten, und vorzugsweise
in einer Menge innerhalb eines Bereiches von ungefähr 0.5%
bis ungefähr
3%, und am bevorzugtesten in einer Menge von 2%.
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Wie
weiter oben schon erwähnt
erhalten die Zementzusammensetzungen, welche den viskosifizierenden
und den Flüssigkeitsverlust
kontrollierenden Zuschlagstoff der vorliegenden Erfindung beinhalten,
die Viskosität
auf solchen Stufen aufrecht, welche für das Verhindern einer wesentlichen
Ablagerung von Feststoffpartikeln innerhalb der Zementzusammensetzungen
bei Temperaturen von bis zu 500°F
(260°C)
ausreichen. Ausserdem ermöglicht
der Zuschlagstoff eine Flüssigkeitsverlustkontrolle
der Zementzusammensetzungen, welche die Anwendung von einem oder
mehreren getrennten Flüssigkeitsverlustkontrollzuschlagstoffen
in den Zementzusammensetzungen oft unnötig macht.
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Ein
Fachmann auf diesem Gebiet wird hier sofort erkennen, dass auch
verschiedene andere Zementzusammensetzungszuschlagstoffe wie zum
Beispiel zusätzliche
den Flüssigkeitsverlust
kontrollierende Mittel, Verfestigungsstaustoffe, Verfestigungsbeschleuniger,
Füller,
Gewichtungsmaterial und ähnliche
in den Zementzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung angewendet
werden können,
wobei dieselben jedoch nicht auf diese beschränkt sind.
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Eine
bevorzugte Bohrlochzementzusammensetzung der vorliegenden Erfindung
für die
Anwendung bei Temperaturen von bis zu 500°F (260°C) besteht aus: einem hydraulischen
Zement; Wasser, welches in einer ausreichend grossen Menge vorhanden
ist, um einen Schlamm zu formen; und einen viskosifizierenden und
den Flüssigkeitsverlust
kontrollierenden Zuschlagstoff, welcher aus einer Mischung eines
Polymers besteht, welches aus mindestens einem Monomer geformt wird,
und welches kalziumtolerant und anionisch ist und in einfachen Zementschlammen
dispersiert, mindestens einem Monomer, welches in einfachen Zementschlammen
hydrolisiert, um auf diese Weise anionische Carboxylatgruppen zu
erzeugen, welche sich mit Kalzium binden und die Schlamme viskosifizieren,
und mindestens einem Monomer, welches während des Hydrolisierens in
einfachen Zementschlammen nicht-ionische Anhängergruppen des Polymers erzeugt,
um auf diese Weise ein Ausfällen
des Polymers zu verhindern, und ein Homopolymer eines Monomers,
welches in einfachen Zementschlammen hydrolisiert, um auf diese
Weise anionische Carboxylatgruppen zu erzeugen, welche sich mit
Kalzium binden, die Schlamme viskosifizieren, und ein Ablagern innerhalb
der Schlamme verhindern.
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Eine
besonders bevorzugte Bohrlochzementzusammensetzung der vorliegenden
Erfindung für
die Anwendung bei Temperaturen von bis zu 500°F (260°C) besteht aus: einem hydraulischen
Zement; Wasser, welches in einer Menge vorhanden ist, welche für das Formen
eines Schlammes ausreicht; ein viskosifizierender und den Flüssigkeitsverlust
kontrollierenden Zuschlagstoff mit einem Molekulargewicht von ungefähr 500,000,
welcher aus einer Mischung eines Polymers besteht, welches aus 2-Acrylamido-2-Methylpropansulfonsäure, Acrylamid,
und N-Alkyl-N-Vinyl-Acetamidmonomeren geformt wird, wobei das 2-Acrylamido-2-Methylpropansulfonsäurenmonomer
in dem Polymer in einer Menge innerhalb eines Bereiches von ungefähr 40% bis
ungefähr
50% Massenanteil des Polymers vorhanden ist, und wobei das Acrylamidmonomer
in dem Polymer in einer Menge innerhalb eines Bereiches von ungefähr 30% bis
ungefähr
40% Massenanteil des Polymers vorhanden ist, und wobei das N-Alkyl-N-Vinyl-Acetamid
in einer Menge innerhalb eines Bereiches von ungefähr 10% bis
ungefähr
20% Massenanteil des Polymers vorhanden ist, und einem Homopolymer
des Acrylamids mit einem Molekulargewicht von ungefähr 1 Million.
