DE69204305T2

DE69204305T2 - Verfahren zum Richtbohren.

Info

Publication number: DE69204305T2
Application number: DE69204305T
Authority: DE
Inventors: Clyde Cook; Kirk L C O Halliburton Harris
Original assignee: Halliburton Co
Current assignee: Halliburton Co
Priority date: 1991-01-08
Filing date: 1992-01-06
Publication date: 1996-02-01
Anticipated expiration: 2012-01-07
Also published as: EP0494739A3; EP0494739B1; DK0494739T3; AU9008591A; NO920309L; NO920309D0; GR3018241T3; AU644709B2; US5086850A; EP0494739A2; BR9201156A; DE69204305D1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Methode zum Wechseln der Bohrrichtung in einem Bohrloch.
Beim Bohren eines Bohrlochs ist häufig wünschenswert oder erforderlich, die Richtung der Bohrlochbohrung zu wechseln. Durch Ändern der Bohrbedingungen, wie z.B. das auf den Bohrer angesetzte Gewicht oder Veränderung der Drehzahl des Bohrers, läßt sich der Winkel der Bohrlochbohrung steigern oder reduzieren; gleichfalls läßt sich solche Änderung mit Hilfe zweckdienlicher Spezialwerkzeuge realisieren, die eine Änderung der Bohrloch richtung herbeiführen können.
Gewisse Formationen führen zum Bohren des Bohrers in spezifische Richtungen. Wenn diese Richtung in einem senkrechten Bohrloch von der Vertikalen abwandert, können unerwünschte Bohrlochkrümmungen von der Vertikalen auftreten. Bei ausgerichteten Bohrlöchern, die absichtlich nach senkrechtem Bohren eines ersten Abschnitts des Bohrlochs im Winkel gebohrt werden, kann die von der Formation verursachte Richtung das Verfolgen des gewünschten Pfads erschweren. In diesen und anderen Fällen kommen häufig Spezialrichtbohrwerkzeuge zur Verwendung, wie beispielsweise Richtkeile, motorisierte gebogene Subbohrloch-Bohrerkombinationen und ähnliches. Allgemein ist/sind das Richtbohrwerkzeug oder andere Werkzeuge so ausgerichtet, daß ein Führungsloch im gewünschten Winkel gebohrt wird, der dem vorherigen, richtig ausgerichteten Bohrloch entspricht. Wenn über kurze Entfernung ein Führungsloch gebohrt wurde, wird das Spezialwerkzeug oder die Werkzeuge bei Bedarf entfernt und Bohren entlang dem neuen Pfad fortgesetzt.
Um sicherzustellen, daß die nachfolgende Bohrung dem Führungsloch folgt, ist es häufig notwendig, daß Führungsloch in einen im Bohrloch gebildeten Plug zu bohren, d.h. vor Bohren des Führungslochs wird ein Zementschlamm in das Bohrloch eingeführt, der sich dort festigen kann. Das Führungsloch wird dann im Plug gebohrt, der im Bohrloch gebildet wurde, wobei die hohe Festigkeit des Zementplugs sicherstellt, daß nachfolgendes Bohren der Richtung des Führungslochs folgt. Obwohl diese Vorgangsweise grundsätzlich erfolgreich ist, da sie gewährleistet, daß die Bohrung dem gewünschten Pfad folgt, erfordern die damit verbundenen Zementschlämme nennenswerte Wartezeiten nach ihrem Einführen, bis sich die erforderliche Stärke ergibt, die Bohren eines Führungslochs zuläßt.
Jetzt haben wir eine Zementmischung entwickelt, die solch Wartezeiten nennenswert reduziert, wodurch sich folglich die Wartezeit und somit die damit verbundenen Kosten reduzieren.
Nach dieser Erfindung wird eine schrittweise Vorgangsweise zum Ändern der Richtung einer Bohrung in einem Bohrloch vermittelt, d.h. Einführen eines Schlamms aus hydraulischem Zement in Wasser in besagtes Bohrloch an einer Stelle, wo besagte Richtung der Bohrung zu ändern ist und zwar in Mengen, die ausreichen, um dort einen Plug zu bilden; Einräumen von ausreichend Zeit, damit sich besagter Schlamm im besagten Bohrloch zu einem starren Plug verfestigen kann; Bohren eines Führungslochs in besagten Zementplug in gewünschter neuer Bohrrichtung; Weiterführen der Ausbohrung besagten Bohrlochs mit Hilfe besagten Führungslochs in besagtem Zementplug, gekennzeichnet dadurch, daß besagter Schlamm aus einer Mischung Wasser und hydraulischem Zement im Gewichtsverhältnis 0,5:1 bis 5,0:1 besteht; die Blainesche Feinheit besagten hydraulischen Zements liegt nicht unter 6.000 cm²/g und die Partikelgröße besagten hydraulischen Zements ist nicht größer als 30 Mikrons, wobei 90% besagten hydraulischen Zements Partikel mit Durchmesser nicht über 25 Mikrons, 50% besagter Partikel Durchmesser nicht über 10 Mikron und 20% besagter Partikel Durchmesser nicht über 6 Mikrons aufweisen.
