DE69914461T2

DE69914461T2 - Zusammensetzungen zur verwendung beim bohren, reparieren und/oder verlassen von bohrlöchern

Info

Publication number: DE69914461T2
Application number: DE69914461T
Authority: DE
Inventors: Gerard Martin BOSMA; Kerst Erik CORNELISSEN; William Paul EDWARDS; Theodora Petronella REIJRINK
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1998-02-26
Filing date: 1999-02-24
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2019-02-25
Also published as: EA200000883A1; AR014644A1; WO1999043923A1; NO20004283D0; US6196316B1; AU3327799A; DE69914461D1; CA2320711C; MY122420A; EP1060325A1; AU749044B2; EP1060325B1; NO20004283L; CA2320711A1; BR9908265A; NO318614B1; TR200003013T2; CN1292059A; ID25485A; GC0000046A

Description

satrDie vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf Vervollständigungs- und Reparaturmethoden bei Öl- und Gasbohrungen.
Die Hauptziele beim Niederbringen einer Bohrung sind die Schaffung einer Verbindung zum Öl- und/oder Gasreservoir und die Installierung einer Verrohrung zwischen dem Reservoir und der Erdoberfläche. Der äußere Stahlschutz wird als Verrohrung bezeichnet. Die Verrohrung erfordert eine gasdichte Abdichtung zwischen dem Reservoir und der Erdoberfläche. Um eine derartige Abdichtung zu erreichen, wird der Ringraum (der Spalt zwischen der Verrohrung und dem Fels/der Formation) einem Zementieren (oder Verpressen) unterzogen. Diese Behandlung wird normalerweise als Primärzementieren bezeichnet. Die Hauptaspekte eines Primärzementierens sind ein Unterbrechen einer Strömung zwischen verschiedenen Reservoiren, ein Standhalten gegenüber auf die Bohrung einwirkenden äußeren und inneren Drücken durch Bereitstellen einer Strukturverstärkung und das Verhindern einer Korrosion der Stahlverrohrung durch chemisch aggressive Reservoirfluide.
Ein schlechtes Zementieren kann zu einer Migration von Reservoirfluiden führen, was sogar zu einer Gaswanderung durch Mikroannuli in der Bohrung führen kann, was nicht nur die Kostenwirksamkeit der Bohrung verringert, sondern auch einen Ausbruch ("blow out") verursachen kann, der zu einer erheblichen Beschädigung führt. Wenngleich Reparaturarbeiten ("Sekundärzementierung") möglich sind (im Wesentlichen Einpressen von weiterem Zement in die Risse und Mikroannuli), sind diese kostspielig und führen nicht immer zu den gewünschten Ergebnissen.
Wenn eine Sonde das Ende ihrer ökonomisch produktiven Lebensdauer erreicht hat, muß die Sonde in Übereinstimmung mit örtlichen Vorschriften aufgegeben werden. Das Aufgeben wird üblicherweise dadurch vorgenommen, daß zunächst jedes Stahlrohr in einer großen Anzahl von aufeinanderfolgenden Stufen verstopft wird, die Stahlrohre abgeschnitten und entfernt werden und ein großer Zementpfropfen gesetzt wird, um die Bohrung abzudichten. Da nur ein verhältnismäßig kleines Zementvolumen (typisch in der Größenordnung von 100 m) zum Einbringen des Stopfens verwendet wird, muß die Qualität ausreichend sein, da der Stopfen als eine Dichtung für eine sehr lange Zeitdauer dienen wird.
Die üblichen Aufgabetätigkeiten sind sehr kostspielig, insbesondere in einer off-shore-Umgebung, da sie die Anwendung eines workover- oder Bohrturms erfordern. Es wäre sehr günstig, wenn Methoden verfügbar wären, die zu einem Aufgeben von Sonden ohne die Notwendigkeit, die Produktionsverrohrung zu entfernen, führen könnte.
Einer der wesentlichen Nachteile der Anwendung von herkömmlichen Zementiermaterialien wie Klasse G-Zement (beispielsweise OPC: Ordinary Portland Cement, gewöhnlicher Portlandzement) beim Verstopfen liegt darin, daß derartige Materialien wegen des ihnen innewohnenden Schrumpfens der Materialien keine gasdichte Dichtung erreichen können. Das Schrumpfen oder Schwinden liegt typisch in der Größenordnung von 4 bis 6 Vol.%, was eine Gasmigration durch die infolge des Schwindens gebildeten Mikroannuli verursacht. Die Anwendung eines derartigen Zementiermaterials im "Hilfssekundärzementieren" hat den Nachteil, daß die übliche Korngröße zu groß ist, um frei in die Mikroannuli einzutreten, was die Qualität der Dichtung beeinträchtigt.
Auf der Suche nach wirksamen Zementiermaterialien muß unter anderem auf die folgenden Anforderungen Bedacht genommen werden: das Material sollte gasdicht sein (das heißt wenigstens 2 bar pro m standhalten), es sollte eine regelbare Abbindezeit aufweisen, so daß einem Bereich von Temperaturen und Bohrungstiefen (die jeweils verschiedene Bedingungen erfordern) entsprochen werden kann, es sollte bis zu 250°C thermisch beständig sein sowie gegenüber Reservoirfluiden für sehr lange Zeitperioden chemisch beständig sein, und seine rheologischen Eigenschaften sollten derart sein, daß ein Pumpen durch exi stierende Ölfeldausrüstungen ohne allzu große Probleme vorgenommen werden könnte.
