DE69210941T2 - Bohrloch-Zementierungszusammensetzungen und ihre Verwendung - Google Patents

Bohrloch-Zementierungszusammensetzungen und ihre Verwendung

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Description

  • Diese Erfindung betrifft eine Bohrlochzementzusammensetzung sowie eine Vorgangsweise der Verwendung der Zusammensetzungen beim Zementieren von Öl- und Gasbohrlöchern.
  • Bei in Öl-, Gas- und anderen Bohrlöchern ausgeführten Zementierungsarbeiten werden hydraulischer Zement und verschiedene Additive mit ausreichend Wasser vermischt, um einen pumpfähigen Schlamm zu bilden, der dann durch das die Zone durchdringende Bohrloch in die zu zementierende, unterirdische Zone gepumpt wird. Nach solchem Einführen festigt sich der Zementschlamm in eine feste Masse.
  • Beim primären Zementieren, wobei Verrohrung und/oder eine oder mehrere Ausschalungen im Bohrloch miteinander verbunden werden, wird Zementieren durch Einführung einer Zementzusammensetzung in den Ringraum zwischen Verrohrung und/oder Ausschalungen und dem Bohrloch durchgeführt. Allgemein wird die Zementzusammensetzung durch die Verrohrung und/oder Ausschalung bis an ihr unteres Ende abwärts gepumpt und von dort aufwärts in den Ringraum.
  • Bei Bohrlöchern, die in oder durch Hochdruckformationen gebohrt werden, muß die beim Zementieren in den Formationen verwendete Zementzusammensetzung eine hohe Dichte aufweisen, um hohen hydrostatischen Druck zu vermitteln und somit Blowout zu verhindern. Bei Bohrlöchern, die in oder durch Niederdruckformationen gebohrt werden, ist es allgemein unratsam, die Formationen hohen hydrostatischen Drücken auszusetzen, da diese Formationen zersetzen können, was zum Verlust der Zementzusammensetzungen führen würde. Aus diesem Grund werden beim Zementieren von Bohrlöchern, die in und durch Niederdruckformationen verlaufen, vorzugsweise leichte Zementzusammensetzungen verwendet.
  • In den meisten Bohrlöchern enthält eine oder mehrere der von Bohrloch durchdrungenen, unterirdischen Formationen unter Druck stehendes Gas. Wenn die Primärzementierung im Ringraum durchgeführt wird, kann Gas die Zementzusammensetzung durchdringen, was zur Gasabwanderung führt. Gasabwanderung beginnt normalerweise, während sich die Zementzusammensetzung festigt, d.h. während der Zeit, in der sich die Zementzusammensetzung von einer hydrostatischen Flüssigkeit in einen Festkörper verwandelt. Wenn die Zementzusammensetzung dem Gasdruck während diesem Festigungsprozeß nicht standhalten kann, können sich Kanäle in der teilweise gefestigten Zusammensetzung bilden, durch die Gas durch die Säule zwischen den Formationen und/oder an die Oberfläche strömen kann.
  • Um sowohl schwere wie leichte Zementzusammensetzungen zu schaffen, die verbesserte Eigenschaften aufweisen, die zur Folge haben, daß die Zusammensetzungen der Gasabwanderung widerstehen, bei hoher Temperatur geringe Stärkeretrogression aufweisen und sich nicht ohne weiteres ablagern oder separieren, wurde fein abgetrennter, strukturloser Silikastaub in die Zementzusammensetzung mit aufgenommen. So eröffnet beispielsweise US Patent Nr. Re. 32,742, veröffentlicht am 6. September 1988, eine leichte Bohrlochzementzusammensetzung, in der strukturloser Silikastaub, der im Laufe der elektrothermischen Zubereitung von Ferrosilizum oder ähnlichem bezogen wurde, mit aufgenommen wurde. Solche Silikastaubpartikel haben normalerweise eine spezifische Oberfläche von 18 bis 22 Quadratmeter pro Gramm (m²/g). Nach und während der Festigung ist die Zementzusammensetzung größtenteils gasdicht (verhindert Abwandern des Gases) und vermittelt hohe Verdichtungsstärke.
  • WO 90/11977 beschreibt einen Vorgang des Beimischen von Siliziumoxid zu einem hydraulischen Zementschlamm, insbesondere zum Zementieren von Bohrlöchern, gekennzeichnet durch strukturloses Silika mit Partikel kleiner als 1 Mikrometer, die mit Wasser in ein flüssiges Mikrosilika vermischt werden, ein Silikamehl mit Partikeln von 2 bis 200 Mikrometer, das besagtem flüssigen Mikrosilika beigemischt wird, wonach die so bezogene Silikamischung dem Zementschlamm direkt im Mischbehälter beigemischt wird.