Vorzugsweise besteht der hydraulische Zement aus diskreten Partikeln zementösen Materials nicht über ca. 17 Mikrons, noch bevorzugter wäre eine Größe nicht über 11 Mikrons. Die Verteilung der verschieden großen Partikel im zementösen Material, d.h. die Verteilung der Partikelgröße, bedeutet 90% haben Durchmesser nicht über ca. 25 Mikrons, vorzugsweise ca. 10 Mikrons und noch bevorzugter ca. 7 Mikrons, 50 % Durchmesser nicht über ca. 10 Mikrons, vorzugsweise ca. 6 Mikrons und noch bevorzugter ca. 4 Mikrons; 20 % der Partikel haben Durchmesser nicht über ca. 5 Mikrons, vorzugsweise ca. 3 und noch bevorzugter ca. 2 Mikrons.
Die Partikelgröße des hydraulischen Zements läßt sich gleichfalls als Oberfläche pro Gewichtseinheit einer gegebenen Materialprobe ausdrücken. Dieser Wert, der auch Blainesche Feinheit oder spezifische Oberfläche genannt wird, läßt sich als Einheit von Quadratzentimeter pro Gramm (cm²/g) ausdrücken; sie ist eine Angabe der Fähigkeit des zementösen Materials, andere Materialien chemisch zu beeinflussen. Es wird davon ausgegangen, daß die Reaktivität mit zunehmender Blainescher Feinheit ansteigt. Die Blainesche Feinheit des bei der Zementiermethode dieser Erfindung zur Verwendung kommenden hydraulischen Zementstoffs liegt nicht unter 6000 cm²/g. Dieser Wert liegt vorzugsweise über 7000, besser noch über 10.000 und idealerweise über 13.000 cm²/g.
Zementöses Material von Partikelgröße und Feinheit, wie sie oben erläutert sind, werden in verschiedenen existierenden US Patenten eröffnet, darunter in US 4,761,183 nach Clarke, wie hier erörtert auf Schlacke und Mischungen von Portlandzement bezogen sowie US 4,160,674 nach Sawyer, das sich auf Portlandzement bezieht. Das zur Verwendung mit dieser Erfindung bevorzugte zementöse Material ist Portlandzement und Verbindungen davon mit Schlacke, wobei die Menge von Portlandzement, die jede Mischung von Portlandzement und Schlacke enthält, die für die Vorgangsweise dieser Erfindung verwendet wird, so gering wie 10 % sein kann, vorzugsweise jedoch nicht unter 40 % liegt, besser sind ca. 60 %, besser noch ca. 80 %. Idealerweise sind nicht weniger als 100 % Portlandzement nach Gewicht der Mischung zu verwenden.
Die große Oberfläche des Zementstoffs dieser Erfindung, d.h. die Blainesche Feinheit, macht ihn reaktiver als Zementstoffe mit niedrigerer Blaineschen Feinheit; dementsprechend können größere Wassermengen verwendet werden, als herkömmlicherweise bei Bohrlochzementierarbeiten zur Verwendung kommen, wodurch Schlämme mit niedrigerer Dichte und Viskosität formuliert werden können, ohne inakzeptablen Verlust der Leistungsfähigkeit in Kauf nehmen zu müssen.
So lassen sich also nützliche Schlämme mit Gewichts/Wasserverhältnissen pro Gewichteinheit zementösen Materials im Bereich von ca. 0,5 bis ca. 5,0, jedoch vorzugsweise von ca. 1,0 bis 1,75 und idealerwelse von ca. 1,00 bis ca. 1,5 formulieren. Wasser-/Zement-Verhältnisse über ca. 1,75 und bis zu 5,0 können für hochspezialisierte Anwendungen formuliert werden, wo Schlämme äußerst geringer Dichte und Viskosität benötigt werden. Zu beachten ist jedoch, daß Schlämme mit solch hohen Wasserverhältnissen zur freien Wasserabscheidung und übermäßigem Setzen von Festkörpern neigen. Zur Kontrolle der freien Wasserabscheidung und Setzung von Festkörpern können Additive verwendet werden.
Die Schlammdichten der feinen Zementstoffe, d.h. geringe Partikelgröße, dieser Erfindung sind wegen der hohen Wasserverhältnisse, die zum Netzen aller Oberflächen des Feinzements erforderlich sind, niedriger, als bei Zementstoffen mit herkömmlicher Partikelgröße. Die Druckfestigkeit der gehärteten Schlämme mit niedrigerer Dichte sind jedoch zufriedenstellend, insbesondere wegen der größeren Reaktivität der Feinzementstoffe.
Angesichts des Bereichs der Wasser-/Zement-Verhältnisse, die oben eröffnet wurden, können die Schlämme, die mit dem Feinzement dieser Erfindung formuliert werden, in den Bereich von ca. 9,4 bis ca. 14,9 fallen, liegen jedoch vorzugsweise zwischen ca. 11,0 bis ca. 12,5 und idealerweise im Bereich von ca. 11,5 bis 12,5 Pfund pro Gallone Schlamm.