Ein breiter Bereich von nicht-zementartigen Verstopfungsmitteln wurde vorgeschlagen, um wenigstens einen Teil der vorstehend dargelegten Probleme zu bewältigen. Beispiele für derartige Materialien sind Epoxyharze (R. Ng und C. H. Phelps: "Phenolic/Epoxy Resins for water/Gas Profile Modification and Casing Leak Repair" – Paper ADSPE Nr. 90, präsentiert auf der ADIPEC in Abu Dhabi, 16.–19. Oktober 1994), Phenol- oder Melaminformaldehyd (W. V. C. de Landro und D. Attong: "Case History: Water Shut-off using Plastic Resin in a High Rate Gravel pack Well" – Paper SPE 36125, präsentiert auf der 4^th Latin American and Caribbean Petroleum Engineering Conference, Port of Spain, Trinidad, 23.–26. April 1996) und Polyacrylate (US-Patent 5,484,020, Shell Oil).
Wenngleich derartige Materialien zur Lösung einiger der bei traditionellen Pfropfen auf Zementbasis auftretenden Probleme förderlich sein können, gibt es nach wie vor erhebliche Nachteile, die berücksichtigt werden müssen, etwa hinsichtlich Handhabungsaspekten, Regelung von Abbindezeiten und Langzeitbeständigkeit.
Zur Verwendung als Verstopfungsmaterialien wurden auch Kautschukmaterialien generell vorgeschlagen. Bezug genommen wird auf das US-Patent 5,293,938 (Halliburton Company), das auf die Verwendung von Zusammensetzungen gerichtet ist, die im Wesentlichen aus einem Gemisch einer Aufschlämmung eines hydraulischen Zementes (wie Portlandzement) und einem vulkanisierbaren Kautschuklatex bestehen. In dieser US-Patentschrift speziell angeführte Kautschukmaterialien sind natürliche Kautschuke, cis-Polyisopren-Kautschuk, Nitrilkautschuk, Ethylen-Propylen-Kautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk, Butylkautschuk und Neoprenkautschuk. Die Anwendung von Silikonkautschuk wird auch als eine Möglichkeit angeführt, doch weist ein derartiger Kautschuk im Allgemeinen weniger wünschenswerte physikalische Eigenschaften auf, was den Einbau von anorganischen Streckmitteln erforderlich macht.
Die Vulkanisation des Kautschuks führt zur Vernetzung der Polymerketten, was durch Einbau eines oder mehrerer Vernetzungsmittel (das am meisten verwendete ist Schwefel) in den Kautschuklatex bewirkt werden kann (Latex ist definiert als die wässerige Dispersion oder Emulsion des entsprechenden Kautschuks).
In der Europäischen Patentschrift 0 325 541 (Merip Tools International S. A.) wird die Verwendung einer Kittmasse ("Mastic") zur Ausbildung von Fugen beschrieben, die Zonen in Bohrungen trennen. Geeignete Verbindungen werden aus flüssigen Elastomeren wie Fluorsilikonen, Polysulfiden, Polythioethern sowie Epoxy- oder Phenolharzen gebildet.
Das US-Patent 5,595,826 offenbart additionshärtbare Organopolysiloxan-Zusammensetzungen, und das US-Patent 5,656,710 beschreibt bei Raumtemperatur vulkanisierbare (RTV) niedrigviskose Silikondichtmassen.
Das Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der Europäischen Patentanmeldung 0 295 712 bekannt, das eine bei Raumtemperatur vulkanisierbare Silikonbeschichtung rund um ein isoliertes Ölbohrungsrohr beschreibt, welcher Überzug als ein Band um das Rohr gewickelt wird, bevor das Rohr in die Bohrung eingeführt wird.
Das Verfahren gemäß der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 charakterisiert.
Es wurde nunmehr gefunden, daß eine spezielle Klasse von bei Raumtemperatur vulkanisierbaren (RTV) Silikonkomponenten in vorteilhafter Weise bei der Reparatur und bei Aufgabeoperationen von Bohrungen verwendet werden kann. Im Falle einer Aufgabeoperation von Bohrungen können sie entweder in Form eines Gemisches mit einer geeigneten Zementverbindung beim Setzen eines Pfropfens oder als ein Dichtungskörper über einem existierenden Pfropfen auf Zementbasis verwendet werden.
Silikonkautschuke, die eine Dichtungswirkung ausüben, können auf der Basis ihrer Herstellungsmethode differenziert werden. Auch ihre Eigenschaften hängen in einem bestimmten Ausmaß von der in Betracht gezogenen chemischen Zusammensetzung ab.
Eine erste Klasse von Silikondichtmittel kann so beschrieben werden, daß sie nach einem Kondensationstyp eines Härtungsvorganges unter Anwendung eines Kondensationskatalysators bereitet worden sind, wie nachstehend in (1) dargestellt: ^{^^^}Si-(CH₃)₂-O-H + C₂H₅-O-Si(X)(Y)- → ^{^^^}Si-(CH₃)₂-O-Si(X)(Y)- + C₂H₅OH (1),worin X und Y inerte Gruppen darstellen und ^{^^^} das Polymerrückgrat des Silanol-terminierten Polymers bedeuten.