  • US Patent Nr. 4,935,060, veröffentlicht am 19. Juni 1990, eröffnet eine hochdichte, hydraulische Zementzusammensetzung, die gasdicht ist, bei hoher Temperatur äußerst geringe Stärkeretrogression aufweist und größtenteils keine Neigung zum Ablagern oder Separieren zeigt. Die Zementzusammensetzung beinhaltet strukturlose Silikastaubpartikel mit spezifischer Oberfläche im Bereich von ca. 15 m²/g bis ca. 30 m²/g. Während die o.g. und anderen Zementzusammensetzungen bekannter Technik unterschiedlichen Erfolg erzielen konnten, besteht ein Bedarf für verbesserte Zementzusammensetzungen mit sowohl niedrigen wie hohen Dichtewerten, die reduzierte Neigung zum Ablagern, verbesserte Stärke sowie bessere Flüssigkeitsverlustmerkmale aufweisen und Gasabwanderung verhindern.
  • Jetzt haben wir gewisse verbesserte Zementzusammensetzungen entwickelt. Laut dieser Erfindung wird eine Bohrlochzementzusammensetzung vermittelt, bestehend aus:
  • (a) hydraulischem Portlandzement;
  • (b) Wasser in einer Menge von ca. 30 bis 60 Gewichts-% des Trockenzements;
  • (c) einer wäßrigen, kolloidalen, siliziumhaltigen Säuresuspension, in der die kolloidalen, siliziumhaltigen Säurepartikel eine spezifische Oberfläche von 300 m²/g bis 700 m²/g aufweisen, die kolloidale, siliziumhaltige Säuresuspension in einer Menge von 1 bis 30 Gewichts-% des Trockenzements in der Zusammensetzung vorhanden ist; und
  • (d) einem Flüssigkeitsverlustregeladditiv, ausgewählt aus einem Lignin- oder Lignitpfropfpolymer, einer wäßrigen Lösung des Reagenzprodukts von PE-Imin und einem oder mehreren sulfonierten, organischen Zusammensetzungen sowie einem Copolymer von AMPS und N,N-Dimethylacrylamid, wobei das Additiv in einer Menge von ca. 0,1 bis 10 Gewichts-% des Trockenzements in der Zusammensetzung vorhanden ist.
  • Die Erfindung vermittelt gleichfalls eine Vorgangsweise der Zementierung in einer von einem Bohrloch durchdrungenen, unterirdischen Zone, bestehend aus dem Bilden einer pumpfähigen Zementzusammensetzung, bestehend aus Wasser, hydraulischem Portlandzement und einer wäßrigen, kolloidalen, siliziumhaltigen Säuresuspension, in der die kolloidalen, silizumhaltigen Säurepartikel eine spezifische Oberfläche im Bereich von 300 m²/g bis 700 m²/g aufweisen und diese in der Suspension in einer Menge von 1 bis 30 Gewichts-% des Trockenzements vorhanden sind; und anschließendem Pumpen der Zementzusammensetzung durch das Bohrloch in die Zone.
  • Die verbesserten Bohrlochzementzusammensetzungen dieser Erfindung sind pumpfähige, wäßrige, hydraulische Zementschlämme und umfassen Bestandteile, mit denen die Zusammensetzungen größtenteils gasdicht, d.h. undurchlässig gegen Gasabwanderung, höchst beständig, d.h. es kommt nur zu äußerst geringem oder überhaupt keinem Absetzen von freiem Wasser gemacht werden, die äußerst niedrigen Flüssigkeitsverlust und hervorragende Gelier- und Verdichtungsstärke aufweisen. Die Zementzusammensetzungen bestehen grundsätzlich aus hydraulischem Zement, ausreichend Wasser zum Bilden eines pumpfähigen Schlammes und einer wäßrigen, kolloidalen, siliziumhaltigen Säuresuspension.
  • Während zum Bilden der Zusammensetzungen verschiedene hydraulische Zemente genutzt werden können, wird Portlandzement bevorzugt und kann z.B. einen oder mehrere Portlandzemente mit der API Güteklassifikation A bis H sowie J-Zemente umfassen. Diese Zemente werden in der "API Spezifikation für Materialien und Prüfung für Bohrlochzemente" API Spezifikation 10 des American Petroleum Institute, definiert.
  • Beim verwendeten Wasser kann es sich um Frischwasser, gesättigtes oder ungesättigtes Salzwasser oder Seewasser handeln. Dieses ist normalerweise in einer Menge von 30 bis 60 Gewichts-% des verwendeten Trockenzements in der Zementzusammensetzung enthalten. Wie jedoch erkenntlich ist, kann, je nach spezifischen Umständen, eine andere, spezifische Wassermenge als die o.g. benutzt werden.
