DE69712134T2

DE69712134T2 - Bohrlochzementzusammensetzung

Info

Publication number: DE69712134T2
Application number: DE69712134T
Authority: DE
Inventors: Jiten Chatterji; Bobby J. King; David D. Onan; Patty L. Totten
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 1996-07-01
Filing date: 1997-06-30
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2017-07-01
Also published as: EP0816301B1; NO973046L; US5820670A; NO321188B1; NO973046D0; CA2209236C; DE69712134D1; EP0816301A2; US5795924A; EP0816301A3; CA2209236A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Zementieren unterirdischer Bohrungen und insbesondere auf bestimmte Zementzusammensetzungen, die sich zu einer rückfederungsfähigen festen Masse abbinden.
Hydraulische Zementzusammensetzungen werden häufig bei Fertigungs- und Sanierungsarbeiten an unterirdischen Bohrungen verwendet. Beispielsweise werden hydraulische Zementzusammensetzungen bei primären Zementierarbeiten verwendet, bei denen Rohrleitungen wie Verrohrungen und Futterrohre in Bohrlöcher zementiert werden. Bei der Durchführung primärer Zementierarbeiten wird eine hydraulische Zementzusammensetzung in einen ringförmigen Raum zwischen den Wänden des Bohrlochs und den Außenflächen der sich darin befindenden Rohleitung gepumpt. Man lässt die Zementzusammensetzung im ringförmigen Raum abbinden, wobei darin eine ringförmige Hülle aus erhärtetem, im Wesentlichen undurchlässigem Zement gebildet wird. Die Zementhülle stützt und positioniert die Rohrleitung im Bohrloch und verbindet die Außenflächen der Rohrleitung mit den Wänden des Bohrlochs, wodurch die unerwünschte Migration von Fluiden zwischen Zonen oder Formationen, die vom Bohrloch durchdrungen werden, verhindert wird. Die bei primären Zementierarbeiten verwendeten Zementzusammensetzungen müssen häufig leicht sein, um zu verhindern, dass ein übermäßig hoher hydrostatischer Druck auf Formationen, die von Bohrlöchern durchdrungen werden, ausgeübt wird.
Die Übergangszeit einer Bohrungs-Zementzusammensetzung ist die Zeit, nachdem diese in eine von einem Bohrloch durchdrungene unterirdische Zone eingebracht worden ist, während der sich die Zementzusammensetzung von einem wirklichen Fluid zu einer harten, abgebundenen Masse verändert. Während der Übergangszeit wird die Zementzusammensetzung teilweise selbsttragend, wodurch der hydrostatische Druck, der von der Zementzusammensetzung auf die Formationen ausgeübt wird, die Fluid unter Druck enthalten und vom Bohrloch durchdrungen werden, reduziert wird. Das bedeutet, dass in dem Fall, in dem die Zementzusammensetzung teilweise selbsttragend wird, Volumenreduzierungen in der Zementzusammensetzung, die durch Fluidverlust an angrenzende Formationen und Hydratisierung des Zements hervorgerufen werden, zu einer schnellen Abnahme des von der Zementzusammensetzung ausgeübten hydrostatischen Drucks führen. Ist die Fluidphase innerhalb der Zementmatrix nicht komprimierbar und fällt der von der Zementzusammensetzung ausgeübte Druck unter den Druck von Formationsfluiden, so dringen die Formationsfluide in den Ringraum ein und fließen durch die Zementzusammensetzung unter Bildung unerwünschter Strömungsdurchgänge, die verbleiben, nachdem die Zementzusammensetzung abgebunden ist. Die Verwendung einer stark komprimierbaren Fluidkomponente wie Gas in der Zementzusammensetzung verbessert die Fähigkeit der Zusammensetzung, den Druck aufrechtzuerhalten und verhindert dadurch das Strömen von Formationsfluiden in bzw. durch die Zementzusammensetzung.
Vor Kurzem hat die Entwicklung von Bohrungen, einschließlich eines oder mehrerer Laterale, zur Erhöhung der Produktion stattgefunden. Derartige multilaterale Bohrungen umfassen vertikale oder krumme (einschließlich horizontale) Hauptbohrlöcher, an die ein oder mehrere sich waagrecht erstreckende Nebenbohrlöcher angeschlossen sind. Es sind Bohr- und Kompletiergeräte entwickelt worden, die es ermöglichen, mehrere Laterale von einem verkleideten und zementierten Hauptbohrloch aus zu bohren. Jedes der lateralen Bohrlöcher kann ein darin einzementiertes Futterrohr enthalten, das mit dem Hauptbohrloch verbunden ist. Bei den lateralen Bohrlöchern kann es sich um vertikale oder krumme Bohrlöcher handeln und sie können in vorbestimmte Produktionsformationen oder -zonen zu irgendeinem Zeitpunkt im Produktionszyklus der Bohrung gebohrt werden.
Sowohl in herkömmlichen einfachen Bohrlöchern als auch in multilateralen Bohrlöchern mit mehreren Bohrungen muss die für das Zementieren der Verrohrung oder Futterrohre in den Bohrlöchern verwendete Zementzusammensetzung nach dem Abbinden eine hohe Bindefestigkeit entwickeln und außerdem ein ausreichendes Rückfederungsvermögen, d. h. Elastizität und Dehnbarkeit entwickeln, um einem Nachlassen der Rohrleitungs- oder Formationsbindung, einer Rissbildung bzw. eines Zersplitterns auf Grund der Bewegung der Rohrleitung, Aufprall bzw. Stößen, die daraufhin durch das Bohren und andere Bohrlocharbeiten hervorgerufen werden, zu widerstehen. Der Verlust an Bindefestigkeit, die Rissbildung und/oder das Zersplittern des abgebundenen Zements erlaubt das Hindurchsickern von Formationsfluiden durch mindestens einen Teil des Bohrlochs oder der Bohrlöcher, was äußerst nachteilig sein kann.
Abgebundener Zement in Bohrungen, und insbesondere der abgebundene Zement, der die Zementhüllen in den Ringräumen zwischen Rohrleitungen und den Wänden von Bohrlöchern bildet, versagt oft auf Grund von auf den abgebundenen Zement ausgeübten Scher- und Druckspannungen. Derartige Spannungsbedingungen sind häufig das Resultat eines relativ hohen Fluiddrucks bzw. relativ hoher Fluidtemperaturen innerhalb in Bohrlöchern einzementierter Rohrleitungen bei Prüfungsarbeiten, beim Perforieren, der Fluidinjizierung und/oder der Fluidproduktion. Der hohe Innendruck und/oder die hohe Temperatur innerhalb der Rohrleitung führen sowohl zur radialen als auch zur longitudinalen Dehnung der Rohrleitung, wodurch Spannungen auf die Zementhülle ausgeübt werden, die diese zur Rissbildung bringen bzw. das Versagen der Bindungen zwischen den Aiißenflächen der Rohrleitung und/oder den Wänden des Bohrlochs und der Zementhülle in Form einer Abnahme der hydraulischen Dichtungswirkung hervorrufen.