Eine zweite, verwandte Klasse von Silikondichtmitteln kann dadurch beschrieben werden, daß sie durch Terminieren eines Si-lanol-funktionellen Polymers mit einem reaktionsfähigen Vernetzungsmittel ausgebildet worden ist. Dieses ist ebenfalls eine Kondensationsreaktion unter Anwendung eines Kondensationskatalysators, wie nachstehend in (2) dargestellt: ^{^^^}Si(CH₃)₂-O-H + Z-Si(A)(B)-R → ^{^^^}Si(CH₃)₂-O-Si-(A)(B)-R + H-Z (2),worin Z, A und B jeweils für eine Gruppe stehen, die zur Reaktion mit dem -O-H-Rest des Silanol-terminierten Polymers befähigt ist, R das Rückgrat des reaktionsfähigen Vernetzungsmittels darstellt und ^{^^^} das Polymerrückgrat des Silanol-terminierten Polymers bedeuten. Es ist auch möglich, das gemäß der Reaktion (2) ausgebildete Silikon einem weiteren Hydrolyseschritt zu unterziehen, worin die als ^{^^^}Si(CH₃)₂-O-Si-(A)(B)-R identifizierte Zusammensetzung mit Wasser unter Ausbildung eines vernetzten Silkonelastomers und der Nebenprodukte H-A und/oder H-B reagiert. Dieser Vorgang ist als feuchtigkeitskatalysierte Vulkanisation bekannt.
Eine dritte Klasse von Silikondichtmitteln kann so beschrieben werden, daß sie durch einen Additionshärtungsvorgang hergestellt worden ist, unter Anwendung eines Platinkatalysators unter Bedingungen einer erhöhten Temperatur, wie nachstehend in (3) dargestellt: -Si(K)(L)-H + H₂C=CH-Si(CH₃)₂- O^{^^^} → -Si(K)(LY)-CH₂-CH₂-Si(CH₃)₂-O^{^^^} (3),worin K und L inerte Gruppen sind und ^{^^^} das Rückgrat des vinylfunktionellen Silikonpolymers darstellen.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß Bohrlochreparatur- und -aufgabeoperationen in vorteilhafter Weise und mit einer besseren Kontrollierbarkeit ausgeführt werden können, wenn RTV-Silikondichtmittel zum Einsatz gelangen, die auf dem "Additionshärtungs"-Prinzip statt auf dem "Kondensations"-Prinzip beruhen. Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, daß die Nebenprodukte, die beim Ausbilden von Silikondichtmitteln in situ über das Härten vom Kondensations-Typ erhalten werden, die Wirksamkeit solcher Materialien beeinträchtigen, wenn sie mit (zementösen) Teilen in Kontakt gelangen, die in der Bohrung vorliegen. Darüber hinaus gibt es strukturelle Unterschiede, die einen Einfluß auf die Eigenschaften haben können.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich daher generell auf die Anwendung von additionshärtenden RTV-Silikonformulierungen bei Bohrlocherrichtungs-, -reparatur- und -aufgabeoperationen.
Im Speziellen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Ausbildung eines temporären oder permanenten Pfropfens in einer Bohrung oder in einer oder in mehreren unterirdischen Formationen, die von der Bohrung durchsetzt werden, das entweder ein Anordnen eines Gemisches aus einem Zement und einer additionshärtenden RTV-Silikonformulierung in der einen oder den mehreren unterirdischen Formationen oder in der Bohrung an einer gewünschten Stelle darin umfaßt oder ein Anordnen einer additionshärtenden RTV-Silikonformulierung über einem existierenden, nicht gasdichten Pfropfen und ein Abbindenlassen der Silikonformulierung unter Ausbildung eines gasdichten Pfropfens umfaßt.
Die bemerkenswerten Ergebnisse gemäß der vorliegenden Erfindung können erzielt werden, wenn ein Zweikomponenten-RTV (bei Raumtemperatur vulkanisierender)-Silikonkautschuk oder fluorhältiger RTV-Silikonkautschuk verwendet wird. Derartige Zweikomponentensysteme umfassen zwei Grundchemikalien: ein hydridfunktionelles Silikonvernetzungsmittel und ein vinylfunktionelles Silikonpolymer. Werden diese Grundverbindungen in Kontakt miteinander gebracht, so werden sie reagieren, vermutlich über das Additionshärtungsprinzip, wie zuvor erörtert, wodurch ein Silikonkautschuk oder ein gelähnliches Material ausgebildet wird. Einer der Vorteile dieses Härtungssystems liegt darin, daß es kein externes Reagens erfordert, um die Umsetzung zu initiieren (wie Wasser, das beispielsweise in feuchter Luft vorliegt). Ein weiterer Vorteil dieses Härtungssystems liegt darin, daß es keine unerwünschten oder schädlichen Nebenprodukte wie Alkohole oder Essigsäure produziert. Es ist auch nicht durch die Diffusion eines der Reaktanten (das heißt der feuchten Luft) in die andere, sehr viskose Komponente hinein begrenzt. Die Reaktion der Komponenten wird daher unabhängig von ihren jeweiligen Volumina fortschreiten.