  • Die wäßrige, kolloidale, siliziumhaltige Suspension, die in den Zementzusammensetzungen laut dieser Erfindung zur Verwendung kommt, enthält vorzugsweise siliziumhaltige Säurepartikel, die als Silika ausgedrückt werden, in einer Menge im Bereich von 2 bis 60 % Silikagewichts-% der Lösung und vorzugsweise von 4 bis 30 Silikagewichts-%. Die siliziumhaltigen Säurepartikel in der Suspension haben allgemein eine Größe von ca. 20 Nanometer (nm), vorzugsweise eine Größe im Bereich von 10 nm bis 1 nm. Die spezifische Oberfläche der Partikel liegt im Bereich von 300 m²/g bis 700 m²/g. Die siliziumhaltige Suspension wird vorzugsweise mit einem Alkali stabilisiert, wodurch es ein Molarverhältnis von CiO&sub2; bis M&sub2;O (wobei M ein Ion aus Na, K, Li und NH&sub4; ist) von 10:1 bis 300:1 und vorzugsweise von 15:1 bis 100:1 erhält. Allgemein umfaßt die verwendete wäßrige, siliziumhaltige Säuresuspension siliziumhaltige Säurepartikel mit einer maximalen aktiven Oberfläche und einer gut umrissenen, kleinen Größe, die im Durchschnitt zwischen 4 nm bis 9 nm liegt.
  • Eine besonders bevorzugte wäßrige, kolloidale, siliziumhaltige Säuresuspension ist eine, in der die siliziumhaltigen Säurepartikel eine durchschnittliche spezifische Oberfläche von ca. 500 m²/g aufweisen, die Partikel eine durchschnittliche Größe von ca. 5,5 nm haben und die Suspension siliziumhaltige Säurepartikel, ausgedrückt als Silika, enthält, deren Menge im Bereich von ca. 15 Silikagewichts-% der Suspension liegt.
  • Die wäßrige, siliziumhaltige Säuresuspension ist allgemein in einer Zementzusammensetzung dieser Erfindung in einer Menge im Bereich von 1,0 bis 30 Gewichts-% des Trockenzements in der Zusammensetzung enthalten. Wenn die wäßrige, siliziumhaltige Säuresuspension in leichten Zementzusammensetzungen benutzt wird, werden, im Verhältnis zum Gehalt der wäßrigen, siliziumhaltigen Säuresuspension in anderen Zementzusammensetzungen, allgemein größere Mengen der Suspension verwendet, um die Zementzusammensetzungen gasdicht zu machen, ihre Beständigkeit zu verbessern, usw. Infolge der äußerst hohen spezifischen Oberfläche und geringen Größe der kolloidalen, siliziumhaltigen Säurepartikel, ist eine bedeutend kleinere Menge solcher Partikel in Zementzusammensetzungen erforderlich, um den gewünschten Effekt zu realisieren, als bei bisher verwendeten Feinsilikazement-Zusammensetzungsadditiven. Weil die kolloidalen, siliziumhaltigen Säurepartikel in wäßrigem Medium suspendiert sind, lassen sich die Partikel weiterhin problemlos der Zementzusammensetzung beifügen und darin mit nur minimalem Mischaufwand verteilen. Wenn die bevorzugteste wäßrige, siliziumhaltige Säuresuspension verwendet wird, die oben beschrieben wurde, bei der die Suspension siliziumhaltige Partikel mit durchschnittlicher spezifischer Oberfläche von ca. 500 m²/g in einer Menge von ca. 15 Silikagewichts-% der Suspension enthält, wird sie in einer Menge im Bereich von 2 bis 15 Gewichts-% des Zements in der Zusammensetzung verwendet, noch besser in einer Menge von ca. 10 Gewichts-% des Zements in der Zusammensetzung.
  • Die Zementzusammensetzungen dieser Erfindung beinhalten weiterhin vorzugsweise Flüssigkeitsverlustregeladditive, die zur Reduktion der Flüssigkeitsverluste aus den Zementzusammensetzungen in umliegende, unterirdische Formationen oder Zonen führen. Während verschiedene Flüssigkeitsverlustregeladditive, die Fachkundigen bekannt sind, genutzt werden können, setzt sich ein besonders geeignetes Additiv aus einem Lignin- oder Lignitpfropfpolymer der in US Patent Nr.4,676,317, veröffentlicht am 30. Januar 1987, eröffneten Art zusammen. Allgemein bestehen solche Pfropfpolymer aus einem Rückgrat mit wenigstens einem Glied, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus Lignin, Lignit und ihren Salze und einer Pfropfpendantgruppe, bestehend aus wenigstens einem Glied, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus 2- acrylamido-2-methylpropansulfonischer Säure (AMPS ), Acrylonotril, N,N- Diamethlyacrylamid, Acrylsäure und N,N-Dialkylaminoethylmethacylat, wobei das Alkylradikal aus Methyl-, Ethyl- und Propylradikalen ausgewählt wird.