Neben der hier verfügbaren niedrigen Schlammdichte liegt ein besonderer Vorteil darin, daß die hohen Wasserverhältnisse niedrige Hydrationswärme erzeugen. Somit ist der hydraulische Zement mit feinen Partikelgrößen dieser Erfindung nützlich für die Durchführung von Zementiervorgängen und insbesondere bei primären Zementiervorgängen neben Strukturen, die bei Anwesenheit erzeugter Wärme u.U. unerwünschter Zersetzung ausgesetzt sind. Beispiele solcher Strukturen sind u.a. Permafrost und Gashydratzonen.
Ein weiterer spezieller Vorteil, der sich aus dem Gebrauch von Portlandzement feiner Partikelgröße dieser Erfindung ergibt, ist die festgestellte unerwartete Expansion des Zements während der Härtung.
Es wird davon ausgegangen, daß diese wünschenswerte Expansion des Portlandzements mit feiner Partikelgröße auf seine chemische Zusammensetzung zurückzuführen ist, insbesondere auf die hohe Konzentration von kristallinischem Trikalziumaluminat (C&sub3;A) und Sulfaten, die dort vorkommen. Als Beispiel siehe Tabelle VII. Es wird davon ausgegangen, daß Portlandzement mit maximaler Partikelgröße von ca. 11 Mikrons, Blainescher Feinheit von vorzugsweise über 10.000 cm²/g, einem C&sub3;A-Gehalt von vorzugsweise über 3,0 % oder mehr und einem Sulfatgehalt von vorzugsweise ca. 1,0 % oder mehr Expansionsmerkmale aufweist, die bei einer Ölfeldzementierung wünschenswert sind.
Schlämme aus Wasser und feinkörnigem Zement dieser Erfindung, wie er oben erläutert wird, sind besonders zum Durchdringen, Füllen und Härten in feinen Löchern, Rissen und Hohlräumen geeignet, wie sie in Bohrlochverrohrungen, Zementmänteln, Kiespackungen und unterirdischen Formationen im Bereich eines Bohrlochs angetroffen werden. Beispielhaft wird davon ausgegangen, daß solche Schlämme zum Durchdringen unterirdischer Formationen mit effektiver Durchlässigkeit von ca. 3000 bis über 5000 Millidarcy nützlich sind. Dementsprechend kann ein Zustand, der als Wasserauftrieb bekannt ist, bei dem Wasser aus einer unterirdischen Formation in einem Bohrloch aufgetrieben wird, durch Eindrücken eines Schlamms aus feinkörnigem Zement dieser Erfindung in die Formationen, die dieses Wasser hervorbringen, gestemmt werden, wobei die Formation, in die eingedrungen werden soll, eine effektive Durchlässigkeit von nur 3000 bis 5000 Millidarcy aufweisen kann.
Wie schon erwähnt, steht die Härtungsrate des feinen Zements dieser Erfindung im Verhältnis zur Blaineschen Feinheit, wobei die Härtungsrate mit zunehmender Blaineschen Feinheit ansteigt. Zusätzlich steht die Härtungsrate im Verhältnis zum spezifischen zementösen Material, das zur Verwendung kommt sowie zur Temperatur der Umgebung, wo der Härtungsprozeß stattfindet. Somit härtet sich feinkörniger Portlandzement schneller in Umgebungen mit geringer Temperatur im Bereich von ca. -1ºC bis +38ºC, als feinkörniger Schlackezement, der nachfolgend umschrieben wird. Portlandzement härtet sich gleichfalls schneller bei höheren Temperaturen, als Schlackezement.
Dementsprechend können spezielle Schlämme aus feinem Zement zur Anpassung an spezifische Umgebungen Mischungen von Portlandzement und Schlacke umfassen, die den schon eröffneten Konzentrationen entsprechen. Allgemein gilt, daß längere Härtungszeiten durch Erhöhen des Schlackegehalts bei gleichzeitiger Reduktion der Druckfestigkeit und/oder Erhöhung der Schlammdichte oder beides realisiert werden können.
Bei Bildung eines Plugs in einem Bohrloch zum Ermöglichen und Gewährleisten einer gewünschten Bohrrichtung, kann es sich beim gemäß dieser Erfindung verwendeten Feinzement um Schlackezement, Portlandzement oder eine Mischung beider handeln. Vorzugsweise wird jedoch Portlandzement verwendet, da Portlandzement sich schneller härtet und hohe Druckfestigkeit entwickelt. Nach Einführen in das Bohrloch entwickelt der Feinzementschlamm kurzfristig hohe Stärke und reduziert somit die Wartezeit. Genau gesagt reduziert sich die Zementhärtungszeit (WOC) nennenswert im Vergleich zu bisher verwendeten herkömmlichen Portlandzementschlämmen, wodurch gleichfalls Bohrkosten nennenswert reduziert werden. Bei Umgebungen mit niedrigen Temperaturen kann sich die Wartezeit um bis zu fünfzig Prozent (50 %) reduzieren.