Ein weiterer Zustand wird durch einen äußerst hohen Druck hervorgerufen, der auf Grund der Wärmedehnung der innerhalb der Zementhülle eingeschlossenen Fluide innerhalb der Zementhülle auftritt. Dieser Zustand wird oft durch hohe Temperaturunterschiede hervorgerufen, die beim Injiziere oder Fördern von Hochtemperaturfluiden durch das Bohrloch entstehen, zum Beispiel in Bohrurigeri, die einer Dampfrückgewinnung oder der Produktion heißer Formationsfluide aus Hochtemperaturformationen unterzogen werden. Typischerweise übersteigt der Druck der eingeschlossenen Fluide den Einstürzdruck des Zements und der Rohrleitung unter Bildung von Leckstellen und unter Versagen der Bindefestigkeit. Noch ein weiterer Druckbeanspruchungszustand wird durch von außen auf die Zementhülle durch die Bildung von Verwerfungs- und Deckgesteinsdruck ausgeübte Kräften verursacht.
In multilateralen Bohrungen, bei denen die Rohrleitung in Bohrlöcher mit herkömmlichen Bohrungszementaufschlämmungen einzementiert worden ist, die sich zu spröden festen Massen abbinden, kann der spröde abgebundene Zement Stößen und Schlägen nicht widerstehen, die hinterher durch das Bohren und andere Bohrarbeiten hervorgerufen werden, die in multiplen Lateralen ausgeführt werden, ohne Risse zu bilden oder zu zersplittern.
Fälle des Versagens, wie oben beschrieben, können zu Produktionsverlust, Umweltverschmutzung, gefährlichem Bohranlagenbetrieb bzw. gefährlichen Produktionsarbeiten führen. Die am häufigsten auftretende Gefahr besteht aus dem Auftreten von Gasdruck in der Bohrlochkammer.
Es besteht daher ein Bedarf nach Bohrungs-Zementzusammensetzungen und Methoden, bei denen die Zementzusammensetzungen nach dem Abbinden stark rückfederungsfähig sind und den oben beschriebenen Belastungen ohne Versagen widerstehen können. Anders ausgedrückt besteht ein Bedarf nach Bohrungs- Zementzusammensetzungen und Methoden, bei denen der abgebundene Zement verbesserte mechanische Eigenschaften, einschließlich Elastizität und Dehnbarkeit, aufweist und Fälle des Versagens auf Grund der Bewegung der Rohrleitung, von Stößen und Schlägen reduziert oder verhindert werden.
Wir haben nun rückfederungsfähige Bohrungs-Zementzusammensetzungen entwickelt, die verbesserte mechanische Eigenschaften, einschließlich Elastizität und Dehnbarkeit, aufweisen und die den oben beschriebenen Bedarf vollständig oder weitgehend befriedigen und die Mängel des Stands der Technik überwinden oder mildern.
Der vorliegenden Erfindung gemäß wird eine Bohrungs- Zementzusammensetzung mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, einschließlich Elastizität und Dehnbarkeit, zur Verfügung gestellt, welche Zusammensetzung aus Folgendem besteht: einem hydraulischen Zement, pyrogener Kieselsäure in einer Mengen von 5 bis 30 Gew.-%, auf den hydraulischen Zement in der Zusammensetzung bezogen, einem wässrigen Kautschuklatex in einer Menge von 2,5 bis 45 Gew.-%, auf den hydraulischen Zement in der Zusammensetzung bezogen, und einer wirksamen Menge eines Latexstabilisierungsmittels.
Eine weitere erfindungsgemäße Bohrungs-Zementzusammensetzung besteht aus einem hydraulischen Zement; pyrogener Kieselsäure in einer Menge im Beeich von ca. 5 bis ca. 30 Gew.-%, auf den hydraulischen Zement in der Zusammensetzung bezogen, einem wässrigen Kautschuklatex in einer Menge im Bereich von ca. 2,5 bis ca. 45 Gew.-%, auf den hydraulischen Zements in der Zusammensetzung bezogen, und einer wirksamen Menge eines Latexstabilisierungsmittels, einem lEntschäumungsmittel, einem Gas, einem Schäumungsmittel und einem Schaumstabilisierungsmittel. Diese geschäumte Zementzusammensetzung ist nicht nur äußerst rückfederungsfähig, sondern auch leicht und enthält ein komprimierbares Gas, durch das die Migration von unter Druck stehendem Formationsfluid durch den sich abbindenden Zement verhindert wird.
Grundsätzlich umfassen die erfindungsgemäßen Methoden die Schritte des Einführens einer erfindungsgemäßen Bohrungs-Zementzusammensetzung, die sich zu einer stark bindungsfesten und rückfederungsfähigen, elastischen und dehnbaren festen Masse abbindet, in eine unterirdische Bohrung und Abbindenlassen der Zementzusammensetzung in der Bohrung.
Die erfindungsgemäßen Bohrungs-Zementzusammensetzungen sind bei einer Reihe verschiedener Bohrlochfertigstellungs- und Sanierarbeiten von Nutzen. Insbesondere sind sie beim primären Zementieren, d. h. beim Zementieren von Verrohrungen und Futterrohren in Bohrlöchern, einschließlich beim Zementieren multilateraler unterirdischer Bohrungen von Nutzen.
Eine erfindungsgemäße ungeschäumte Bohrloch-Zementzusammensetzung besteht prinzipiell aus einem hydraulischen Zement, pyrogener Kieselsäure in einer Menge im Bereich von ca. 5 bis ca. 30 Gew.-%, auf den hydraulischen Zement in der Zusammensetzung bezogen (ca. 4,5 Pfund bis ca. 30 Pfund pro Sack Zement 94 Pfund), einem wässrigen Kautschuklatex in einer Menge von ca. 2,5 bis ca. 45 Gew. - %, auf den hydraulischen Zements in der Zusammensetzung bezogen (ca. 0,25 Gallonen bis ca. 5 Gallonen pro Sack Zement 94 Pfund) und einer wirksamen Menge eines Latexstabilisierungsmittels.
Erfindungsgemäß können verschiedene hydraulische Zemente, einschließlich derjenigen verwendet werden, die aus Calcium, Aluminium, Silicium, Sauerstoff und/oder Schwefel bestehen, und sich durch Reaktion mit Wasser abbinden und erhärten. Derartige hydraulische Zemente umfassen Portlandzemente, Pozzolanzemente, Gipszemente, Zemente mit hohem Aluminiumgehalt, Kieselsäurezemente und Zemente hoher Alkalinität. Im Allgemeinen werden Portlandzemente zur erfindungsgemäßen Verwendung bevorzugt. Portlandzemente der Typen, wie sie in API Specification for Materials And Testing For Well Cements (API-Spezifikation für Materialien und Tests für Bohrlochzemente), API- Spezifikation 10, Ausgabe 5, 1. Juli 1990, American Petroleum Institute, definiert und beschrieben, sind besonders geeignet. Die bevorzugten API-Portlandzemente umfassen die Klassen A, B, C, G und H, wobei die API-Klassen G und H am stärksten bevorzugt werden, und die Klasse G die bevorzugteste ist.