  • Ein weiteres bevorzugtes Flüssigkeitsverlustregeladditiv ist eine wäßrige Lösung des Reagenzprodukts von Polyethylenimin und einer oder mehreren sulfonierten, organischen Zusammensetzungen, die in US Patent Nr.4,742,094, veröffentlicht am 3. Mai 1988, beschrieben werden. Allgemein besteht das Flüssigkeitsverlustregeladditiv aus einer wäßrigen Lösung des Reagenzprodukts, das durch Beimischen von Polyethylenimin mit Molekulargewicht über ungefähr 50.000 und sulfonierten, organischen Mischungen aus einer Beimischung von lignosulfonischen Säuresalzen mit Na, Ca oder NH&sub4; als zugehöriger Kation, zusammen mit sulfonischer Naphtalensäure, die mit Formaldehyd mit einem Molekulargewicht von über ca. 5000 kondensiert wurde, gebildet wurde. Das Gewichtsverhältnis des Polyethylenimin zu den sulfonierten Zusammensetzungen liegt im Bereich von 1:1,4 bis 7,5:1, während das Gewichtsverhältnis des lignosulfonischen Säuresalzes zur aus Formaldehyd kondensierten sulfonischen Naphtalensäure im Bereich von 1:5 bis 5:1 liegt.
  • Ein weiteres bevorzugtes Flüssigkeitsverlustregeladditiv ist der Copolymer oder das Copolymersalz von 2-Acrylamido, 2-methylpropansulfonischer Säure (AMPS ) und N,N-Dimethylacrylamid (NNDMA), die in US Patent Nr.4,555,269, veröffentlicht am 26. November 1985, beschrieben werden. Allgemein hat der Copolymer oder das Copolymersalz ein Verhältnis von AMPS zu NNDMA zwischen 1:4 und 4:1.
  • Der oben beschriebene Lignin- oder Lignitpfropfpolymer wird einer Zementmischung normalerweise in Mengen von 0,25 bis 5 Gewichts-% des Trockenzements der Zusammensetzung beigefügt. Wenn die wäßrige Lösung des Reagenzprodukts von Polyethylenimin und einer oder mehrerer sulfonierten, organischen Zusammensetzungen benutzt wird, wird diese normalerweise der Zementzusammensetzung in Mengen im Bereich von 2,5 bis 10 Gewichts-% des Trockenzements der Zusammensetzung beigemischt. Wenn der AMPS - NNDMA- Copolymer oder das Copolymersalz verwendet wird, wird dieser(s) der Zementzusammensetzung in einer Menge von 0,1 bis 1,5 Gewichts-% des Zements beigemischt.
  • Bei gewissen Anwendungen, wie z.B. wenn die Zementzusammensetzung in einem heißen, tiefen Bohrloch verwendet wird, ist es erforderlich oder wünschenswert, ein Festigungsverzögerungsadditiv in die Zementzusammensetzung aufzunehmen. Das Beimischen eines Festigungsverzögerungsmittels zur Zementzusammensetzung verlängert den Zeitraum von der Zubereitung der Zusammensetzung bis zum Verfestigen, d.h. sie kann länger gepumpt werden, usw. In der Zementzusammensetzung dieser Erfindung kann eine Vielzahl von Festigungsverzögerungsmitteln verwendet werden, die Fachkundigen einschlägig bekannt sind. Ein bevorzugtes Festigungsverzögerungsadditiv, das die schnelle Entwicklung von Zementverdichtungsstärke nach Einführen zuläßt, besteht aus einem Copolymer von 2- Acrylamido, 2-methylpropansulfonischer Säure (AMPS ) und Acrylsäure. Der Copolymer besteht allgemein aus 40 bis 60 Molprozent AMPS , während der Rest Acrylsäure ist. Vorzugsweise hat er ein durchschnittliches Molekulargewicht unter ca. 5.000, so daß eine 10 % wäßrige Lösung des Copolymer bei 20 U/min der U.L. Adapterspindel eine Brookfield-Viskosität im Bereich von 2 bis weniger als 5 Centipoise aufweist. Vorzugsweise umfaßt der Copolymer von 45 bis 55 Molprozent AMPS und idealerweise ca. 50 Molprozent AMPS . Zu weiteren Festigungsverzögerungsadditiven, die benutzt werden können, zählen Lignosulfonate, Borate oder organische Säuren, wie beispielsweise Gluconsäure, Zitronensäure und ähnliche. Aus diesen wird ein Festigungsverzögerungsmittel, bestehend aus Lignosulfonaten, bevorzugt.
  • Wenn ein Festigungsverzögerungs-Copolymer aus AMPS und Acrylsäure verwendet wird, wird dieser vorzugsweise in einer Zementzusammensetzung dieser Erfindung in Mengen im Bereich von 0,1 bis 5,0 Gewichts-% des benutzten Trockenze ments beigemischt. Wenn ein Lignosulfonat-Festigungsverzögerungsadditiv benutzt wird, ist es gleichfalls vorzuziehen, dieses in der Zementzusammensetzung in Mengen von 0,1 bis 5,0 Gewichts-% des benutzten Trockenzements beizumischen. Um in beiden Fällen die Festigungsverzögerungsfähigkeit der Festigungsverzögerungsadditiven zu verbessern, kann der Zementzusammensetzung ein Festigungsverzögerungsintensifikator, wie z.B. Weinsäure oder ein Salz davon, in einer Menge im Bereich von 0,2 bis 5,0 Gewichts-% des benutzten Trockenzements beigemischt werden. Wenn in den Zementzusammensetzungen ein Lignosulfonat-Festigungsverzögerungsadditiv aufgenommen wurde, wird gleichfalls vorzugsweise ein Weinsaureintensifikator beigemischt.