Die gewöhnlichen Bohrlochzementieradditive können mit zementösen Stoffen dieser Erfindung verbunden werden, um die gewünschten Resultate zu realisieren. Um die Dispersion individueller zementöser Partikel in einem Schlamm zu unterstützen und somit der Bildung eines größeren Partikels durch Zusammenballung oder Verklumpen entgegenzuwirken, kann beispielsweise ein Dispersionsmittel zum Wasserschlamm des Zements dieser Erfindung in solchen Mengen hinzugegeben werden, daß eine adäquate Dispersion erfolgt. Eine effektive Menge beinhaltet Volumen bis zu 1,5 Teile nach Gewicht Dispersionsmittel pro 100 Teile nach Gewicht zementösen Materials. Ein solches Dispersionsmittel wird unter dem Namen CFR-3 angeboten, ein weiteres unter dem Namen Halad-322, die beide in US Patentschrift 4,557,763 nach George u.a. eröffnet wird. Auf diese Eröffnung wird hiermit als Referenz Bezug genommen. Angesichts eines der Hauptbeweggründe dieser Erfindung, d.h. der Vermittlung eines Partikelschlamms, der in äußerst kleine Öffnungen eindringt und dennoch adäquate Druckfestigkeit entwickelt, wird der Verwendung eines Materials, daß die Gewährleistung der Partikeldispersion fördert, im Rahmen dieser Erfindung größte Bedeutung beigemessen.
Weitere Additive, die herkömmlicherweise bei der Zementierung in Bohrlöchern Verwendung finden und die hier genutztwerden können, umfassen u.a. Antischaummittel, Flüssigkeitsverlustmittel, Umlaufverlustadditive, Expansionsadditive, Härtungsbeschleunigungsmittel (obwohl diese normalerweise überflüssig sind) und Härtungsverzögerungsmittel, die u.U. besonders nützlich sind, wo Umgebungen mit besonders hohen Temperaturen angetroffen werden. Die Härtungszeit von Portlandzement, der die für dlese Erfindung erforderliche Feinkörnigkeit aufweist, muß u.U. bei höheren Umgebungstemperaturen verzögert werden. Dementsprechend werden herkömmliche Linosulfonate als nützlich für die Realisierung der erforderlichen Verzögerung angesehen. Weitere Additive können zur Reduktion der Schlammdichte der Zementzusammensetzung dieser Erfindung verwendet werden. Solche leichten Additive umfassen u.a. Stickstoff, Perlit, Flugasche, Silikatrauch, Mikrosphären und ähnliches. Es herrscht die Überzeugung, daß eine Verbindung aus feinkörnigem Zement, Wasser und Additiven einen kompetenten Schlamm mit Dichte von nur 9 Pfund pro Gallone erzeugt, der ausreichend Druckfestigkeit für den Einsatz in Ölfeldern realisiert.
Bei hohen Umgebungstemperaturen im Bereich der Bohrlochzementierung, wie z.B. 109ºC oder höher, ist es u.U. notwendig, ein Material in den Schlamm einzubinden, das dem Verlust der Druckfestigkeit des gehärteten Zements über einen gewissen Zeitraum - ein Zustand, der als Retrogression der Druckfestigkeit bekannt ist - vorbeugt. In einer spezifischen Form wird ein Zement in ein verschaltes Loch bei einer geothermischen Formation oder einer Formation eingeführt, in die Dampf eingeführt wird, der Temperaturen bis zu ca. 312ºC ausgesetzt ist. Solch extrem hohe Temperaturen können zum Verlust der Druckfestigkeit im gehärteten Zement führen. Durch Verwendung des feinkörnigen, vorzugsweise Portlandzements dieser Erfindung in Verbindung mit Silikatmehl, einer kristallinischen Form von Siliziumdioxid (SiO&sub2;), wird Retrogression der Druckfestigkeit verhindert oder wenigstens im Ausmaß reduziert. Dieses Material wird dem Schlamm in effektiver Menge zur Reaktion mit dem hydraulischen Zement hinzugegeben, um die Verhinderung der Entwicklung von Retrogression der Druckfestigkeit zu unterstützen. Heutiger Auffassung entsprechend liegt solch eine effektive Menge im Bereich von ca. 0,15 bis ca. 1,0 und vorzugsweise bei ca. 0,35 kg Silikatmehl pro kg hydraulischem Zement.
Neben dem leichten Gewicht der Schlämme, niedriger Viskosität, guter Druckfestigkeit und kleiner Partikelgröße liegt ein weiterer Vorteil dieser Erfindung in den nachweislichen thixotropischen Eigenschaften des Schlammes. Dementsprechend unterstützen die thixotropischen Eigenschaften eines Schlammes, der vorzugsweise ausschließlich aus feinkörnigem Portlandzement besteht, die Verhinderung unerwünschter Flüssigkeitsabwanderung, besonders unerwünschte Gasabwanderung,während sich der Schlamm im ungehärteten, plastischen Zustand befindet.
Die nachfolgenden Tabellen enthalten Angaben und Daten über die chemischen, physikalischen und Leistungsmerkmale von vier hydraulischen Zementstoffen. Bei drei dieser Zementstoffe handelt es sich um Portlandzement, der vierte ist Schlackezement. Einer dieser Zementstoffe, gekennzeichnet als API Güte A, fällt infolge seiner Partikelgröße außerhalb des Umfangs dieser Erfindung. Die restlichen drei Zementstoffe fallen In den Umfang dieser Erfindung.