Im Prinzip kann jedes Zweikomponenten-RTV-System, das auf der Härtungsreaktion zwischen den einzelnen Komponenten beruht, für eine Vielzahl von Bohrlocherrichtungs-, -reparatur- und – aufgabeoperationen verwendet werden. Derartige Systeme sind bis zu sehr hohen Temperaturen beständig, beispielsweise bei Temperaturen bis zu 250°C oder sogar bis zu 300°C, und sie sind chemisch inert. Darüber hinaus kann das Abbindeverhalten dieser speziellen Type von RTV-Silikonkautschuken und -gelen verzögert oder beschleunigt werden. Ihre rheologischen Eigenschaften eigenen sich für Spiralverrohrungsanwendungen. Es wurde auch festgestellt, daß sogenannte Sandwichpfropfen (RTV- Silikongele, verstärkt durch eine Zementsäule) hohen Differentialdrücken (beispielsweise Drücken von bis zu 80 bar/m und möglicherweise noch höher) standhalten konnten, während sie ihre Eigenschaft, gasdicht zu sein, beibehielten.
Die Silikonformulierungen auf der Basis des "Additionshärtungs"-Prinzips können in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden.
Beispielsweise können sie zur Zonenisolierung oder zum Ersetzen einer beschädigten oder korrodierten Verrohrung durch Anordnen einer niedrigviskosen Zweikomponenten-RTV-Silikonformulierung in der Bohrung eingesetzt werden, um mit der unbeschädigten Verrohrung eine Verbindung einzugehen und jegliche Entweichungszone abzuschließen. Beim Stehen wird das Zweikomponentengemisch ein elastisches kautschukähnliches Material ausbilden, das den ziemlich strengen chemischen und Temperaturbedingungen standhalten kann, denen es ausgesetzt wird.
Die Silikonformulierungen können auch zum Kurieren von Ringraum(Gas)drücken in Öl- und Gasbohrungen durch Abdichten des störenden Ringraumes durch Injizieren eines ursprünglich niedrigviskosen Zweikomponenten-RTV-Silikonkautschuks in den Ringraum angewendet werden, was zur Ausbildung eines zähen viskoselastischen Silikongelpfropfens mit einer hohen Fließspannung führen wird. Typisch kann die Länge eines derartigen Pfropfens zwischen 30 und 50 m betragen. Auf die Behandlung kann eine Spülung mit einer schweren Solelösung (beispielsweise eine Calciumchlorid-, Calciumbromid-, Zinkbromid- oder Cäsiumformiat- oder äquivalente Lösung mit einer festgelegten Dichte) erfolgen, um die Ringraumfluidsäule mit dem herrschenden Reservoirdruck ins Gleichgewicht zu bringen. Die Kombination aus dem Dichtungspfropfen (der seine eigenen vorteilhaften Flexibilitätseigenschaften hat) mit dem hohen hydrostatischen Aufbau, der durch die angewandte Solelösung geschaffen wird, wird teilweise oder sogar vollständig jegliche weitere Gaseinströmung und einen anschließenden Aufbau von Ringraumdrücken vermeiden.
Zweckmäßig kann das Zweikomponentensystem durch Injizieren in den Bohrkopf unter Anwendung einer entsprechenden Injektionspumpe angewendet werden. Es wird bevorzugt, etwaige Ringraumdrücke abzulassen, bevor die Injektionsoperation aufgenommen wird. Es ist auch möglich, das Zweikomponentensystem gegen den hohen Ringraumgasdruck unter entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen einzupumpen.
Ein weiterer Vorteil der Anwendung des Zweikomponenten-RTV-Silikonkautschuksystems liegt darin, daß die Rohre gewünschtenfalls während der künftigen Aufgabephase der Bohrung geborgen werden können.
Die Silikonformulierungen können auch zweckmäßig im Absperren von gefluteten oder ausgegasten Zonen eines Ölreservoirs durch Verstopfen derartiger Zonen mit einem undurchlässigen Silikongelsystem angewendet werden, das zuerst in das poröse Medium als die Zweikomponenten-RTV-Silikonformulierung eingedrückt wird, die dann zur Ausbildung einer chemisch und thermisch hoch undurchlässigen Barriere gegenüber einem Wasser- oder Gasstrom reagiert, was zu einem erheblich höheren Ölschnitt im Vergleich mit der Anwendung von konventionellen Systemen wie Cr (III)-vernetzten Polyacrylamidgellösungen führt.
Derartige Silikonformulierungen sind besonders wichtig, wenn sie in dem sogenannten "shallow plugging" von diskreten gefluteten oder entgasten Reservoirsanden einer Ölbohrung angewendet werden.