  • Eine Bohrlochzementzusammensetzung dieser Erfindung mit verbesserten Merkmalen besteht aus Wasser, hydraulischem Zement und einer wäßrigen, kolloidalen, siliziumhaltigen Säuresuspension, in der die kolloidalen, siliziumhaltigen Säurepartikel spezifische Oberflächen im Bereich von 300 m²/g bis 700 m²/g und vorzugsweise 500 m²/g aufweisen. Die wäßrige, kolloidale, siliziumhaltige Säuresuspension umfaßt vorzugsweise siliziumhaltige Säurepartikel, als Silika ausgedrückt, in einer Menge im Bereich von 4 bis 30 Gewichts-% SiO&sub2; der Suspension, idealerweise 15 Gewichts-%.
  • Wenn zur Reduktion des Flüssigkeitsverlusts ein Flüssigkeitsverlustregeladditiv in die Zementzusammensetzung aufgenommen wird, wird das Additiv vorzugsweise aus der Gruppe, bestehend aus einem Lignin- oder Lignitpfropfpolymer, einer wäßrigen Lösung des Reagenzprodukts von Polyethylenimin und einer oder mehreren sulfonierten, organischen Zusammensetzungen und einem Copolymer oder Copolymersalz von 2- Acrylamido, 2-methylpropansulfonischer Säure und N,N-Dimethylacrylamid, ausgewählt. Das Flüssigkeitsverlustregeladditiv wird der Zementzusammensetzung in einer Menge im Bereich von 0,1 bis 10 Gewichts-% des Trockenzements der Zusammensetzung beigemischt.
  • Wenn in der Zementzusammensetzung ein Festigungsverzögerungsadditiv verwendet wird, wird dieses vorzugsweise aus einer Gruppe, bestehend aus Lignosulfonat plus Weinsäure und einem Copolymer von 2-Acrylamido, 2- methylpropansulfonischer Säure und Acrylsäure, ausgewählt. Das Festigungsverzögerungsadditiv wird der Zementzusammensetzung in einer Menge im Bereich von 0,1 bis 10 Gewichts-% des benutzten Trockenzements beigemischt.
  • Laut den verbesserten Vorgangsweisen dieser Erfindung des Zementieren in einer von einem Bohrloch durchdrungenen unterirdischen Zone, wird zunächst eine verbesserte, pumpfähige Zementzusammensetzung dieser Erfindung gebildet, wonach sie durch das Bohrloch in eine unterirdische Zone eingepumpt wird. Wie schon vorher erwähnt sind die verbesserten Zementzusammensetzungen dieser Erfindung, wenn sie in die unterirdische Zone eingeführt werden, gasdicht, d.h. verhindern Gasabwanderung von und nach dem Verfestigen und haben hervorragende Beständigkeit. Wenn die Zusammensetzungen bei niedrigen Temperaturen verwendet werden und relativ hohe Wasser:Zement-Verhältnisse aufweisen, beschleunigt die Anwesenheit der wäßrigen, kolloidalen, siliziumhaltigen Säuresuspension das Verfestigen der Zementzusammensetzungen.
  • Um die verbesserten Zementzusammensetzungen und Vorgangsweisen dieser Erfindung weiter zu veranschaulichen, werden die folgenden Beispiele vermittelt.
    • Beispiel 1
  • Eine Anzahl von Zementprüfschlämmen wurde unter Verwendung von Portlandzement der API Güte G zubereitet. Die Schlämme wurden vor dem Beifügen von Wasser durch Trockenmischen der Bestandteile mit Zement zubereitet. Dann wurde (mit Ausnahme der Fälle, wo andere Angaben erfolgen) frisches Wasser mit der Trockenmischung in einem Waring-Mischer vermischt, um die Schlämme zu bilden. Die erzeugten Prüfschlämme werden in Tabelle I unten erläutert.