Tabellen I und II vermitteln physikalische Daten, incl. Analysen der spezifischen Oberfläche, spezifischen Schwere, Mischung und Partikelgröße.
Tabellen III und IV vermitteln Leistungsangaben, incl. Druckfestigkeit, die von den angegebenen Schlämmen entwickelt wird sowie Durchdringung der angegebenen Schlämme.
Tabellen V, VI, VII und VIII vermitteln die chemische Zusammensetzung, wie sie durch verschiedene Analysen bestimmt wurde.
Tabelle IX vermittelt eine chemische Analyse von Hochwertzement, wie er in US Patentschrift 4,160,674 nach Sawyer eröffnet wird. TABELLE I Vergleich von Zementstoffen Name des hydraulischen Zementstoffs Typ Spezifische Oberfläche Blaine, cm²/g Spezifische Schwere g/cm³ Schlackegehalt Gewicht % Ultra Fine Güte A White Portland SLAG/Portland TABELLE II Vergleich von Zementstoffen Partikelgrößenanalyse* Prozent durch die Öffnung Name des hydraulischen Zementstoffs Typ Max. Mikrons Ultra Fine API Güte A White Portland SLAG/Portland *Halvern 3600 Ec Partikelgrößenanalysator TABELLE III Vergleich der Eigenschaften von Wasserschlämmen aus hydraulischen Zementstoffen psi Druckstärke nach 24 Std. Härtung @ 80ºF Name des hydraulischen Zementstoffs Typ Zement Wasser Dichte, lb/gal Ultra Fine API Güte A White Portland SLAG/Portland
Anmerkungen: 1) 0,02 lb Bentonit, 0,01 lb Kalziumchlorid
2) 0,01 lb CFR-3 Dispersionsmittel
3) Für gewerblichen Einsatz kann Schlamm ausreichender Dichte die angegebene Druckstärke nicht erzeugen.
4) 0,39 lb strukturloses Silikat, 0,39 lb. Pozmix, 0,01 lb Kalziumchlorid
* Die Anforderung der Texas Railroad Commission für Primärzementierung von Oberflächenverschalungen TABELLE IV Vergleich der Eigenschaften von Wasserschlämmen aus hydraulischen Zementstoffen Durchdringen des Schlamms durch* einen 2" langen, 0,003" breiten Schlitz bei 90 psi Druck Name des Hydraulischen Zementstoffs Typ Menge,cm3 Zeit, s Schlammprozent Zement lb Wasser lb Shlammdichte² lb./gal Stärke 24 Std. PSI Ultra Fine API Güte A White Portland SLAG/Portland
Anmerkungen 1 0,01 lb CFR-3 Dispersionsmittel
2 Die ausgewählten Dichtewerte sind als gewerblicher Standard zu betrachten, basierend auf der zum Verhindern übermäßiger Festkörpersetzung eforderlichen Wassermenge - d.h. Wasserabscheidung. Wasseranforderungen sind eine Funktion der Zementfeinheit.
3 Dichte von 1,25 ist gewerblich infolge zu starker Setzung unpraktisch.
Anmerkung: Durchdringungsprüfungen wurden durch Eingießen von 140 cm³ Schlamm in eine Zelle realisiert, die an ihrer Unterseite eine gehärtete Stahlplatte enthält. Über den gesamten 0.003" Durchmesser der Platte wurde ein Schlitz von 2" Breite gelegt. Der Zementschlamm wurde mit 90 PSI Druck durch den Schlitz gedrückt. Der Prozentsatz ist die Menge des Gesamtvolumens, das in die Zelle eingedrungen ist. Da beispielsweise 140 cm³ von Capitol Ultra Fine in die Zelle eingedrungen ist, sind 7,1% oder 10 cm³ in den Schlitz eingedrungen, bevor sich dieser verstopft hat. TABELLE V Leuchtstoff-Röntgenanalyse des hydraulischen Zementstoffs Name des hydraulischen Zementstoffs Percent Oxidkomponenten Ultra Fine API Güte A White Verlust bei Zündung TABELLE VI Bestandteil Zementmischkonzentration, Prozentsatz nach Boguescher Berechnung aus Oxidkomponenten in Tabelle V Ultra Fine API Güte A White Freier Kalk * Kann wegen zu hohem Al- und Si-Gehalt nich berechnen TABELLE VII Quantitative Röntgen-Diffraktionsanalyse hydraulischer Zementstoffe Name des hydraulischen Zementstoffs Extraktkomponente Kristallinische Komponente Ultra Fine % API Güte A % White % Silikate Sulfates Aluminioferriten Syngenit Periklas Dolomit Quartz * Komponente sind grundsätzlich nichtkristallinisch und können deshalb nicht mengenmäßig untersucht werden 1 Kubikkristallinische Form 2 Orthorhombische Kristallform TABELLE VIII Verschiedene Angaben Name des hydraulischen Zementstoffs Maß Ultra Fine % API Güte A % White % Unlöslicher Rückstand Gesamtalkalien Gesamt H&sub2;o lösl. Alkalien Unterschied Thermal Aalyse Gips Hemihydrat