Noch eine weitere Anwendung, für die die Zweikomponenten-RTV-Silikonformulierungen in vorteilhafter Weise eingesetzt werden können, umfaßt das Vermeiden und/oder Regeln einer Gaseinströmung in einen Abschnitt einer Öl/Gasbohrung während des Primärzementierens. Diese Anwendung umfaßt im Wesentlichen den Gebrauch der Formulierung als ein Druckfluid in die Bohrung – nach dem Setzen einer Verrohrung – und das Aufrechterhalten eines vorbestimmten Drucks auf das Druckfluid, so daß das Druckfluid radial in durchlässige Formationen der Bohrungswand gedrückt wird, um eine Spülzone mit verringerter Durchlässig keit gegenüber Gasen zu schaffen. Anschließend wird eine Zementaufschlämmung über den sogenannten "work-string" in konventioneller Weise in das Verrohrungsformationsbohrloch gepumpt, um den Ringraum mit Zement abzudichten. Es ist auch möglich, ein Zement/Silikonformulierungs-Gemisch zu verwenden, um noch bessere Ergebnisse zu erzielen.
Die Zweikomponenten-RTV-Silikonformulierungen können auch als eine Zwischenspülung beim Primärzementieren verwendet werden. Es sollte darauf geachtet werden, daß sichergestellt wird, daß die Dichte des Silikonsystems zwischen der Dichte der Zementierungs-Vorspülung und der Dichte der Zementierungs-Nachspülung liegt. Eine derartige Anwendung wird dazu führen, daß das Silikonsystem als ein chemischer Packer in dem Ringhohlraum eingekapselt wird, der mit dem entsprechenden Zement ausgefüllt wird.
Es ist auch möglich, die Zweikomponenten-RTV-Silikonformulierungen beim Abdichten eines verlängerten Rohrstranges gegen die Bohrung oder gegen eine Verrohrung einer existierenden Bohrung anzuwenden, um ein Wandern von Reservoirfluiden in benachbarte Reservoirabschnitte und/oder zur Erdoberfläche zu verhindern. Das Silikonsystem wirkt somit als eine Alternative zu konventionellen Zementierungsmethoden in der Bohrlochkomplettierung.
Die Zweikomponenten-RTV-Silikonformulierungen können auch dazu verwendet werden, ein Silikonkautschuksystem zu schaffen, das eine Alternative zu der bekannten mechanischen Dichtung (Pakker) ist. Traditionellerweise wird ein Zementpfropfen in einer Komplettierung in einem durchgehenden Verrohrungsprozeß installiert werden, um andernfalls unwirtschaftliche Reserven zu gewinnen, die über existierenden Produktionspackerinstallationen liegen. Die Verwendung der Zweikomponenten-RTV-Silikonformulierungen, insbesondere bei Unterstützung durch konventionellen Zement für mechanische Festigkeit, wird gasdichte Abdichtungen bei dieser Anwendung ergeben.
Es ist auch möglich, bekannte externe Verrohrungdichtungen unter Anwendung der Zweikomponenten-RTV-Silikonformulierungen anstelle von konventionellen Systemen auf Zementbasis aufzufüllen. Die mit dem Verfahren nach dem bekannten Stand der Technik (Zement) verbundenen Nachteile eines Schwindens während des Erhärtens sowie ein nicht vorhersagbares Abdichtungsverhalten werden durch die Anwendung der Silikonformulierungen beseitigt.
Es ist auch möglich, die Zweikomponenten-RTV-Silikonformulierungen und Polymer/Zement-Zusammensetzungen beim Zementieren von multilateralen Bohrungen sowie unter Umständen einzusetzen, die ein CO₂-Fluten verursachen, da die Formulierungen in einer derartigen Umgebung hoch resistent erscheinen.
Es wurde gefunden, daß bestimmte, im Handel von Dow Corning erhältliche Silikonkautschukformulierungen in vorteilhafter Weise im Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können. Bezug genommen wird auf Dow Corning-Produkte, die unter den folgenden Bezeichnungen erhältlich sind: 3-4225, 3-4230, 3-4231, 3-4232 und 3-4234. Es wird angenommen, daß die vorstehend erwähnten Produkte zufolge der additionshärtenden Eigenschaften der einzelnen Komponenten (Grundkomponente und Härtungsmittel) funktionsfähig sind.
Bei Anwendung der Silikonkautschukformulierungen zusammen mit einer Zementzusammensetzung wurde gefunden, daß geeignete Silikonkautschuk/Zement-Gewichtsverhältnisse zwischen 5 : 1 und 0,5 : 1, vorzugsweise zwischen 3 : 1 und 1 : 1 liegen. In der Technik wohlbekannte Zementzusammensetzungen können verwendet werden, um das System zu ergeben, das die gasdichten Zusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung ausbilden wird. Beispiele für im Handel erhältliche Zemente sind Portlandzemente der Klasse H und Klasse G. Andere Zemente, die vergleichbare Eigenschaften zu den erwähnten Portlandzementen aufweisen, können ebenfalls verwendet werden.
Die Dichte der additionshärtenden Silikonformulierungen gemäß der Erfindung kann durch Zusetzen von schwergewichtigen oder leichtgewichtigen Füllstoffen eingestellt werden, abhängig von dem erforderlichen Betriebsregime in der Bohrlochbehandlung.
Eine erhöhte Dichte kann durch Zusetzen der üblichen, schwergewichtigen Additive, wie sie in der Technik bekannt sind, erzielt werden, beispielsweise Baryt, Hämatit, Ilmenit, Manganoxid, mikrofeine Stahlpulver und andere Verbindungen mit hohem spezifischem Gewicht.