  • Die Rheologie und Gelstärke der Schlämme wurden mit einem Fann Modell 35 Viskometer laut "API Spezifikation für Materialien und Prüfungen für Bohrlochzemente" API Spezifikation 10 des American Petroleum Institute festgestellt. Zusätzlich wurden Prüfungen zur Verdickungszeit, Flüssigkeitsverlust und Freiwasser in Übereinstimmung mit der o.g. API Spezifikation bei einer Temperatur an der Unterseite des Bohrlochs (BHCT) von 25 ºC durchgeführt. Die Ergebnisse der Rheologie- und Gel stärkeprüfungen erscheinen in Tabelle II unten, während die der Verdickungszeit-, Flüssigkeitsverlust- und Freiwasserprüfungen in Tabelle III unten erscheinen. Tabelle I Zementprüfschlamm Nr. Dispersionsmittel¹ %² Flüssigkeitsverlustregel-Additiv³ % Wäßrige, kolloidale siliziumhaltig Säuresuspension&sup4; dm³/kg&sup5; Wasserverhältnis dm³/kg Schlammspezifische Schwere
  • ¹ Polymerische Additiv, eröffnet in US Patent Nr. 4,557,763, veröffentlicht 10. Dezember 1985
  • ² Alle Prozentsätze verstehen sich als nach Gewicht des Trockenzements
  • ³ Copolymer von AMPS und N,N-Dimethylacrylamid
  • &sup4; Enthält siliziumhaltige Säurepartikel von 500 m²/kg (durchschnittliche spezifische Oberfläche) in einer Menge von 15 Silikagewichts-%
  • &sup5; dm³ pro kg Zement
  • &sup6; Bei gewisser Ablagerung
  • &sup7; Bei Verwendung von Seewasser Tabelle II Zementprüfschlamm Nr. Temp ºC Fann-Meßwerte bei U/min. Gelstärke Sec Min Tabelle III Zementprüfschlamm Nr. Verdickungszeit Stunden:Minuten Flüssigkeitsverlust ml/30 min. Freiwasser %
    • Beispiel 2
  • Weitere Prüfschlämme nach dieser Erfindung wurden in Übereinstimmung mit den in Beispiel 1 oben aufgeführten Abläufen zubereitet, während die Bestandteile und Mengen dieser Schlämme aus Tabelle IV hervorgehen. Die Resultate der Rheologie- und Gelstärkeprüfungen dieser Schlämme gehen aus Tabelle V unten hervor, während die Ergebnisse der Verdickungszeit-, Flüssigkeitsverlust- und Freiwasserprüfungen bei einer BHCT von 25 ºC in Tabelle VI aufgeführt sind. TABELLE IV Zementprüfschlamm Nr. Dispersionsmittel¹ %² Flüssigkeitsverlustregel-Additiv³,% dm³/kg&sup4; Wäßrige, kolloidale, siliziumhaltig Säuresuspension&sup5; dm³/kg Fest.Verzögmittel dm³/kg Wasserverhältnis dm³/kg Schlammspezifische Schwere
  • ¹ Polymerisches Additiv, eröffnet in US Patent Nr. 4,557,763, veröffentlicht 10. Dezember 1985.
  • ² Alle Prozentsätze verstehen sich als nach Gewicht des Trockenzements
  • ³ Copolymer von AMPS und N,N-Dimethylacrylamid
  • &sup4; dm³ pro kg Zement
  • &sup5; Enthält siliziumhaltige Säurepartikel von 500 m²/kg (durchschnittliche spezifische Oberfläche) in einer Menge von 15 Silikagewichts-%.
  • &sup6; 40 gewichts-% wäßrige Lignosulfonatlösung
  • &sup7; Copolymer von AMPS und Acrylsäure Tabelle V Zementprüfschlamm Nr. TempºC Fann-Meßwerte bei U/min. Gelstärke Tabelle VI Zementprüfschlamm Nr. Verdickungszeit Stunden:Minuten Flüssigkeitsverlust ml/30 min. Freiwasser %
    • Beispiel 3
  • Weitere Prüfschlämme nach dieser Erfindung wurden in Übereinstimmung mit den in Beispiel I oben aufgeführten Abläufen zubereitet, während die Bestandteile und Mengen dieser Schlämme aus Tabelle VII unten hervorgehen. Tabelle VII Zementprüfschlamm Nr. Dispersionsmittel¹ %² Flüssigkeitsverlustregel-Additiv³, % Wäßrige, kolloidale, siliziumhaltig Säuresuspension&sup4; dm³/kg&sup5; Fest.Verzögmittel&sup6; dm³/kg&sup4; Wasserverhältnis dm³/kg&sup4; Schlammspezifische Schwere
  • ¹ Polymerisches Additiv, eröffnet in US Patent Nr. 4,557,763, veröffentlicht 10. Dezember 1985.
  • ² Alle Prozentsätze verstehen sich als nach Gewicht des Trockenzements
  • ³ Copolymer von AMPS und N,N-Dimethylacrylamid
  • &sup4; Enthält siliziumhaltige Säurepartikel von 500 m²/kg (durchschnittliche spezifische Oberfläche) in einer Menge von 15 Silikagewichts-%.