Die pyrogene Kieselsäure ist eine kolloide Form der Kieselsäure, die durch Verbrennen von Siliciumtetrachlorid in Wasserstoff Sauerstofföfen hergestellt wird. Die pyrogene Kieselsäure weist eine geringe Teilchengröße auf und führt in Verbindung mit den anderen Komponenten der erfindungsgemäßen Zementzusammensetzungen bei diesen Zusammensetzungen zu verbesserten mechanischen Eigenschaften, insbesondere zur Fähigkeit, einer umfangreichen Reihe von Belastungen, die mit unterirdischen Bohrlochbedingungen verbunden sind, ohne Verlust an Bindungsstärke, Rissbildung, Zersplittern oder anderer Arten des Versagen zu widerstehen. Der Begriff "pyrogene Kieselsäure" wird hier so verwendet, dass er sich auf pyrogene Kieselsäure bezieht, die wie oben beschrieben hergestellt wird, und auf entsprechende Formen der Kieselsäure, die auf andere Weise hergestellt werden.
Die pyrogene Kieselsäure liegt in der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Zusammensetzung in einer Menge im Bereich von ca. 5 ca. 30 Gew.-%, auf den hydraulischen Zement in der Zusammensetzung bezogen, (ca. 4, 5 bis ca. 30 Pfund pro Sack), noch bevorzugter von ca. 7,5 bis ca. 15 Gew.-% (ca. 7 bis ca. 14 Pfund pro Sack) und am bevorzugtesten von ca. 10 Gew.-% (ca. 9,4 Pfund/Sack) vor. Wie sich der Fachmann klar machen wird, reagiert die pyrogene Kieselsäure mit Kalk, der vom hydraulischen Zement während der Hydratisierung freigesetzt wird, unter Bildung eines amorphen Metallsilicathydrats.
Eine Reihe verschiedener bekannter Kautschukmaterialien können der vorliegenden Erfindung entsprechend verwendet werden. Derartige Materialien sind im Handel in wässriger Latexform, d. h. in Form wässriger Dispersionen oder Emulsionen erhältlich. Beispielsweise können Naturkautschuk (cis-1,4-Polyisopren) und die meisten seiner modifizierten Typen verwendet werden. Verschiedene Typen synthetischer Polymere können ebenfalls verwendet werden, unter anderem Styrol- Butadien-Kautschuk, cis-1,4-Polybutadien-Kautschuk und Mischungen desselben mit Naturkautschuk oder Styrol-Butadien-Kautschuk, Harz mit hohem Styrolgehalt, Butylkautschuk, Ethylen-Proplyen-Kautschuk, Neoprenkautschuk, Nitril-Kautschuk, cis-1,4-Polyisopren-Kautschuk, Silicon-Kautschuk, sulfochlorierter Kautschuk, Polyethylen-Kautschuk, Epichlorhydrin-Kautschuk, Fluorkohlenwasserstoff- Kautschuk, Fluorsilicon-Kautschuk, Polyurethan-Kautschuk, Polyacryl-Kautschuk und Polysulfid-Kautschuk.
Unter den verschiedenen Latexarten, die verwendet werden können, werden diejenigen, die durch Emulsionspolymerisationsverfahren zubereitet werden, bevorzugt. Ein besonders bevorzugter Latex für die erfindungsgemäße Verwendung besteht aus einer Styrol-Butadien-Copolymerlatexemulsion, die durch Emulsionspolymerisation zubereitet wird. Die wässrige Phase der Emulsion besteht aus einer wässrigen kolloiden Dispersion des Styrol-Butadien-Copolymers.
Gewöhnlich enthält die Latexdispersion Wasser in einer Menge im Bereich von ca. 40 bis ca. 70 Gew.-%, auf den Latex bezogen, und zusätzlich zu den dispergierten Styrol-Butadien-Teilchen enthält der Latex oft geringe Mengen eines Emulgators, von Polymerisationskatalysatoren, Kettenmodifizierungsmitteln und dergleichen. Das Gewichtsverhältnis von Styrol zu Butadien im Latex kann im Bereich von ca. 10% : 90% bis ca. 90% : 70% liegen.
Man sollte sich im Klaren darüber sein, dass Styrol-Butadien-Latices oft gewerblich als Terpolymerlatices hergestellt werden, die bis zu ca. 3 Gew.-% eines dritten Monomers enthalten, um die Stabilisierung der Latexemulsionen zu unterstützen. Das dritte Monomer, liegt es vor, weist im Allgemeinen einen anionischen Charakter auf und enthält eine Carboxylat-, Sulfat- oder Sulfonatgruppe. Andere Gruppen, die an dem dritten Monomer vorliegen können, sind unter anderem Phosphate, Phosphonate oder Phenolverbindungen. Nichtionische Gruppen, die stearische Wirkungen aufweisen und lange Ethoxylat- oder Kohlenwasserstoffschwänze enthalten, können ebenfalls anwesend sein.
Ein besonders geeigneter wässriger Styrol-Butadien-Latex weist ein Gewichtsverhältnis von Styrol zu Butadien von ca. 25% : 75% auf und das Styrol- Butadien-Copolymer wird in einer wässrigen Emulsion von 50 Gew.-% suspendiert. Dieser wässrige Styrol-Butadien-Latex ruft in Verbindung mit den anderen Komponenten der erfindungsgemäßen Zementzusammensetzungen in einer abgebundenen Zementzusammensetzung ein ausgezeichnetes Rückfederungsvermögen hervor, ohne bemerkenswerten Verlust an Bindefestigkeit im abgebundenen Zement. Ein Latex dieses Typs ist von Halliburton Energy Services, Duncon, Oklahoma, unter dem Warennamen "LATEX 2000" erhältlich. Der verwendete wässrige Latex wird in die erfindungsgemäßen Zementzusammensetzungen in einer Menge im Bereich von ca. 2,5 bis ca. 45 Gew.- %, auf den hydraulischen Zement in der Zusammensetzung bezogen (ca. 0,25 bis ca. 5,0 Gallonen/Sack), noch bevorzugter von ca. 4,5 bis ca. 22 Gew.-% (ca. 0,5 bis ca. 2,5 Gallonen/Sack) und am bevorzugtesten von ca. 9 Gew.-% (ca. 1 Gallone/Sack) eingearbeitet.
Um den wässrigen Latex daran zu hindern, sich Verfrüht zu koagulieren und die Viskosität der Zementzusammensetzung zu erhöhen, wird eine wirksame Menge eines Latexstabilisierungsmittels in die Zementzusammensetzung eingearbeitet. Latexstabilisierungsmittel bestehen aus einem oder mehreren Tensiden, die die Verhinderung der Latexkoagulation bewirken. Diejenigen, die zur erfindungsgemäßen Verwendung besonders geeignet sind, bestehen aus Tensiden der Formel
R-Ph-O(OCH&sub2;CH&sub2;)m OH
wobei R eine Alkylgruppe mit 5 bis 30 Kohlenstoffatomen, Ph ein Phenyl und m eine ganze Zahl im Bereich von ca. 5 bis ca. 50 darstellt, und aus Tensiden der allgemeinen Formel
R&sub1;(OR&sub2;)aSO&sub3;X