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Die
Methoden der vorliegenden Erfindung für das Zementieren einer Untergrundzone,
welche von einem Bohrloch penetriert wird, bestehen grundsätzlich aus
den Stufen des Bereitstellens einer Zementzusammensetzung, welche
aus einem hydraulischen Zement besteht, und Wasser in einer ausreichend
grossen Menge für
das Formen eines Schlammes, und einem viskosifizierenden und den
Flüssigkeitsverlust
kontrollierenden Zuschlagstoff, welcher eine Mischung eines Terpolymers
und ein weiter oben schon beschriebenes Homopolymer beinhaltet,
und das Platzieren der Zementzusammensetzung innerhalb der Untergrundzone,
welche auszementiert werden soll, und das Setzen und Verfestigen
der Zementzusammensetzung zu einer undurchlässigen festen Masse innerhalb
derselben.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung für
das Zementieren einer Untergrundzone, welche von einem Bohrloch
penetriert wird, besteht aus den folgenden Stufen: (a) das Bereitstellen
einer Zementzusammensetzung, welche aus einem hydraulischen Zement
besteht, und einer ausreichend grossen Menge Wasser für das Formen
eines Schlammes, und einem viskosifizierenden und den Flüssigkeitsverlust kontrollierenden
Zuschlagstoff, welcher eine Mischung eines Polymers beinhaltet,
welches aus mindestens einem Monomer geformt wird, wobei dasselbe
kalziumtolerant und anionisch ist und einfache Zementschlamme dispersiert,
und mindestens einem Monomer, welches in einfachen Zementschlammen
hydrolisiert, um auf diese Weise anionische Carboxylatgruppen zu
erzeugen, welche sich mit Kalzium binden und die Schlamme viskosifizieren,
und mindestens einem Monomer, welches während des Hydrolisierens in
einfachen Zementschlammen nicht-ionische Anhängergruppen des Polymers erzeugt,
um auf diese Weise ein Ausfällen
des Polymers zu verhindern, und Homopolymer eines Monomers, welches
in einfachen Zementschlammen hydrolisiert, um auf diese Weise anionische
Carboxylatgruppen zu erzeugen, welche sich mit Kalzium binden und
die Schlamme viskosifizieren, um auf diese Weise ein Ablagern innerhalb
der Schlamme zu verhindern; (b) das Platzieren der Zementzusammensetzung
innerhalb der Untergrundzone; und (c) das Verfestigen der Zementzusammensetzung
innerhalb derselben.
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Eine
besonders bevorzugte Methode der vorliegenden Erfindung für das Zementieren
einer Untergrundzone, welche von einem Bohrloch penetriert wird,
besteht aus den folgenden Stufen: (a) dem Bereitstellen einer Zementzusammensetzung,
welche einen hydraulischen Zement beinhaltet, und Wasser in einer
ausreichend grossen Menge für
das Formen eines Schlammes, und einem viskosifizierenden und den
Flüssigkeitsverlust
kontrollierenden Zuschlagstoff mit einem Molekulargewicht von ungefähr 500,000,
wobei derselbe aus einer Mischung eines Polymers besteht, welches
aus 2-Acrylamido-2-Methylpropansulfonsäure, Acrylamid, und N-Alkyl-N-Vinylacetamidmonomeren
geformt wird, wobei das 2-Acrylamido-2-Methylpropansulfonsäurenmonomer
in dem Polymer in einer Menge innerhalb eines Bereiches von ungefähr 40% bis
ungefähr 50%
Massenanteil des Polymers vorhanden ist, und wobei das in dem Polymer
vorhandene Acrylamidmonomer in einer Menge innerhalb eines Bereiches
von ungefähr
30% bis ungefähr
40% Massenanteil des Polymers vorhanden ist, und wobei das N-Alkyl-N-Vinylacetamid
in einer Menge innerhalb eines Bereiches von ungefähr 10% bis
ungefähr
20% Massenanteil des Polymers vorhanden ist, und wobei ein Homopolymer
des Acrylamids über
ein Molekulargewicht von ungefähr
1 Million verfügt;
(b) dem Platzieren der Zementzusammensetzung innerhalb der Untergrundzone;
und (c) das Verfestigen der Zementzusammensetzung innerhalb derselben.
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Zum
besseren Verständnis
des viskosifizierenden und den Flüssigkeitsverlust kontrollierenden
Zuschlagstoffes, der Zementzusammensetzungen, und der Methoden der
vorliegenden Erfindung beziehen wir und nun auf das hierfolgende
Beispiel.
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BEISPIEL
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Es
wurden mit Hilfe von Bohrlochzementzusammensetzungen Tests durchgeführt, wobei
dieselben den hochtemperaturigen viskosifizierenden und den Flüssigkeitsverlust
kontrollierenden Zuschlagstoff der vorliegenden Erfindung beinhalteten.