Unter Bezugnahme auf Tabellen I, II, III, IV, V, VI, VII und VIII oben wird hier in herkömmlicher Tabellenform ein Vergleich zwischen unterschiedlichen Eigenschaften der vier verschiedenen zementösen Stoffe, die alle hydraulische Aktivitäten aufweisen, angestellt. Die hier verwendeten Begriffe "hydraulische Aktivität" und "Reaktivität" bedeuten die chemische Art des zu härtenden Materials nach Mischung mit Wasser, ohne Kontakt mit der Atmosphäre (wie z.B. die Fähigkeit, sich unter Wasser zu festigen), d.h. infolge des Zusammenspiels der Bestandteile des Materials und nicht durch Verdunsten des Wassers. Der hier verwendete Begriff "hydraulischer Zement" bedeutet alle anorganischen zementösen Stoffe bekannter Art, die sich aus Kalzium, Aluminium, Silizium, Sauerstoff und/oder Schwefel zusammensetzen, die eine "hydraulische Aktivität" aufweisen, d.h. die sich bei Anwesenheit von Wasser festigen und härten. Zementstoffe dieser Art umfassen u.a. Portlandzement, schnell oder ultraschnell härtende, sulfatwiderstandsfähige Zementstoffe, modifizierte Zementstoffe, Aluminatzementstoffe und Zementstoffe, die Sekundärkomponenten enthalten, wie beispielsweise Flugasche, Pozzalona und ähnliche. Siehe beispielsweise Roca u.a., US 4,681,634. Es gibt anorganische zementöse Stoffe anders als die in Tabellen I - VIII beispielhaft aufgeführten, die gleichfalls hydraulische Aktivität aufweisen. Diese Erfindung beschränkt sich jedoch vorzugsweise auf die in Tabelle I - VIII aufgeführten Arten.
Dementsprechend wird Portlandzement, einer der in den Tabellen aufgeführten Stoffe, durch Sintern (Wärmebehandlung) einer gemahlenen Mischung von Rohstoffen hergestellt, wovon einer normalerweise hauptsächlich aus Kalziumcarbonat (als Kalkstein) und ein anderer hauptsächlich aus Aluminiumsilikaten (als Ton oder Schiefergestein) besteht, um eine Mischung aus Kalk, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid und eisenhaltigem Oxid zu erzeugen. Während des Sinterverfahrens kommt es zu chemischen Reaktionen, die Knotenpunkte, Klinker genannt, erzeugen, die sich grundsätzlich aus vermischten Kalziumsilikaten (C&sub2;S und C&sub3;S), Kalziumaluminaten (C&sub3;A) und Kalziumaluminoferriten (C&sub4;AF) zusammensetzen, die insgesamt zur hydraulischen Aktivität von Portlandzement beitragen. Als Beispiel, siehe Braunauer, US 3,689,294; Buchet u.a., US 4,054,460 und Gartner, US 4,619,702. Ein Beispiel einer chemischen Analyse von Portlandzementklinker wird von Skvära in US 4,551,176 wie folgt vermittelt: Bestandteil Gewicht-Prozent
Nach dem Sintern werden die Klinker mit Additiven, darunter beispielsweise eine Menge von Kalziumsulfatdihydrat (Gips), auf eine spezifische Oberflächengröße von bis zu 10 000 cm²/g oder größer gemahlen, auch Blainesche Feinheit genannt, um die Härtungszeit zu regeln. Normalerweise reicht Mahlen aus, um eine spezifische Oberflächengröße von ca. 2500 bis 5000 cm²/g zu erzeugen, wobei 3000 bis 4500 cm²/g der normale Blainesche Feinheitsgrad für Portlandzement ist. Als Beispiel, siehe Gartner, US 4,619,702; Miyoshi u.a., US 4,443,260; Buchet u.a., US 4,054,460 und Braunauer, US 3,689 294.
Portlandzementstoffe werden von der American Society of Testing Materials (ASTM) in fünf Hauptgruppen aufgegliedert, die durch die römischen Ziffern I, II, III, IV und V gekennzeichnet sind. Das American Petroleum Institute gruppiert sie in mindestens 9 Gruppen, die mit den Buchstaben A, B, C, D, E, F, G, H und J gekennzeichnet sind. Diese Gruppierungen beruhen auf der chemischen Zusammensetzung und den physikalischen Merkmalen.