wobei R&sub1; aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Alkylgruppen mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, Cykloalkylgruppen mit 5 bis 6 Kohlenstoffatomen, alkylsubstituierten C&sub1;-C&sub4;-Cykloalkylgruppen, Phenyl, alkylsubstituiertem Phenyl der allgemeinen Formel (R&sub3;)aPh- besteht, wobei Ph Phenyl, R&sub3; eine Alkylgruppe mit zwischen 1 bis 18 Kohlenstoffatomen und a eine ganze Zahl von 1 bis 3 darstellt, sowie aus Phenyl-Alkylgruppen, bei denen die Alkylgruppen 1 bis 18 Kohlenstoffatome aufweisen und die Phenyl-Alkyl-Gruppen insgesamt 8 bis 28 Kohlenstoffatome aufweisen, R&sub2; eine substituierte Ethylengruppe der Formel - CH&sub2;CH&sub2;R&sub4; darstellt, wobei R&sub4; aus Wasserstoff, Methyl, Ethyl oder Mischungen derselben ausgewählt wird und n eine Zahl von 0 bis 40 darstellt, vorausgesetzt dass, wenn R&sub1; ein Phenyl oder ein alkylsubstituiertes Phenyl ist, n mindestens 1 ist und X irgendein verträgliches Kation darstellt. Ein bevorzugtes Tensid in dieser Gruppe besteht aus ethoxyliertem Nonylphenyl, das Ethylenoxid im Bereich von ca. 20 bis ca. 30 Mol enthält.
Ein weiteres bevorzugtes Tensid in der Gruppe ist ein Natriumsalz der allgemeinen Formel
R&sub5;-Ph(OR&sub2;)&sub0;SO&sub3;X
wobei R&sub5; eine Alkylgruppe mit 1 bis ca. 9 Kohlenstoffatomen, R&sub6; die Gruppe - CH&sub2;CH&sub2;-, o eine ganze Zahl von ca. 10 bis ca. 20 und X ein verträgliches Kation darstellt.
Noch ein anderes bevorzugtes Tensid in dieser Gruppe ist ein Natriumsalz der Formel
R&sub7;(OR&sub8;)pSO&sub3;X
wobei R&sub7; eine Alkylgruppe mit ca. 5 bis ca. 20 Kohlenstoffatomen, R&sub8; die Gruppe - CH&sub2;CH&sub2;-, p eine ganze Zahl im Bereich von ca. 10 bis ca. 40 und X ein verträgliches Kation darstellt. Ein besonders bevorzugtes Tensid dieses Typs besteht aus dem Natriumsalz einer sulfonierten Verbindung, die durch Reagieren eines C&sub1;&sub2;-bis C&sub1;&sub5;- Alkohols mit ca. 15 Mol Ethylenoxid deriviert ist, das die Formel
H(CH&sub2;)&sub1;&sub2;&submin;&sub1;&sub5;(CH&sub2;CH&sub2;O)&sub1;&sub5;SO&sub3;Na
aufweist und im Handel unter dem Namen "AVANEL S150" von PPG Mazer, Mazer Chemicals, einer Division der Firma PPG Industries, Inc., 3938 Porett Drive, Gurnee, Illinois 60031, erhältlich ist.
Unter den verschiedenen oben beschriebenen Latexstabilisierungsmitteln, die verwendet werden können, werden das ethoxylierte Nonylphenol, das Ethylenoxid im Bereich von ca. 15 bis ca. 40 Mol enthält und "AVANEL S150", d. h. das Natriumsalz einer sulfonierten und ethoxylierten Verbindung der Formel H(CH&sub2;)12 &sub1;&sub5;(CH&sub2;CH&sub2;O)&sub1;&sub5;SO&sub3;Na vorgezogen, wobei H(CH&sub2;)&sub1;&sub2;&submin;&sub1;&sub5;(CH&sub2;CH&sub2;O)&sub1;&sub5;SO&sub3;Na am stärksten bevorzugt wird.
Während verschiedene Mengen Latexstabilisierungsmittel je nach dem verwendeten wässrigen Kautschuklatex in die Zementzusammensetzung eingearbeitet werden, wird das Latexstabilisierungsmittel gewöhnlich in die Zementzusammensetzung in einer Menge im Bereich von ca. 9 bis ca. 35 Gew.-%, auf den darin eingearbeiteten wässrigen Kautschuklatex bezogen, (ca. 0,02 bis ca. 1,75 Gallonen/Sack Zement) eingearbeitet. Handelt es sich bei dem wässrigen Latex um einen wässrigen Styrol-Butadien-Latex, so wird das verwendete Latexstabilisierungsmittel bevorzugt in die Zementzusammensetzung in einer Menge im Bereich von ca. 9 bis ca. 35 Gew.-%, auf den in die Zusammensetzung eingearbeiteten wässrigen Kautschuklatex bezogen (ca. 0,02 bis ca. 1,75 Gallonen/Sack Zement), noch bevorzugter von ca. 15 bis ca. 25 Gew.-% (ca. 0,04 bis ca. 1,25 Gallonen/Sack) und am bevorzugtesten von ca. 20 Gew.-% (0,2 Gallonen/Sack) eingearbeitet.
Während das Wasser in dem wässrigen, zur Bildung der erfindungsgemäßen Zementzusammensetzungen verwendeten Kautschuklatex ausreichend sein kann für die Bildung einer pumpbaren Aufschlämmung und das Hydrafisieren der darin enthaltenen Zementmaterialien, kann der Zusammensetzung zusätzliches Wasser, wie es zur Erzielung der Pumpfähigkeit erforderlich sein kann, zugesetzt werden. Das Wasser kann aus irgendeiner Quelle stammen, vorausgesetzt, es enthält keine übermäßigen Mengen an Verbindungen, die sich negativ auf andere Komponenten in der Zementzusammensetzung auswirken. Beispielsweise kann das Wasser verschiedene Salze wie Natrium-, Kalium- und Calciumchlorid oder dergleichen enthalten. Im Allgemeinen liegt das Wasser in einer erfindungsgemäßen Zementaufschlämmungszusammensetzung in einer Menge im Bereich von ca. 22 bis ca. 95 Gew.-%, auf den darin enthaltenen hydraulischen Zement bezogen (ca. 2,5 bis ca. 10,7 Gallonen/Sack) vor.
Eine leichte, geschäumte, äußerst rückfederungsfähige erfindungsgemäße Bohrungs-Zementzusammensetzung besteht aus einem hydraulischen Zement des oben beschriebenen Typs, pyrogener Kieselsäure, wie oben beschrieben, in einer Menge im Bereich von ca. 5 bis 30 Gew.-%, auf den hydraulischen Zement in der Zusammensetzung bezogen (ca. 4, 5 bis ca. 30 Pfund/Sack), einem wässrigen Kautschuklatex des oben beschriebenen Typs in einer Menge im Bereich von 2,5 bis ca. 45 Gew.-%, auf den hydraulischen Zement in der Zusammensetzung bezogen (ca. 0,25 bis ca. 5,0 Gallonen/Sack), einer wirksamen Menge eines Latexstabilisierungsmittels des oben beschriebenen Typs, einer wirksamen Menge eines Entschäumungsmittels, einem komprimierbaren Gas, das in einer Menge vorliegt, die ausreicht, um die Zusammensetzung zu schäumen und eine Dichte im Bereich von ca. 8 Pfund/US Gallonen bis ca. 16 PfundIUS Gallone zu bilden, einer wirksamen Menge eines Schäumungsmittels und einer wirksamen Menge eines Schaumstabilisierungsmittels.
Das Entschäumungsmittel verhindert das Schäumen während des Mischens der Zementzusammensetzung vor dem Schäumen der Zusammensetzung. Anders ausgedrückt, bildet sich, da der wässrige Kautschuklatex Tenside enthält für das Emulgieren des Latex und Latexstabilisierungsmittel, die auch als Schäumungsmittel dienen, ein aus großen Blasen bestehender unbeständiger Schaum beim Mischen des hydraulischen Zements und von Kieselsäure mit dem Latex. Das Entschäumungsmittel verhindert die Bildung von aus großen Blasen bestehendem Schaum, so dass ein beständiger, aus kleinen Blasen bestehender Schaum daraufhin gebildet werden kann.