  • &sup5; dm³ pro kg Zement
  • &sup6; 40 gewichts-% wäßrige Lignosulfonatlösung
  • Die Rheologie bei 32 ºC sowie die Ergebnisse der Verdickungszeit-, Flüssigkeitsverlust- und Freiwasserprüfungen bei einer BHCT von 32 ºC erscheinen jeweils in Tabellen VIII und IX unten. Tabelle VIII Zementprüfschlamm Nr. Temp ºC Fann-Meßwerte bei U/min. Tabelle IX Zementprüfschlamm Nr. Verdickungszeit Stunden:Minuten Flüssigkeitsverlust ml/30 min Freiwasser %
    • Beispiel 4
  • Weitere Prüfschlämme nach dieser Erfindung wurden in Übereinstimmung mit den in Beispiel 1 oben aufgeführten Abläufen zubereitet, während die Bestandteile und Mengen dieser Schlämme aus Tabelle X unten hervorgehen. Tabelle X Zementprüfschlamm Nr Dispersionsmittel¹ %² Flüssigkeitsverlustregel-Additiv³, % Wäßrige, kolloidale, siliziumhaltig Säuresuspension&sup4; dm³/kg&sup5; Fest.Verzögmittel&sup6; dm³/kg Wasserverhaltnis dm³/kg Schlammspezifische Schwere
  • ¹ Polymerisches Additiv, eröffnet in US Patent Nr. 4,557,763, veröffentlicht 10. Dezember 1985.
  • ² Alle Prozentsätze verstehen sich als nach Gewicht des Trockenzements
  • ³ Die wäßrige Lösung des Reagenzprodukts von Polyethylenimin und einer oder mehreren sulfonierten, organischen Zusammensetzungen.
  • &sup4; dm³ pro kg Zement
  • &sup5; Enthält siliziumhaltige Säurepartikel von 500 m²/kg (durchschnittliche spezifische Oberfläche) in einer Menge von 15 Silikagewichts-%.
  • &sup6; Copolymer von AMPS und N,N-Dimethylacrylamid
  • &sup7; Zementprüfschlamme 19 umfaßte ein Flüssigkeitsverlustregeladditiv, bestehend aus AMPS und N,N-Dimethylacrylamid, anstelle des in Fußnotiz 3 oben beschriebenen Flüssigkeitsverlustregeladditivs sowie ein Festigungsverzögerungsmittel, bestehend aus einer 40 Gewichts-% wäßrigen Lignosulfonatlösung anstelle der in Fußnotiz 6 oben beschriebenen.
  • Rheologie- und Gelstärkeprüfungen bei Temperaturen von 25 ºC und 71 ºC wurden an den Schlämmen durchgeführt, mit Ausnahme von Schlamm Nr.19, der nur bei 66 ºC geprüft wurde. Verdickungszeit-, Flüssigkeitsverlust- und Freiwasserprüfungen wurden für Schlamm Nr.19 bei einer BHCT von 66 ºC und für Schlämme 20-25 bei 71 ºC durchgeführt. Die Prüfergebnisse erscheinen in Tabellen XI und XII unten. Tabelle XI Zementprüfschlamm Nr. Temp ºC (Fº) Fann-Meßwerte bei U/min. Gelstärke Tabelle XII Zementprüfschlamm Nr. Verdickungszeit Stunden:Minuten Flüssigkeitsverlust ml/30 min Freiwasser %
    • Beispiel 5
  • Weitere Prüfschlämme nach dieser Erfindung wurden in Übereinstimmung mit den in Beispiel 1 oben aufgeführten Abläufen zubereitet, während die Bestandteile und Mengen dieser Schlämme aus Tabelle XIII unten hervorgehen. Tabelle XIII Zementprüfschlamm Nr. Flüssigkeitsverlustregel Additiv, % dm³/kg Wäßrige, kolloidale, siliziumhaltige Säuresuspension&sup4; dm³/kg Fest.Verzög mittel&sup5; dm³/kg Wasserverhaltnis dm³/kg Schlammspezifische Schwere
  • ¹ Copolymer von AMPS und N,N-Dimethylacrylamid
  • ² dm³ pro kg Zement
  • ³ Die wäßrige Lösung des Reagenzprodukts von Polyethylenimin und einer oder mehreren sulfonierten, organischen Zusammensetzungen.
  • &sup4; Enthält siliziumhaltige Säurepartikel von 500 m²/kg (durchschnittliche spezifische Oberfläche) in einer Menge von 15 Silikagewichts-%.
  • &sup5; Copolymer von AMPS und Acrylsäure
  • Rheologie- und statische Gelstärkeprüfungen bei 91 ºC und Verdickungs-, Flüssigkeitsverlust- und Freiwasserprüfungen bei einer BHCT von 91 ºC wurden an den Schlämmen durchgeführt. Die entsprechenden Resultate erscheinen jeweils in den Tabelle XW und XV unten. Tabelle XIV Zementprüfschlamm Nr. Temp ºC Fann-Meßwerte bei U/min. Gelstärke sec min Tabelle XV Zementprüfschlamm Nr. Verdickungszeit Stunden:Minuten Flüssigkeitsverlust ml/30 min Freiwasser %
  • Verdichtungsstärkeprüfungen in Übereinstimmung mit der oben erwähnten API Spezifikation wurden an einer Anzahl der in den o.g. Beispielen erörterten Schlämmen bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt. Die Resultate dieser Prüfungen erscheinen in Tabelle XVI unten. Tabelle XVI Zementprüfschalmm Nr. Temp ºC Verdichtungsstärke MPa
  • Aus den in den o.g. Beispielen aufgeführten Ergebnissen läßt sich erkennen, daß sich die verbesserten Zementzusammensetzungen dieser Erfindung nicht ohne weiteres ablagern oder Freiwasser bilden und gute Gel- und Verdichtungsstärke- Entwicklungsmerkmale aufweisen.