Es hat sich als äußerst nützlich erweisen, ein Gemisch aus mikrofeinen Stahlpulvern und Baryt zuzusetzen, das zu einem synergistischen Effekt auf die Verringerung des Absetzens von Beschwerungsmittel/Füllstoff vor dem Endverfestigen des Harzes führt.
Typisch hat sich ein 2 : 1-Gemisch aus Stahlpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 150 Mikrometer (Qualität AS-100, erhältlich von Höganäs AB, Höganäs, Schweden) und Baryt (Qualität C-138, erhältlich von Schlumberger/Dowell, Coevorden, Niederlande) als äußerst wirksam erwiesen, um eine Silikonformulierung mit einer Dichte von 2,2 g/cm³ (ausgehend von einer Grundformulierung mit einer Dichte von 1,0 g/cm³) zu ergeben.
Die Dichte der Formulierung kann durch ein Zusetzen von starren inerten Hohlkugeln vermindert werden, wie in der Technik zur Schaffung von beispielsweise leichtgewichtigen Zementaufschlämmungen und Bohrfluiden bekannt ist.
Beispiele für derartige Mittel sind starre, inerte, hohle, keramische Kugeln (wie die unter dem Handelsnamen ZEOSPHERES von 3 M Corporation verkauften Kugeln) oder Glaskugeln (wie die unter dem Handelsnamen SCOTCHLITE von der 3 M Corporation hergestellten Kugeln), Flugasche aus kohlebefeuerten Elektrizitätswerken (wie die unter dem Handelsnamen SPHERELITE von Halliburton Energy Services, Duncan, OK, US, verkauften Kugeln) und dergleichen.
Eine spezielle Anwendung ist der Einsatz von gasgefüllten, expandierten, plastischen Mikrokugeln (wie die unter dem Handelsnamen DUALITE von Pierce and Stephens oder die unter dem Handelsnamen EXPANCELL von Akzo Nobel, Schweden, vertriebenen Kugeln) und von verschiedenen Mikrokugeln (Serie F), hergestellt von Matsumoto Yushi-Seyaku Co. Ltd., Japan, in Kombination mit den additionshärtenden Silikonformulierungen gemäß der Erfindung.
Wenn eine Silikonformulierung mit derartigen plastischen Mikrokugeln in verhältnismäßig seichten Öl/Gassondenumgebungen (seichter als etwa 200 m, entsprechend einem Absolutdruck von ca. 20–30 bar) eingesetzt wird, wird eine komprimierbare Dichtung mit äußerst guten Dichtungseigenschaften erhalten.
Bemerkt sei, daß die US-Patente 4,580,794, 4,946,737 und 3,670,091 Verfahren zur Ausbildung komprimierbarer Silikonformulierungen beschreiben, die plastische Mikrokugeln enthalten.
Die additionshärtenden Silikonformulierungen gemäß der Erfindung können auch als harte, klebrige Harze hergestellt werden.
Eine Anwendung eines derartigen Systems würde als ein Sandkosolidierungsmittel sein, um die Bildung von Sand in Gas- und Ölbohrungen anzuhalten, die aus brüchigen bis nichtkonsolidierten Sandsteinreservoiren stammen.
Die additionshärtenden Silikonformulierungen gemäß der Erfindung stellen einen guten Ersatz für die bereits existierenden Epoxyharze dar, die in ihrem Vermögen, die Reaktionskinetik zu steuern, begrenzt sind und die einen Toxizitätsgrad aufweisen, der für Anwendungen am Bohrlochgrund weniger akzeptabel werden kann.
Die im Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung anzuwendenden Temperaturen hängen in gewissem Ausmaß von der beabsichtigen speziellen Anwendung ab. Sie können zwischen Umgebungstemperatur und 180°C betragen. Zweckmäßig können in bequemer Weise Temperaturen bis zu 150°C angewendet werden. Gute Er gebnisse wurden bei Anwendung von Temperaturen zwischen 40 und 70°C erzielt.
Die speziellen Formulierungen können in der großtechnischen Gasmigrationsbohrlochausrüstung getestet werden, die im Detail in dem Artikel von G. M. Bol, M. G. R. Bosma, P. M. T. Reijrink und J. P. M. van Vliet: "Cementing: How to achieve Zonal Isolation", präsentiert bei der 79 OMC (1997 Offshore Mediterranean Conference), Ravenna, Italien (19.–23. März 1997) beschrieben worden ist und hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. Die Anlage umfaßt im Wesentlichen eine 4 m hohe, 17,8 × 12,7 cm (7 × 5'') Stahlringverrohrung und ein 50 cm hohes, simuliertes permeables (3000 mD) Reservoir. Die Ausrüstung kann bei Drücken bis zu 6 bar Überdruck und 80°C betrieben werden. Der Durchbruch von Gas in dieser Bewertung des dynamischen Gasabdichtungsvermögens während des Abbindens eine Zementes (oder eines anderen Materials) wird durch Strömungstransducer und zusätzlich Druck- und Temperaturtransducer verfolgt, die im gleichen Abstand über die Höhe der Säule verteilt sind. Ein typisches Experiment wird durch Anlegen und Aufrechterhalten eines wohldefinierten Übergewichtes zwischen Zementsäule und "Reservoir" Druck und Verfolgen der abhängigen Parameter (Strömung, Drücke und Temperaturen) gegenüber der Zeit ausgeführt.