Das Entschäumungsmittel kann irgendeine der Verbindungen umfassen, die Für derartige Möglichkeiten bekannt sind, wie die Polyol-Silicium-Verbindungen. Ein derartiges bevorzugtes Entschäumungsmittel besteht aus Polydimethylsiloxan, das im Handei von Halliburton Energy Services, Duncan, Oklahoma, unter dem Warennamen "D-AIR" erhältlich ist. Im Allgemeinen wird das Entschäumungsmittel in die Zementzusammensetzung in einer Menge im Bereich von ca. 0,1 bis ca. 0,9 Gew.-%, auf den darin enthaltenen hydraulischen Zement bezogen (ca. 0,01 bis ca. 0,1 Gallonen/Sack), noch bevorzugter von ca. 0,18 bis ca. 0,7 Gew.-% (ca. 0,02 bis ca. 0,08 Gallonen/Sack) und am bevorzugtesten von ca. 0,18 Gew.-% (0,02 Gallonen/Sack) eingearbeitet.
Das komprimierbare Gas hat die Wirkung, die Zementzusammensetzung zu schäumen, um das Hineinfließen von unter Druck stehendem Formationsfluid in die Zementzusammensetzung während des Abbindens zu verhindern und trägt zum Rückfederungsvermögen der abgebundenen Zusammensetzung bei. Bevorzugt besteht das Gas aus Stickstoff oder Luft, wobei Stickstoff am stärksten bevorzugt wird. Im Allgemeinen liegt das Gas in einer Menge vor, die ausreicht, um die Zementaufschlämmung zu schäumen und eine Aufschlämmungsdichte im Bereich von ca. 8 bis 16 Pfund pro US Gallone, noch bevorzugter von ca. 12 bis ca. 15 Pfund pro US Gallone und am bevorzugtesten von ca. 13 Pfund pro US Gallone zu bilden. Die Menge Gas, die in einer geschäumten erfindungsgemäßen Zementzusammensetzung vorliegt, liegt im Allgemeinen im Bereich von ca. 8,5% bis ca. 50 Vol.-%, auf die dabei entstehende geschäumte Zementzusammensetzung bezogen.
Um das Schäumen zu erleichtern und die geschäumte Aufschlämmung zu stabilisieren, wird ein Schäumungsmittel in die Zementzusammensetzung eingearbeitet. Geeignete Schäumungsmittel bestehen aus Tensiden der allgemeinen Formel
H(CH&sub2;)a(OC&sub2;H&sub4;)bOSO&sub3;X
wobei
a eine ganze Zahl im Bereich von ca. 5 bis ca. 15,
b eine ganze Zahl im Bereich von ca. 1 bis ca. 10
und
X ein kompatibles Kation darstellt.
Ein besonders bevorzugtes Schäumungsmittel besteht aus einem Tensid des obigen Typs der Formel:
H(CH&sub2;)a(OC&sub2;Ha)&sub3;OSO&sub3;Na
wobei
a eine ganze Zahl im Bereich von ca. 6 bis ca. 10 darstellt.
Dieses Tensid ist im Handel von Halliburton Energy Services, Duncan, Oklahoma unter dem Warennamen "CFA-S" erhältlich.
Ein weiteres besonderes bevorzugtes Schäumungsmittel des oben erwähnten Typs besteht aus einem Tensid der Formel:
H(CH&sub2;)a(OC&sub2;H&sub4;)bOSO&sub3;NH&sub4;
wobei
a eine ganze Zahl im Bereich von ca. 5 bis ca. 15,
und
b eine ganze Zahl im Bereich von ca. 1 bis ca. 10 darstellt.
Dieses Tensid ist von Halliburton Energy Services unter dem Warennamen "HALLIBURTON FOAM ADDITIVE" erhältlich.
Ein weiteres Schäumungsmittel, das in den erfindungsgemäßen Zementzusammensetzungen verwendet werden kann, enthält polyethoxylierte Alkohole der Formel:
H(CH&sub2;)a(OC&sub2;H&sub4;)bOH
wobei:
a eine ganze Zahl im Bereich von ca. 10 bis ca. 18,
und
b eine ganze Zahl im Bereich von ca. 6 bis ca. 15 darstellt.
Dieses Tensid ist von Halliburton Energy Services unter dem Warennamen "AQF-1" erhältlich.
Noch ein weiteres Schäumungsmittel, das verwendet werden kann, besteht aus einem Natriumsalz der alpha-Olefinsulfonsäure (AOS), die eine Mischung von Verbindungen der Formeln:
X[(CH&sub2;)nC=C-(CH&sub2;)mSO&sub3;Na]
und
Y[H(CH&sub2;)p-COH-(CH&sub2;)qSO&sub3;Na]
darstellt, wobei:
n und m einzeln ganze Zahlen im Bereich von ca. 6 bis ca. 16,
p und q einzeln ganze Zahlen im Bereich von ca. 7 bis ca. 17 und
X und Y Fraktionen darstellen, wobei die Summe von X und Y 1 ist.
Dieses Schäumungsmittel ist von Halliburton Energy Services unter dem Warennamen "AQF-2" erhältlich.
Noch ein weiteres schäumendes Tensid, das verwendet werden kann, besteht aus einem Alkoholethersulfat der Formel:
H(CH&sub2;)a(OC&sub2;H&sub4;)bSO&sub3;NH&sub4;
wobei:
a eine ganze Zahl im Bereich von ca. 6 bis ca. 10
und
b eine ganze Zahl im Bereich von ca. 3 bis ca. 10 darstellt.
Welches Schäumungsmittel spezifisch verwendet wird, hängt von verschiedenen Faktoren wie dem Typ der Formationen ab, in die der geschäumte Zement eingegeben werden soll. Im Allgemeinen wird das verwendete Schäumungsmittel in eine erfindungsgemäßen Zementzusammensetzung in einer Menge im Bereich von ca. 1,5 bis ca. 10 Gew.-%, auf das Wasser in der Zusammensetzung bezogen, eingearbeitet. Handelt es sich bei dem Schäumungsmittel um eines der bevorzugten, oben beschriebenen Tenside, so wird es in die Zusammensetzung in einer Menge im Bereich von ca. 4 bis ca. 9,5 Gew.-%, auf das darin enthaltene Wasser bezogen, eingearbeitet.
Auch wird ein Schaumstabilisierungsmittel in die geschäumte Zementzusammensetzung zur Verbesserung der Stabilität der geschäumten Zementaufschlämmung eingearbeitet. Ein derartiges Schaumstabilisierungsmittel besteht aus einer Verbindung der Formel:
wobei:
R Wasserstoff oder einen Methylrest und
n eine ganze Zahl im Bereich von ca. 20 bis ca. 200 darstellt.
Ein besonders bevorzugtes Schaumstablilisierungsmittel des obigen Typs besteht aus einem Methoxypolyethylenglykol der Formel:
CH&sub3;O(CH&sub2;CH&sub2;O)nCH&sub2;OH
wobei:
n im Bereich von ca. 100 bis ca. 150 liegt.
Dieses Schaumstabilisierungsmi ttel ist im Handel von Halliburton Energy Services unter dem Warennamen "HALLIBURTON FOAM STABILIZER" erhältlich.
Bei dem bevorzugten Schaumstabilisierungsmittel handelt es sich um eine Verbindung der Formel:
R-CONHCH&sub2;CH&sub2;CH&sub2;N&spplus;(CH&sub3;)&sub2;CH&sub2;CO&sub2;-
wobei:
R für eine gesättigte aliphatische C&sub1;&sub0;- bis C&sub1;&sub8;-Kohlenwasserstoffgruppe oder eine Oleylgruppe oder Linoleylgruppe steht.