Sawyer in US 4,160,674 eröffnet speziell einen Hochwertzement, der frühzeitig eine hohe Druckstärke aufweist, wobei größtenteils alle Partikel im Zement eine Größenordnung von ca. 20 Mikron und kleiner aufweisen; die Bainesche Feinheit liegt bei ca. 8990 cm²/g und die spezifische Schwere ist 3,00. Sawyer vermittelt eine Analyse des Hochwertzements, auf das als "Feinprodukt" Bezug genommen wird. Die Analyse erscheint in Tabelle IX unten. Tabelle IX Chemische Analyse - Feinprodukt Zusammensetzung - Mischung Verlust Summe Kalkfaktor Silikatverhältnis Unlöslicher Rückstand Freies CaO Gesamtalkalien
Galer u.a. in US 4,350,533 vermitteln die folgenden Abkürzungen für chemische Formeln von Zementmischungen nach allgemeiner Praxis der Zementindustrie:
C = Kalziumoxid (CaO)
A = Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;)
F = Eisenoxid (Fe&sub2;O&sub3;)
M = Magnesiumoxid (MgO)
S = Siliziumdioxid (SiO&sub2;)
K = Potassiumoxid (K&sub2;O)
TEXT FEHLT die Fähigkeit, nach Reduktion seiner Größe durch Mahlen von 1 bis 5 mm auf Feinpartikelgröße im Bereich von 1 bis ca. 100 Mikrons hydraulische Aktivität aufzuweisen. Viele Kommentatoren, darunter auch Clarke in US 4,761,183 und Forss in US 4,306,912 geben an, daß der Glasgehalt des Materials hoch und vorzugsweise über 95 Prozent liegen muß, um latente hydraulische Aktivität aufweisen zu können.
Die Kristallisierung des geschmolzenen Hochofennebenprodukts kann verhindert und die unterkühlte Flüssigkeit oder das Glas können durch schnelles Abkühlen des Schmelzabfalls gebildet werden. Dieses schnelle Abkühlen läßt sich durch Besprühen des Schmelzabfalls mit Wasserstrahlen realisieren. Diese Maßnahme führt zur schnellen Verfestigung und Bildung eines Wasserschlamms aus kleinen, gläsrigen sandähnlichen Partikeln. Der Schlamm wird dann thermisch getrocknet, um den größten Teil der Feuchtigkeit zu entfernen, wodurch eine Trockenmischung grober Partikel entsteht. Diese Trockenmischung von Partikeln mit Partikelgrößen im Bereich von 1 bis 5 mm, wird dann zum Reduzieren der Partikelgröße auf Werte im Bereich 1 bis ca. 100 Mikrons und vorzugsweise kleiner als 325 Maschen (45 Mikrons) gemahlen, um das granulierte Hochofennebenprodukt zu erzeugen, das als "Schlacke" bezeichnet wird. Als Beispiel siehe Miyoshi u.a., US 4,443,260; Allemand u.a., US 3,809,665; Buchet u.a., US 4,054,460; Gee u.a., US 4,242,142; Clarke, US 4,761,183 und Forss, US 4,306,912.
Clarke '183 und Miyoshi u.a. in US 4,306,910 eröffnen die folgende Analyse, die laut ihrer Aussage die Normalbereiche der chemischen Zusammensetzung von Schlacke darstellen. Gewicht-Prozent Bestandteil Clarke Miyoshi
Weiterhin gibt Clarke an, daß die Dichte der Schlacke als 2,92 g/cm³ erkannt wird.
Yamaguchi u.a. vermitteln eine weitere Analyse von Schlacke in US 3,904,568 wie folgt: Bestandteil Gewicht-Prozent
Miyoshi u.a. geben in '910 an, daß die hydraulische Aktivität von Schlacke gering ausfällt, wenn sich die Partikelgröße der Schlacke im Bereich von 1 bis 5 mm befindet. Dementsprechend suggerieren die Autoren, daß die Partikelgröße der Schlacke durch Mahlen auf einen Wert von mindestens 5 Mikrons oder kleiner reduziert wird; sie geben weiter an, daß die Schlacke an sich auch nach dem Mahlen entweder keine oder nur geringe hydraulische Aktivität aufweist. Deshalb ist eine Aktivierung oder Stimulierung erforderlich, wie beispielsweise durch einbinden von gelöschtem Kalk (CaO H&sub2;O). Weitere Additive zur Stimulierung oder Aktivierung der hydraulischen Aktivität von Schlacke sind u.a. Natriumoxid, Natriumsulfat-Natriumcarbonat, Natriumsilikat, Potassiumsulfat und Portlandzement. Für Beispiele, siehe Clarke, US 4,761,183 und Clarke, US 4,897,119.
Laut Forss in US 4,306,912 kann Mahlen der Schlacke auf eine hohe spezifische Oberfläche, wie z.B. im Bereich von ca. 4000 bis 8000 cm²/g, die hydraulische Aktivität und Härtungsrate des Materials erhöhen. Forss gibt gleichfalls zu verstehen, daß bekannterweise Mahlen von Zementklinkern über einen gewissen Grenzwert hinaus keine weiteren Vorteile bringt, da zusätzliche Feinheit die Merkmale von Härtung und Stärke kaum verbessern. Andererseits geben Birchall u.a. in US 4,353,747 an, daß die Stärke von Portlandzement durch Reduktion der durchschnittlichen Partikelgröße nach Gewicht von Portlandzement auf einen Wert unter 20 Mikrons verbessert werden kann.
Die bevorzugte Vorgangsweise, die zur Ausführung der Methode dieser Erfindung zu befolgen ist, entspricht dem Folgenden:
1. Der ultrafeine Zementschlamm ist bis zum Boden und/oder einer anderen Stelle im Bohrloch, wo die Richtung des Bohrlochs zu ändern ist, in das Bohrloch einzupumpen (generell durch das Bohrerrohr).