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Der
Zementschlamm Nr. 1 beinhaltete einen Portland-Zement der Klasse
A als dessen grundsätzlichen
Bestandteil. Die weiteren Bestandteile des Schlamms Nr. 1 sind in
Tabelle I ausgeführt.
Die Zementschlamme Nr. 2 bis 23 beinhalteten einen Portland-Zement
der Klasse H, Silikapulver in einer Menge von 35% Massenanteil des
Zements, und die anderen, in Tabellen I und Π aufgeführten Bestandteile. Die einfachen
Zementschlamme beinhalteten ausserdem die in Tabellen I und II aufgeführten viskositätssteigernden
und ablagerungsverhindernden Polymer.
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Die
Zementschlamme Nr. 24 bis 33 beinhalteten einen Portland-Zement
der Klasse H, Silikapulver in einer Menge von 40% des Zements, und
geschwefelte Silika in einer Menge von 5% des Zements. Weitere in den
Zementschlammen Nr. 24 bis 33 enthaltene Zuschlagstoffe sind in
Tabelle III aufgeführt.
Die für
diese Tests angewendeten Zementverfestigungsstaustoffe sind unter
den Handelsnamen „FDP
601TM" (Lignosulfonatverfestigungsstaustoff), „SCR-100TM" (ein
Copolymer von 2-Acrylamid-2-Methylpropansulfonsäure und Acrylsäure), „SCR-500TM" (ein
Copolymer von 2-Acrylamido-2-Methylpropansulfonsäure und
Itaconsäure), „HR-15TM" (einer
Mischung von Lignosulfonat und Weinsäure), und „HR-5TM" (Natriumsalz von
Lignosulfonat) kommerziell von Halliburton Energy Services in Duncan,
Oklahoma erhältlich.
Auch die angewendeten Flüssigkeitsverlustkontrollmittel
sind kommerziell als Halliburton Produkte erhältlich, nämlich als „Halad 413TM" (kaustifiziertes,
mit 2-Acrylamido-2-Methylpropansulfonsäure, N,N-Dimethylformamid,
und 2-Acrylamido-2-Methylpropansulfonsäure gepfropftes Lignit) und „Halad
344TM" (ein
Copolymer von N,N-Dimethylformamid und 2-Acrylamido-2-Methylpropansulfonsäure). Der
die Übergangszeit
steigernde Zuschlagstoff, „GasStop
HTTM" (mit
Acrylamid und 2-Acrylamido-2-Methylpropansulfonsäure gepropftes Tannin) ist
auch von Halliburton erhältlich,
genau wie der die Ablagerung verhindernde Zuschlagstoff „SA-541TM" (kaustifiziertes,
mit Natriumborat oberflächenbehandeltes
Hydroxypropyl).
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Die
Schlamme Nr. 1 bis 10 wurden bei Temperaturen innerhalb eines Bereiches
von 150°F
(65.5°C) bis
250°F (121°C) getestet.
Die Schlamme Nr. 11 bis 23 wurden bei Temperaturen innerhalb eines
Bereiches von 300°F
(149°C)
bis 400°F
(204°C)
getestet, und die Schlamme Nr. 24 bis 33 wurden bei Temperaturen
von 434°F
(223°C)
getestet.
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Die Überprüfung der
Viskosität,
die Variation der Dichte, der Aushärtungszeit, des Flüssigkeitsverlustes
sowohl wie Rheologietests wurden mit Hilfe der folgenden Verfahren
durchgeführt.
Alle Tests wurden mit Hilfe eines Instrumentes durchgeführt, welches
von Halliburton Energy Services Inc. unter dem Handelsnamen „MINI-MACSTM" erhältlich ist.
Das Instrument „MINI-MACSTM" ist
dazu fähig,
die Konsistenz (in Bc- oder Bearden-Einheiten), die Viskosität, und die
statische Gelstärke
eines Zementschlammes zu messen. Ein geschwindigkeitsvariabler Schrittmotorantrieb
und ein Feinkraftwandler wurden für das Rühren des Schlammes und das Messen
der Konsistenz und der statischen Gelstärkenwerte angewendet. Die Motorgeschwindigkeit
wird kontrolliert, um einen Flügel
innerhalb des Schlammbehälters
für einen
API-Standardverdickungszeittest und die anfängliche Platzierungskonditionierung
für einen
statischen Gelstärkentest
mit einer Geschwindigkeit von 150 upm zu rotieren. Wenn sich das
Gerät im
statischen Gelstärkentestmodus
befindet, wird der Flügel
pro Minute mit 0.2 Grad rotiert.