Ein besonders bevorzugtes Stabilisierungsmittel des obigen Typs besteht aus einem Amidopropylbetain der Formel:
R-CONCH&sub2;CH&sub2;CH&sub2;N&spplus;(CH&sub3;)&sub2;CH&sub2;CO&sub2;-
wobei:
R eine Cocoylgruppe darstellt.
Dieses Schaumstabilisierungsmittel ist im Handel von Halliburton Energy Services unter dem Warennamen "HC-2WZ" erhältlich.
Das Schaumstabilisierungsmittel wird in eine erfindungsgemäße Zementzusammensetzung in einer Menge im Bereich von ca. 0,75 bis ca. 5 Gew.-%, auf das verwendete Wasser bezogen, eingearbeitet. Handelt es sich bei dem Schaumstabilisierungsmittel um eines der besonders bevorzugten oben beschriebenen Mittel, so liegt es in der Zusammensetzung bevorzugt in einer Menge im Bereich von ca. 2 bis ca. 5 Gew.-%, auf das Wasser bezogen, vor.
Die Bohrungs-Zementzusammensetzungen, die hier von Nutzen sind, können andere Zusatzmittel enthalten, die dem Fachmann gut bekannt sind, unter anderem Zusatzmittel, die den Fluidverlust unter Kontrolle halten, die Abbindung verzögernde Zusatzmittel, Dispergiermittel, Formationskonditionierzusatzmittel, Abbindebeschleuniger und dergleichen.
Dispergiermittel können zum Erleichtern der Verwendung geringerer Mengen Wasser und zur Erzielung höherer Festigkeitswerte im abgebundenen Zement verwendet werden. Ein besonders geeignetes Dispergiermittel für die Verwendung bei den erfindungsgemäßen Bohrungs-Zementzusammensetzungen besteht aus dem Kondensationspolymerprodukt eines aliphatischen Ketons, eines aliphatischen Aldehyds und einer Verbindung, durch die Säuregruppen in das Polymer eingeführt werden, z. B. Natriumsulfit. Ein derartiges Dispergiermittel wird im an George et al. am 10. Dezember 1985 vergebenen US-Patent Nr. 4.557.763 beschrieben, auf das Bezug genommen werden soll.
Beispiele von Zusatzmitteln, die den Fluidverlust unter Kontrolle halten, sind Cellulosederivate wie Carboxymethylhydroxyethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, modifizierte Polysaccharide, Polyacrylamide, Guarderivate, 2-Acrylamido-2- methylpropansulfonsäure-Copolymere, Polyethylenamin und dergleichen.
Das Abbinden verzögernde Zusatzmittel werden in die Zementzusammensetzungen dann eingearbeitet, wenn es notwendig ist, die Zeit, während der die Zementzusammensetzung gepumpt werden kann, zu verlängern, so dass sie sich nicht verdickt oder abbindet, bevor sie an einen erwünschten Ort in der zu zementierenden Bohrung eingebracht worden ist. Beispiele von Abbindungsverzögerungsmitteln, die verwendet werden können, sind unter anderem Lignosulfonate wie Calcium- und Natriumlignosulfonat, organische Säuren wie Weinsäure und Glukonsäure, Copolymere und andere. Die richtige, für bestimmte Bedingungen erforderliche Menge Verzögerungsmittel kann durch Durchführen eines "Verdickungszeittests" für das jeweilige Verzögerungsmittel und die Zementzusammensetzung bestimmt werden. Solche Tests sind in der API- 5??pecification for Materials and Testin for Well Cements (API-Spezifikation für Materialien und Prüfungen für Bohrungszemente), API Specification 10, wie oben erwähnt, beschrieben.
Ein besonders bevorzugtes Abbindeverzögerungsmittel zur erfindungsgemäßen Verwendung besteht aus einem Copolymer oder Copolymersalz der 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure und Acrylsäure. Das Copolymer umfasst ca. 40 bis ca. 60 Mol.-% an 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure, wobei der Rest aus Acrylsäure besteht und das Copolymer oder Salz bevorzugt eine Durchschnittsmolmasse von weniger als ca. 5000 aufweist. Dieses Copolymer- Abbindeverzögerungsmittel wird bevorzugt dann in der Zusammensetzung verwendet, wenn die Zirkulationstemperatur im Sohlenschussbohrloch ca. 200ºF übersteigt. Es hat sich erwiesen, dass das Verzögerungsmittel sowohl das Abbindung des Zements bei hohen Formationstemperaturen verzögert und den wässrigen Styrol- Butadien-Latex gegen das Agglomerieren oder eine Inversion bei hohen Temperaturen stabilisiert. Im Allgemeinen wird das Abbindeverzögerungsmittel der Zementzusammensetzung in einer Menge im Bereich von ca. 0,1 bis ca. 6 Gew.-%, auf den hydraulischen Zement in der Zusammensetzung bezogen, zugesetzt.
Die erfindungsgemäßen Zementzusammensetzungen können irgendeinem der bekannten Mischverfahren entsprechend zubereitet werden, so lange der Latex und das latexstabilisierende Tensid nicht direkt ohne vorhergehendes Verdünnen durch andere vorliegende Flüssigkeiten zugemischt werden. Bei einer bevorzugten Methode wird eine Menge Wasser in den Zementmischer eingegeben und Entschäumungsmittel, Latex und Latexstabilisierungsmittel werden daraufhin nacheinander unter geeignetem Rühren zum Dispergieren der Bestandteile zugesetzt. Jegliche anderen flüssigen Zusatzmittel können dann der Aufschlämmung zugemischt werden, gefolgt vom hydraulischen Zement, der pyrogenen Kieselsäure und anderen trockenen Feststoffen. Die Mischung wird eine genügende Zeit lang gerührt, um die Komponenten zu vermischen und eine pumpbare, ungeschäumte Aufschlämmung zu bilden. Wenn die Aufschlämmung geschäumt wird, wird sie in das Bohrloch gepumpt und das Schäumungsmittel und das Schaumstabilisierungsmittel, gefolgt vom Gas, werden während dieses Vorgangs in die Aufschlämmung injiziert. Während die Aufschlämmung und das Gas durch das Bohrloch an den Ort strömen, an den die so entstandene geschäumte Zementzusammensetzung gebracht werden soll, wird die Zementzusammensetzung geschäumt und stabilisiert.
Die erfindungsgemäßen Methoden für das Zementieren einer Zone in einer Bohrung umfassen im Prinzip die Schritte des Eingebens einer erfindungsgemäßen Zementzusammensetzung, die sich zu einer stark rückfederungsfähigen, im wesentlichen undurchdringlichen Masse von hoher Bindefestigkeit in der unterirdischen, zu Zementenden Zone abbindet, und das genügend lange Zurückhalten der Zementzusammensetzung in der Zone, damit sich die Zementzusammensetzung darin abbindet.
Zur weiteren Veranschaulichung der verbesserten Zementzusammensetzungen und erfindungsgemäßen Methoden werden nun folgende Beispiele aufgeführt.