2. (Wahlweise) Eine chemische Vorspüllauge oder "Abstand" wird eingepumpt, die als Spülschlammentfernungsmittel und als kompatible Abstandsmasse zwischen Bohr- und Zementschlamm dient.
3. Dem Zementschlamm folgt eine Verdrängungsflüssigkeit (wie z.B. Wasser oder Spülschlamm), womit der Zementschlamm durch das Bohrerrohr an die gewünschte Stelle im Bohrloch befördert wird.
4. Die Arbeiten im Bohrloch werden für ausreichend Zeit eingestellt, damit sich der Zementschlamm festigen und die erforderliche Druckstärke (WOC-Zeit) entwickeln kann.
5. (Wahlweise) Ein Sonderrichtbohrwerkzeug wird an der Oberseite des Zementplugs angesetzt der im Bohrloch gebildet wurde.
6. Ein Führungsloch mit gewünschter Ausrichtung wird durch den Zementplug gebohrt.
7. (Wahlweise) Das Sonderrichtbohrwerkzeug wird entfernt.
8. Der normale Bohrvorgang wird wieder aufgenommen, wobei das Bohrloch in der Richtung gebohrt wird, die vom Führungsloch im Zementplug vorgegeben wird.
Die Vorgangsweisen zum Bestimmen von Menge, Ausgußmethoden, Mischund Einspritzeinrichtungen und -vorgänge sind Fachkundigen ausreichend bekannt.

Claims

1. Eine Vorgangsweise zum Ändern der Bohrrichtung in einem Bohrloch, bestehend aus den Schritten der Einführung eines Schlamms aus hydraulischem Zement in Wasser in besagtes Bohrloch an einer Stelle, wo besagte Bohrrichtung zu ändern ist und in Mengen, die zum Bilden eines Plug im Bohrloch ausreichen; Härten besagten Schlammes zu einem starren Plug in besagtem Bohrloch; Bohren eines Führungslochs durch besagten Zementplug in gewünschter neuer Bohrrichtung; Fortsetzung des Ausbohrens besagten Bohrlochs mit Hilfe besagten Führungslochs in besagtem Zementplug, gekennzeichnet dadurch, daß besagter Schlamm aus einer Mischung Wasser und hydraulischem Zement im Gewichtsverhältnis 0,5:1 bis 5,0:1 besteht, während die Blainesche Feinheit besagten hydraulischen Zements nicht unter 6000 cm²/g liegt und die Partikelgröße besagten hydraulischen Zements nicht über 30 Mikrons ausfällt, während 90 % der Partikel des hydraulischen Zements Durchmesser nicht über 25 Mikrons, 50 % besagter Partikel Durchmesser nicht über 10 Mikrons und 20 % besagter Partikel Durchmesser nicht über 6 Mikrons haben.

2. Eine Vorgangsweise nach Anspruch 1, wobei besagter hydraulischer Zement eine Mischung aus Schlacke und Portlandzement ist.

3. Eine Vorgangsweise nach Anspruch 2, wobei die Partikelgröße besagter hydraulischer Zementmischung nicht über 17 Mikrons und die Blainesche Feinheit nicht geringer als 7000 cm²/g ist; 90 % besagter Partikel Durchmesser nicht über 10 Mikrons, 50 % besagter Partikel Durchmesser nicht über 6 Mikrons und 20 % besagter Partikel Durchmesser nicht über 3 Mikrons haben.

4. Eine Vorgangsweise nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei besagtes Gewichtsverhältnis von Wasser und Zement im Bereich 1,0:1 bis 1,75:1 liegt.

5. Eine Vorgangsweise nach Anspruch 1, wobei besagter Zement Portlandzement ist.

6. Eine Vorgangsweise nach Anspruch 5, wobei die maximale Partikelgröße besagten Portlandzements 11 Mikrons und die Blainesche Feinheit 10000 cm²/g ist; 90 % besagter Partikel Durchmesser nicht über 7 Mikrons, 50 % besagter Partikel Durchmesser nicht über 4 Mikrons und 20 % besagter Partikel Durchmesser nicht über 2 Mikrons haben.

7. Eine Vorgangsweise nach Anspruch 5 oder 6, wobei der C&sub3;A Kristallgehalt besagten Portlandzements mindestens 3,0 % nach Gewicht besagten Zementstoffs und der Sulfatgehalt besagten Portlandzements mindestens 1,0 % nach Gewicht besagten Zementstoffs ist.

8. Eine Vorgangsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Führungsloch mit einem oder mehreren Richtbohrwerkzeugen in besagten Zementplug gebohrt wird.

9. Eine Vorgangsweise nach Anspruch 8, wobei ein oder mehrere ausgerichtete Richtbohrwerkzeuge zum Bohren besagten Führungslochs in gewünschter neuer Richtung gebohrt wird, wonach das eine oder die mehreren besagte(n) Bohrwerkzeug(e) aus besagtem Bohrloch entfernt wird.