Es ist auch möglich, eine Testanlage vom statischen Typ zu verwenden, wie beispielsweise in dem Artikel SPE 1376, präsentiert von P. A. Parceveaux und P. H. Sault bei der 59th Annual Technical Conference and Exhibition in Houston, Texas (16.–19. September 1984) mit dem Titel "Cement Shrinkage and Elasticity: A New Approach for a Good Zonal Isolation" beschrieben wird. Die Testausrüstung ist im Wesentlichen eine statische Hochdruck-Gasmigrationsvorrichtung, die bei Drücken bis zu 200 bar und Temperaturen bis zu 150°C betrieben werden kann und einen Zylinder umfaßt, worin entsprechende Einbauten wie Pfropfen oder Ringverrohrungskonfigurationen simuliert werden können. Typisch wird ein Zement (oder ein anderes Material) innerhalb des Zylinders bei statischen Bedingungen (das heißt kein delta P) abbinden gelassen. Der Zement liegt entweder als ein Gemisch mit dem Silikonkautschuk, wie entsprechend der vorliegenden Erfindung definiert, vor oder weist (in Richtung der Gasströmung gesehen) auf ihm eine aus der additionshärtenden Silikonformulierung gemäß der vorliegenden Erfindung gebildete Dichtung auf. In der Folge wird das mögliche Auftreten einer Gasleckage durch Aufbringen von steigenden Druckunterschieden über den Pfropfen oder über die Ringverrohrungskonfiguration verfolgt. Zum Eichen der Testausrüstung können Standardzementformulierungen verwendet werden.
Die Erfindung wird nunmehr durch die nachfolgenden, nicht beschränkenden Beispiele erläutert.
Beispiel 1
In der zuvor angeführten statischen Testvorrichtung wurden sechs Versuche unter Anwendung einer 7'' (17,78 cm)-Pfropfenkonfiguration ausgeführt. In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Zusammensetzungen aller getesteten Systeme zusammen mit den angewendeten Härtungsbedingungen und das beobachtete Gasabdichtungsverhalten (ausgedrückt als Druck beim Versagen) angegeben. Die Zusammensetzung A steht für Dow Corning 3-4230 und Zusammensetzung B steht für Dow Corning 3-4225. Die in der Tabelle angeführten Verhältnisse sind Gewichtsverhältnisse.
Tabelle 1
Die Versuchsergebnisse zeigen die deutliche Verbesserung der Gasdichtheit, die durch Anwendung eines Gemisches aus einem Standardzement und einer additionshärtenden Silikonformulie rung erhalten wird, insbesondere dann, wenn derartige Formulierungen bei Pfropfen vom Sandwichtyp angewendet werden. Ein Feldversuch unter Anwendung eines Pfropfens auf der Basis Zusammensetzung A/Klasse G-Zement konnte erfolgreich ausgeführt werden (nach sechs Monaten Betrieb wurde keine Gasleckage festgestellt, Versuch dauert an).
Beispiel 2
In der in Beispiel 1 erwähnten Testanlage wurden vier Versuche unter Anwendung einer 7 × 5'' (17,78 cm × 12,70 cm) großen Ringpfropfenkonfiguration vorgenommen. In der nachfolgenden Tabelle 2 sind alle Zusammensetzungen der getesteten Systeme zusammen mit den angewendeten Härtungsbedingungen und das beobachtete Gasabdichtungsverhalten (ausgedrückt als Druck beim Versagen) angeführt. Zusammensetzung C bezeichnet Dow Corning 3-4232, und Zusammensetzung B ist die gleiche wie in Beispiel 1 beschrieben. Die Verhältnisse sind in Gewichtsprozent angegeben.
Tabelle 2
Aus den Versuchsergebnissen ist klar ersichtlich, daß beeindruckende Ergebnisse erzielt werden, wenn die Zusammensetzung B unter einem zementösen Ringpfropfen verwendet wird.
Beispiel 3
Das Abbindeverhalten der vorstehend angeführten Zusammensetzungen A und B und der diese Zusammensetzungen enthaltenden Sandwichzusammensetzungen wurde in einem Standard-API- Zementkonsistometer (Nowsco PC-10) bestimmt, das bei niedriger Geschwindigkeit (2 UpM) und mit einer modifizierten Spindel (12 mm, keine Zusätze) betrieben wurde. Unter Anwendung dieses Aufbaus wurden reproduzierbare Abbindegeschwindigkeiten ermittelt. Der Einfluß von im Handel erhältlichen Verzögerungszusammensetzungen wurde ebenfalls untersucht. Es hat sich gezeigt, daß die Abbindezeiten in geeigneter Weise eingestellt werden können, was derartige Zusammensetzungen attraktiv macht.