Beispiel 1

Proben von ungeschäumten erfindungsgemäßen Zementzusammensetzungen, die aus hydraulischem API-Portland-Zement der Klasse H, pyrogener Kieselsäure, einem Dispergiermittel, einem wässrigen Styrol-Butadien-Latex, einem Latexstabilisierungsmittel und einem Entschäumungsmittel bestehen, wurden zubereitet. Zwei der Proben enthielten auch ein Quellzusatzmittel. Beschreibungen der Proben sind in Tabelle 1, unten, zu finden. Teile einer jeden der Proben wurden in Geräte zum Ausprüfen der Bindefestigkeit unter Schub und der hydraulischen Bindefestigkeit eingegeben. Man ließ sie dort über eine Zeitspanne von einer Woche bei einer Temperatur von 140ºF unter Atmosphärendruck abbinden. Die Proben wurden daraufhin auf ihre Bindefestigkeit unter Schub und ihre hydraulische Bindefestigkeit getestet.
Die hydraulische Bindefestigkeit unter Schub von abgebundenem Zement im Ringraum zwischen einer Rohrleitung, die sich in einem Bohrloch befindet, und den Wänden des Bohrlochs wird als die Stärke der Bindung zwischen dem abgebundenen Zement und einer mechanisch vom Zement gestützten Rohrleitung definiert. Die Bindefestigkeit der Probe unter Schub wurde durch Messen der Kraft bestimmt, die erforderlich ist, um die Bewegung des Rohrleitungsabschnitts herbeizuführen, der durch die Proben in das das Bohrloch simulierende Testgerät einzementiert worden ist, d. h. Rohrleitungsabschnitte von größerem Durchmesser. Die Kräfte, die bestimmt worden sind, wurden durch die Kontaktoberflächen zwischen Zement und Rohrleitung geteilt und ergaben die Bindefestigkeit unter Schub in psi.
Die hydraulische Bindefestigkeit des abgebundenen Zements blockiert die Migration von unter Druck stehenden Fluiden in einen zementierten Ringraum. Die hydraulische Bindefestigkeit der Probe wurde durch Aufbringen von Druck auf die Grenzfläche zwischen der Rohrleitung und dem abgebundenen Zement bis zum Auftreten eines Lecks bestimmt. Die hydraulische Bindefestigkeit einer Probe von abgebundenem Zement in psi entspricht dem hydraulischen Druck, bei dem ein Leck aufgetreten ist. Die Ergebnisse dieser Tests sind ebenfalls in der folgenden Tabelle 1 angegeben. TABELLE 1 Prüfergebnisse bezüglich der Haftfestigkeit einer ungeschäumten Zementzusammensetzung
¹ Wässriger Styrol-Butadien-Latex (25 : 75 Gew.-%), enthält 50 Gew.-% Wasser ("LATEX 2000" von Halliburton Energy Services).
² Natriumsalz von sulfonierten und ethoxylierten Verbindungen der Formel H(CH&sub2;)&sub1;&sub2;&submin;&sub1;&sub5;(CH&sub2;CH&sub2;O)&sub1;&sub5;SO&sub3;Na ("AVANEL S150" von PPG Mazer)
³ Zementquellmittel ("MICROBOND M" von Halliburton Energy Service, Duncan, Oklahoma)
&sup4; Polydimethylsiloxan
&sup5; Kondensationspolymerprodukt aus Keton, Aldehyd und Natriumsulfit ("CFR-3 " von Halliburton Energy Services, Duncan, Oklahoma)
Aus Tabelle I ist ersichtlich, dass die erfindungsgemäßen ungeschäumten Zementzusammensetzungen eine ausgezeichnete Bindefestigkeit unter Schub und eine ausgezeichnete hydraulische Bindefestigkeit aufweisen.

Beispiel 2

Es wurden Proben von erfindungsgemäßen geschäumte Zementzusammensetzungen, bestehend aus hydraulischem Zement, pyrogener Kieselsäure, einem wässrigen Kautschuklatex, einem Latexstabilisierungsmittel, einem Entschäumungsmittel, Luft, einem Schäumungsmittel und einem Schaumstabilisierungsmittel zubereitet. Eine der geschäumten Zementzusammensetzungen enthielt auch Hämatit-Streckmittel, Sand einer Maschengröße von 100, ein Abbindungsverzögerungsmittel und ein Verzögerungsintensivierungsmittel. Für jede Probe wurde zuerst eine ungeschäumte, Entschäumungsmittel enthaltende Zementaufschlämmung unter Zuhilfenahme eines Mischgeräts zubereitet. Eine vorbestimmte Menge der dadurch erhaltenen Aufschlämmung wurde daraufhin in ein Mischgefäß von unveränderlichem Volumen mit einer übereinander angeordneten Reihe von Rührschaufeln eingegeben. Das Schäummittel und das Schaumstablisiermittel wurden daraufhin in das Gefäß gegeben und der Inhalt wurde bei hoher Geschwindigkeit gemischt. Das Hochgeschwindigkeitsmischen durch die übereinander angeordneten Rührschaufeln führte zum Schäumen der Aufschlämmung mit Luft. Die Beschreibung der Proben ist folgenden Tabelle IIA zu finden.
Die geschäumten Proben ließ man eine Woche bei 140ºF und Luftdruck abbinden, woraufhin Teile der Proben verschiedenen Tests zur Bestimmung ihrer Eigenschaften unterworfen wurden. Noch spezifischer wurden uneingeschränkte Einachsen- und eingeschränkte Dreiachsenfestigkeitstests durchgeführt und die Youngschen Module und Poissonschen Zahlen sowie die Komprimierbarkeit großer Mengen, die Schubmodule und die Bruchfestigkeit bestimmt, wobei alle diese Bestimmungen den standardisierten Tests und Verfahren der American Society for Testing and Materials (ASTM), die beispielsweise in ASTM Abschnitt D 1456 aufgeführt sind, durchgeführt wurden. Die Ergebnisse der Tests und Bestimmungen sind in der folgenden Tabelle IIB aufgeführt. TABELLE IIA Geschäumte Zementzusammensetzung
¹ Wässriger Styrol-Butadien-Latex (25 : 75 Gew.-%), enthält 50 Gew.-% Wasser ("LATEX 2000" von Halliburton Energy Services).
² Natriumsalz von sulfonierten und ethoxylierten Verbindungen der Formel H(CH&sub2;)&sub1;&sub2;&submin;&sub1;&sub5;(CH&sub2;CH&sub2;O)&sub1;&sub5;SO&sub3;Na ("AVANEL S150" von PPG Mazer)
³ Copolymer von "AMPS" und N,N-Dimethylacrylamid (US-Patenet Nr. 4.555.269)
&sup4; Copolymer aus "AMPS" und Acrylsäure (US-Patent Nr. 4.941.536)
&sup5; Weinsäure
&sup6; Polydimethylsiloxan
&sup7; Natriumsalz der alpha-Olefinsulfonsäure
&sup8; Cocoylamiidpropylbetain
&sub9; Wässerige Dispersion von 50 Gew.-% pyrogener Kieselsäure, auf das Wasser bezogen
¹&sup0; Ethoxyliertes Nonylphenol mit 15-40 Mol Ethylenoxid, zum Ersatz des in Anmerkung 2 beschreibenen Latexstabilisierungsmittels TABLELLE IIB Ergebnisse der Prüfung auf Bindungsfestigkeit und Rückfederungsvermögen
¹ Die Zahl in Klammern ist die Dichte der Probe in Pfund/Gallone
&sub2; Der Grunddruck betrug 2220 psi.
³ Der Grunddruck betrug 286 psi.
Die in Tabelle IIB gezeigten Ergebnisse veranschaulichen, dass die erfindungsgemäßen geschäumten Zementzusammensetzung eine ausgezeichnete Bindefestigkeit und ein ausgezeichnetes Rückfederungsvermögen aufweisen.