Claims (9)

1. Eine Bohrlochzementzusammensetzung, bestehend aus:
(a) hydraulischem Portlandzement;
(b) Wasser in Mengen von 30 bis 60 Gewichts-% des Trockenzements;
(c) einer wäßrigen, kolloidalen, siliziumhaltigen Suspension, in der die kolloidalen, siliziumhaltigen Säurepartikel eine spezifische Oberfläche von 300 m²/g bis 700 m²/g aufweisen, während die kolloidale, siliziumhaltige Säuresuspension in der Zusammensetzung in einer Menge von 1 bis 30 Gewichts-% des Trockenzements enthalten ist; und
(d) einem Flüssigkeitsverlustregeladditiv, ausgewählt aus einem Lignin- oder Lignitpfropfpolymer, einer wäßrigen Lösung des Reagenzprodukts von Polyethylenimin und einer oder mehreren sulfonierten, organischen Zusammensetzungen und einem Copolymer von AMPS und N,N-Dimethylacrylamid, wobei das Additiv in der Zusammensetzung in einer Menge von 0,1 bis 10 Gewichts-% des Trockenzements vorhanden ist.
2. Eine Zusammensetzung nach Anspruch 1, weiter bestehend aus einem Festigungsverzögerungsmittel, ausgewählt aus Lignosulfonat plus Weinsäure und einem AMPS - Acrylsäure-Copolymer, wobei das Verzögerungsmittel in der Zusammensetzung in einer Menge von 0,1 bis 10 Gewichts-% des Trockenzements vorhanden ist.
3. Eine Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die kolloidale, siliziumhaltige Säuresuspension siliziumhaltige Säurepartikel, ausgedrückt als Silika, in einer Menge von 4 bis 30 Silikagewichts-% der Suspension enthält und wobei die siliziumhaltigen Säurepartikel eine durchschnittliche Größe von 1 nm bis 10 nm haben und besagte kolloidale, siliziumhaltige Säuresuspension in der Zusammensetzung in einer Menge von 2 bis 15 Gewichts-% des Trockenzements vorhanden ist.
4. Eine Zusammensetzung nach Anspruch 3, wobei die kolloidale, siliziumhaltige Suspension siliziumhaltige Säurepartikel, ausgedrückt als Silika, in einer Menge von 15 Silikagewichts-% besagter Suspension enthält, wobei besagte siliziumhaltige Säurepartikel eine durchschnittliche Größe von 5,5 nm haben und besagte kolloidale, siliziumhaltige Säuresuspension in besagter Zusammensetzung in einer Menge von 10 Gewichts-% des Trockenzements vorhanden ist.
5. Eine Zusammensetzung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei die kolloidalen, siliziumhaltigen Säurepartikel eine durchschnittliche Oberfläche von ca. 500 m²/g haben.
6. Eine Vorgangsweise des Zementierens einer von einem Bohrloch durchdrungenen unterirdischen Zone, bestehend aus den Schritten der Bildung einer pumpfähigen Zementzusammensetzung, bestehend aus Wasser, hydraulischem Portlandzement und einer wäßrigen, kolloidalen, siliziumhaltigen Säuresuspension, wobei die kolloidalen, siliziumhaltigen Säurepartikel in der Suspension eine spezifische Oberfläche im Bereich von 300 m²/g bis 700 m²/g aufweisen, während die kolloidale, siliziumhaltige Säuresuspension in der Zusammensetzung in einer Menge von 1 bis 30 Gewichts-% des Trockenzements vorhanden ist; und dem Pumpen der Zementzusammensetzung durch das Bohrloch in die Zone.
7. Eine Vorgangsweise nach Anspruch 6, wobei die Zementzusammensetzung weiter ein Flüssigkeitsverlustregeladditiv enthält, ausgewählt aus einem Lignin- oder Lignitpfropfpolymer, einer wäßrigen Lösung des Reagenzprodukts von Polyethylenimin und einer oder mehreren sulfonierten, organischen Zusammensetzungen und einem Copolymer von AMPS und N,N- Dimethylacrylamid, wobei das Additiv in der Zusammensetzung in einer Menge von 0,1 bis 10 Gewichts-% des Trockenzements vorhanden ist.
8. Eine Vorgangsweise nach Anspruch 7, wobei die Zementzusammensetzung weiter ein Festigungsverzögerungsmittel enthält, ausgewählt aus Lignosulfonat plus Weinsäure und einem AMPS - Acrylsäure-Copolymer, wobei das Verzögerungsmittel in der Zusammensetzung in einer Menge von 0,1 bis 10 Gewichts-% des Trockenzements vorhanden ist.
9. Eine Vorgangsweise nach Ansprüchen 6, 7 oder 8, wobei die Zementzusammensetzung den Ansprüchen 1 bis 5 entspricht.
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