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Das
Instrument „MINI-MACSTM" ist
für die
Anwendung mit Drucken von bis zu 20,000 psi (1.38 × 108Pa) und Temperaturen von bis zu 500°F (260°C) zugelassen.
Eine Heizrate von ungefähr
10°F/Min (12.2°C/Min) ist
erreichbar. Die Testkammer besteht aus einer zweiteiligen Einheit,
welche Fließkanäle zwischen
den inneren und äusseren
Abschnitten beinhaltet, welche für
die Kühlung
angewendet werden. Dies resultiert sogar bei besonders hochtemperaturigen
Tests in einer extrem schnellen Kühlung des Instrumentes nach
Beenden eines Tests. Die API-Verdickungszeittests liefern dem Benutzer
Information bezüglich
der Zeitspanne, für
welche ein Schlamm während
eines Zementierverfahrens pumpbar bleibt. Das Instrument ist eines der
abwechselnd angewendeten Geräte,
welche für
simulierte Bohrlochverdickungszeiten in API RP10B, Ausgabe 22, Dezember
1997, Anhang D vorgeschrieben werden. Das Instrument rotiert den
Flügel
innerhalb des Schlammbechers, anstatt wie ein traditionelles Konsistenzmeßgerät den Schlammbecher
zu rotieren. Der statische Gelstärkentest
wird dazu angewendet, die Gellierungseigenschaften eines Schlammes
zu bestimmen, wenn sich derselbe in einem statischen Modus befindet.
Der Test beginnt normalerweise mit dem Rühren des Schlammes, um auf
diese Weise das Platzieren desselben innerhalb eines Bohrloches
zu simulieren. Das Rühren
wird dann unterbrochen, und das Gerät wird auf den statischen Gelstärkenmodus
umgestellt. Während dieser
Zeit wird der Flügel
mit 0.2 Grad pro Minute rotiert (so nahe der statischen Bedingungen
wie praktisch, um ein Anzeichen einer Gellierung zu erhalten).
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Die
Tests wurden im Verdickungszeittestmodus durchgeführt. Wenn
die Schlammviskosität
vor Beginn der Verdickungszeit auf null Bc abfiel wurde vorausgesetzt,
dass der Schlamm gegenüber
einer Ablagerung anfällig
war. Wenn ein Viskositätswert
von weniger als mindestens 5-10 Bc zwischen dem Zeitpunkt des Erreichens
der Testtemperatur und dem Verfestigungszeitpunkt aufrecht erhalten
werden konnte wurde nicht erwartet, dass der Schlamm unter Verfestigungsproblemen
leiden würde.
Es wurde oft beobachtet, dass die Schlammviskosität während des
Heiztaktes plötzlich
auf Werte anstieg, welche für
das Pumpen als zu hoch angesehen werden, und nach ein paar Minuten
solcher hohen Temperaturen beinahe auf Null abfiel; besonders bei
Gummis, welche für
eine verzögerte
Hydrierung oberflächenbehandelt
wurden. Um den Schlamm mit Hilfe von vernünftigen Pumpdrucken, welche
die Spaltgradienten der Formation nicht überschreiten, platzieren zu
können,
sind Schlamme erwünscht,
welche während
des gesamten Schlammplatzierungsverfahren eine einheitliche Viskosität aufrecht
erhalten. Während
des Ablaufs des Experimentes mit Hilfe des „MINI-MACSTM" wurden Aus/An-Takte
in das Computerprogramm des Instrumentes einprogrammiert. Während dieser Aus/An-Experimente wurde
das Rühren
unterbrochen, und dann nach 5 Minuten wieder fortgesetzt, und dieser Takt
wurde dann wiederholt. Wenn das Rühren wieder fortgesetzt wurde,
wurde es als ein Zeichen einer Ablagerung oder einer starken Gellierung
angesehen, wenn die sofortige Viskosität höher war als diejenige, die während des
unterbrochenen Rührens
auftrat. Wenn die sofortige Viskosität die gleiche war als diejenige,
die während
des unterbrochenen Rührens
auftrat, wurde dies als ein gutes Zeichen dafür angesehen, dass der Schlamm
noch viskos und fließfähig war.
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Für ausgewählte Schlamme
wurden die Dichten verschiedener Abschnitte des ausgehärteten Zements
mit Hilfe des „MINI-MACSTM" Testes
gemessen, um auf diese Weise den Grad der Verfestigung einschätzen zu
können.