Claims

1. Eine Bohrloch-Zementierzusammensetzung mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, einschließlich Elastizität und Dehnbarkeit, bestehend aus folgendem: einem hydraulischen Zement; pyrogener Kieselsäure in Mengen von 5 bis 30% Massenanteil des hydraulischen Zements der Zusammensetzung; einem wässrigen Gummilatex in Mengen von 2, 5 bis 45% Massenanteil des hydraulischen Zements der Zusammensetzung und einer wirksamen Menge eines Latexstabilisierungsmittels.

2. Eine Zusammensetzung nach Anspruch 1, bei der das Latexstabilisierungsmittel aus Tenside mit der Formel

R-Ph-O(OCH&sub2;CH&sub2;)mOH

ausgewählt wird, wobei R eine Alkylgruppe mit zwischen 5 bis 30 Kohlenatomen, Ph ein Phenyl und m eine Ganzzahl zwischen 5 und 50 darstellt; und Tenside mit der allgemeinen Formel

R&sub1;(OR&sub2;)aSO&sub3;X

wobei R&sub1; aus Alkylgruppen mit zwischen 1 und 30 Kohleatomen, Cykloalkangruppen mit zwischen 5 und 6 Kohleatomen, C&sub1;- C&sub4; alkylsubstituierten Cykloalkangruppen, Phenyl, alkylsubstituiertem Phenyl mit der allgemeinen Formel (R&sub3;)aPh- ausgewählt wird, wobei Ph Phenyl, R&sub3; eine Alkylgruppe mit zwischen 1 bis 18 Kohleatomen und a eine Ganzzahl von 1 bis 3 darstellt sowie Phenyl- Alkylgruppen, bei denen die Alkylgruppen zwischen 1 und 18 Kohleatomen aufweisen, R&sub2; eine substituierte Ethylengruppe mit der Formel -CH&sub2;CH&sub2;R&sub4; darstellt, wobei R&sub4; aus Wasserstoff, Methyl, Ethyl oder einer Mischung dieser Stoffe ausgewählt wird und n eine Zahl zwischen 0 und 40 darstellt, vorausgesetzt dass, wenn R&sub1; ein Phenyl oder eine alkylsubstituiertes Phenyl ist, n mindestens 1 ist und X ein verträgliches Kation darstellt.

3. Eine Zusammensetzung nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei der Wasser in der erwähnten Mischung in einer Menge von zwischen 22 und 95% Massenanteil des darin befindlichen Zements enthalten ist.

4. Eine Zusammensetzung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, wobei der erwähnte Zement Portlandzement ist.

5. Eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erwähnte wässrige Gummilatex ein wässriger Styrol-/Butadienlatex ist.

6. Eine Zusammensetzung nach Anspruch 5. wobei der erwähnte wässrige Styrol- /Butadienlatex Wasser in Mengen von größtenteils 50% Massenanteil des erwähnten Latex beinhaltet, und das Gewichtsverhältnis zwischen Styrol und Butadien im erwähnten Latex größtenteils bei 25 : 75% liegt.

7. Eine Zusammensetzung nach den Ansprüchen 5 oder 6, wobei das erwähnte Latexstabilisierungsmittel in der Zementzusammensetzung in einer Menge von zwischen 9 und 35% Massenanteil des darin befindlichen wässrigen Styrol- /Butadienlatex vorhanden ist.

8. Eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das erwähnte lLatexstabilisierungsmittel aus Tenside mit der allgemeinen Formel

R&sub5;-Ph(OR&sub6;)&sub0;SG&sub3;X

ausgewählt wird, wobei R&sub5; eine Alkylgruppe mit zwischen 1 bis 9 Kohleatomen, R&sub6; die Gruppe -CH&sub2;CH&sub2;-, o eine Ganzzahl zwischen 10 und 20 und X ein verträgliches Kation darstellt.

9. Eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das erwähnte Latexstabilisierungsmittel aus Tenside mit der folgenden Formel ausgewählt wird R&sub7;(OR&sub8;)pSO&sub3;X

wobei R&sub7; eine Alkylgruppe mit zwischen 5 und 20 Kohleatomen, R&sub8; die Gruppe - CH&sub2;CH&sub2;-, p eine Ganzzahl zwischen 10 und 40 und X ein verträgliches Kation darstellt.

10. Eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das lLatexstabilisierungsmittel aus mit zwischen 15 bis 40 Mol Ethylenoxid ethoxyliertem Nonylphenol und dem Salz einer sulfonierten und ethoxylierten Mischung mit der Formel H(CH&sub2;)&sub1;&sub2;&submin;&sub1;&sub5;(CH&sub2;CH&sub2;O)&sub1;&sub5;SSO&sub3;Na ausgewählt wird.

11. Eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, weiter bestehend aus einem Entschäumungsmittel, zusammengesetzt aus Polydimethylsiloxan, das in der erwähnten Zusammensetzung in Mengen von zwischen 0,1 und ca. 0,9% Massenanteil des in der Zusammensetzung vorhandenen hydraulischen Zements vorhanden ist.

12. Eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, weiter bestehend aus folgendem: einem zum Schäumen der erwähnten Zementzusammensetzung und zum Erzeugen einer Zementdichte von zwischen 8 und 16 Pfund pro US Gallone in ausreichender Menge vorhandenen Gases; einer wirksamen Menge Schäumungsmittel und einer wirksamen Menge eines Schaumstabilisierungsmittels.

13. Eine Zusammensetzung nach Anspruch 12, wobei das Schäumungsmittel Natriumsalz aus alpha-oelefinischer Sulfosäure besteht und in einer Menge von zwischen 4 und 9,5% Massenanteil des in der Zusammensetzung vorhandenen Wassers vorhanden ist.

14. Eine Zusammensetzung nach den Ansprüchen 12 oder 13, wobei das erwähnte Schaumstabilisierungsmittel ein Amidopropylbetain mit der Formel

R-CONHCH&sub2;CH&sub2;CH&sub2;N&spplus;(CH&sub3;)&sub2;CH&sub2;CO&sub2;-

darstellt, wobei R eine Cocoylgruppe darstellt, die in einer Menge von zwischen 2 und 5% Massenanteil des in der erwähnten Zusammensetzung vorhandenen Wassers vorhanden ist.

15. Eine Vorgehensweise der Zementierung eines unterirdischen Bohrlochs, bestehend aus dem Einführen einer Zementzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und dem Härten der Zementzusammensetzung im erwähnten Bohrloch.