Hinsichtlich der rheologischen Eigenschaften wurde gefunden, daß die zuvor angeführten Zweikomponenten-RTV-Systeme ein Fließgesetz-Verhalten zeigen, wenn sie niedrigen Schergeschwindigkeiten (bis zu 6 reziproke Sekunden) unterworfen werden, und ein Newton'sches Verhalten, wenn sie höheren Schergeschwindigkeiten (über 20 reziproke Sekunden) ausgesetzt werden, was sie für Spiralverrohrungsanwendungen hervorragend geeignet macht (was nicht der Fall ist für Dichtmittel vom Kondensationstyp).

Claims

Verfahren zur Vornahme von Bohrlocherrichtungs-, -reparatur- und/oder -aufgabeoperationen mit einer additionshärtenden, bei Raumtemperatur vulkanisierbaren Silikonformulierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Silikonformulierung als eine niedrigviskose Zweikomponentenformulierung in die Bohrung injiziert wird und in der Bohrung und/oder dem umgebenden Untergrund ein elastisches gummiartiges Material ausbilden gelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ein Isolieren einer Zone oder ein Ersetzen einer beschädigten oder korrodierten Verrohrung durch Anordnen einer bei Raumtemperatur vulkanisierbaren Zweikomponenten-Silikonformulierung in der Bohrung und ein Ausbildenlassen eines elastischen gummiartigen Materials umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, das ein Heilen von Ringraum(Gas)druck in Öl- und/oder Gasbohrungen durch Abdichten des störenden Kreisringes durch Injizieren einer bei Raumtemperatur vulkanisierbaren Zweikomponenten-Silikonformulierung in den Kreisring und Ausbildenlassen eines zähen viskoelastischen Silikongelpfropfens umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 3, das ein Einspülen einer Solellösung in den Ringraum zum Äquilibrieren der Ringraumfluidsäule mit dem herrschenden Reservoirdruck nach dem Ausbildenlassen des viskoelastischen Pfropfens umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, das ein Absperren von gewässerten oder ausgegasten Zonen eines Ölreservoirs durch Verstopfen einer derartigen Zone mit einem undurchlässigen Silikongelsystem umfaßt, das ursprünglich in die poröse Zone als die bei Raumtemperatur vulkanisierbare Zweikomponenten-Silikonformulierung eingedrückt und dann eine gegenüber einem Wasser- oder Gasstrom undurchlässige Barriere ausbilden gelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ein Verhindern und/oder Steuern von Gaseinströmung in einen Abschnitt einer Öl/Gasbohrung während der Primärzementierung durch Anwendung einer bei Raumtemperatur vulkanisierbaren Zweikomponenten-Silikonformulierung als ein Druckfluid in die Bohrung, nach dem Absetzen einer Verrohrung, und Aufbringen eines vorbestimmten Druckes, um das Preßfluid radial in durchlässige Formationen der Bohrungswand zu treiben, damit eine geflutete Zone mit verringerter Durchlässigkeit für Gase geschaffen wird, umfaßt, mit anschließendem Ringraumdichten vom Zementtyp.
Verfahren nach Anspruch 6, das die Anwendung eines Ringraumdichtes vom Zementtyp umfaßt, worin die zementartige Komponente auch eine bei Raumtemperatur vulkanisierbare Zweikomponenten-Silikonformulierung enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, das ein Anwenden der bei Raumtemperatur vulkanisierbaren Zweikomponenten-Silikonformulierung zur Ausbildung eines Silikongummi-Dichtungsstücks umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, das die Anwendung einer bei Raumtemperatur vulkanisierbaren Zweikomponenten-Silikonformulierung zum Aufblasen von externen Verrohrungsdichtstücken umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, das die Ausbildung eines temporären oder dauerhaften Pfropfens in einer Bohrung in einer oder in mehreren unterirdischen Formationen umfaßt, die von der Bohrung durchsetzt werden, das entweder ein Anordnen eines Gemisches aus einem Zement und einer bei Raumtemperatur vulkanisierbaren additionshärtenden Silikonformulierung in der einen oder den mehreren unterirdischen Formationen oder in der Bohrung an einer gewünschten Stelle darin umfaßt oder ein Anordnen einer bei Raumtemperatur vulkanisierbaren additionshärtenden Silikonformulierung unter oder über einem existierenden, nicht gasdichten Pfropfen und ein Abbindenlassen der Silikonformulierung unter Ausbildung eines gasdichten Pfropfens umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 10, das die Anwendung einer Silikonformulierung und eines Zements umfaßt, worin das Silikon/Zement-Gewichtsverhältnis zwischen 5 : 1 und 0,5 : 1, vorzugsweise zwischen 2 : 1 und 1 : 1 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, das die Anwendung eines Portlandzementes als die zementartige Komponente in dem Silikon/Zement-Gemisch umfaßt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, das die Ausbildung des gasdichten Pfropfens bei einer Temperatur im Bereich zwischen Umgebungstemperatur und 180°C, zweckmäßig bis zu 150°C und insbesondere zwischen 40 und 70°C umfaßt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, das die zusätzliche Verwendung eines Verzögerers oder eines Beschleunigers zur Beeinflussung des Abbindeverhaltens der Silikonformulierung umfaßt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14, das die Anwendung eines bei Raumtemperatur vulkanisierenden Silikongummis oder bei Raumtemperatur vulkanisierenden fluorhältigen Silikongummis umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 15, das die Anwendung einer Zweikomponenten-Silikonformulierung umfaßt.