Der Flüssigkeitsverlust
wurde für
Temperaturen über
180°F (82.2°C) entweder
mit Hilfe einer gerührten
dynamischen Hochtemperaturflüssigkeitsverlustzelle
oder mit Hilfe des in API-Spezifikation 10, Ausgabe 5 vom 1. July
1990 des American Petroleum Institute beschriebenen Verfahrens gemessen.
Die Rheologie der Zementschlamme wurde dann bei Zimmertemperatur
mit Hilfe eines Fann Viskosimeters Modell 35 gemessen, welches von
Fann Instruments in Houston, Texas, hergestellt wird.
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Ein
typisches Verfahren verläuft
für Schlamm
Nr. 30 wie folgt. Eine trockene Mischung, bestehend aus einem Zement
der Klasse H (600 Gramm), ein mit Acrylamid und 2-Acrylamido-2-Methylpropansulfonsäure gepfropftes
Tannin (4.8 Gramm), ein Copolymer von 2-Acrylamido-2-Methypropansulfonsäure und
Itaconsäure (12
Gramm), Weinsäure
(12 Gramm), Silikapulver (240 Gramm), geschwefelte Silika (30 Gramm),
Polyvinylpyrrolidon (3 Gramm), und einem Terpolymer von 2-Acrylamido-2-Methylpropansulfonsäure/Acrylamid/N-Vinyl-N-Methylacetamid
(3 Gramm) wurde in einem Waring-Mixer bei grosser Scherung gemäß des API-Verfahrens
mit Leitungswasser (372 Gramm) gemischt. Der Schlamm wurde dann
in die Zelle des „MINI-MACSTM" Instrumentes übertragen
und der Heiztakt wurde so eingestellt, dass die Testtemperatur (434°F (223°C)) innerhalb
von 54 Minuten erreicht wurde. Die Rührgeschwindigkeit betrug 150
upm. Der endgültige
Druck bei dieser Temperatur betrug 15,000 psi (1.03 × 108 Pa). Nach dem Erreichen der Testtemperatur
wurde die Schlammviskosität
auf 6 Bc stabilisiert. Der Schlamm wurde dann bei Testtemperatur
in der Zelle belassen, um sich zu verfestigen. Das Gerät wurde
nun gekühlt,
die Zementsäule
entfernt, und Stücke
des Zements wurden mit Hilfe eines Bohrers entnommen. Die Dichte
der oberen, mittleren, und unteren Zementstücke der Säule wurde gemessen und betrug
jeweils 15.45, 15.33, und 15.32.
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Die
in Tabelle I aufgeführten
Resultate zeigen, dass das Terpolymer beinhaltende Acrylamid innerhalb des
Temperaturbereichs von 150–200°F (65.5–3.3°C) ausreicht,
um eine Ablagerung zu verhindern. Dies wird durch die guten Viskositätswerte
des Schlamms während
der gesamten Testperiode zusammen mit den Testtemperaturen bestätigt.
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Die
in Tabelle II aufgeführten
Resultate für
den Temperaturbereich 250–400°F (121–204°C) zeigen, dass
die getesteten Polymer eine Ablagerung der Partikel verhindern,
wobei dies durch die besonders geringe Dichtevariation innerhalb
des verfestigten Zements angedeutet wird. Innerhalb des Temperaturbereichs
reichte das Homopolymer des Vinylpyrrolidon nicht aus, wenn dasselbe
allein angewendet wurde, wobei diese Tatsache durch den Nullwert
für die
Viskosität
angezeigt wird, welcher während
des Testes erreicht wurde. Man darf annehmen, dass dies bei mittleren
Temperaturen vor Erreichen der Testtemperatur auf der thermalen
Verdünnung
beruht. Wenn das Homopolymer in Kombination mit dem einfach zu hydrolisierenden
Acrylamide enthaltenden Terpolymer angewendet wird, verbleiben die
Schlammviskositäten
auf einer Stufe, auf welcher eine Ablagerung nicht auftritt. Die
Resultate zeigen ausserdem, dass das Anwenden einer geeigneten Menge
des Terpolymers in Kombination mit Zuschlagstoffen, welche nicht übermässig dispersieren,
eine Partikelablagerung effektiv verhindern kann.
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Die
in Tabelle III aufgeführten
Resultate zeigen, dass die korrekte Kombination von Polymeren, welche durch
Hydrolyse über
den gesamten Temperaturbereich hinweg ununterbrochen Carboxylatgruppen
erzeugen, die für
das Verhindern einer Partikelablagerung bei der Testtemperatur notwendige
Schlammviskosifizierung liefern werden.