DK177670B1 - Fremgangsmåder til cementering med letvægtscementsammensætninger - Google Patents

Abstract

Skummede cementsammensætninger indeholdende densitetsreducerende additiver og fremgangsmåder til at fremstille og bruge samme er beskrevet. Fremgangsmåde til at cementere består i at tilberede, en basiscementsammensætning omfattende cement, vand og et densitetsreducerende additiv, hvorved basiscementsammensætningen har en basisdensitet Fremgangsmåden omfatter yderligere at indføre en gas til basiscementsammensætningen for at tilvejebringe en cementsammensætning, der har en mindre. densitet end basisdensiteten og gør det muligt for cementsammensætningen at størkne.

Description

DK 177670 B1

Fremgangsmåder til cementering med letvægtscementsammensætninger

Opfindelsen angår cementeringsoperationer og navnlig brugen af opskummede letvægtscementsammensætninger med densitetsreducerende additiver til brug i et 5 borehul.

Naturressourcer såsom gas, olie og vand, der befinder sig i en underjordisk formation eller zone bliver sædvanligvis indvundet ved boring af et borehul ned til den underjordiske formation, mens en borefluid cirkuleres i borehullet. Efter ophør af 10 cirkulation med borefluiden føres en rørstreng f.eks. et foringsrør ned i borehullet.

Derpå bliver borefluiden sædvanligvis cirkuleret ned gennem rørets indre og opad gennem ringrummet, der befinder sig mellem ydersiden af røret og borehullets vægge. Dernæst udføres typisk primær cementering, hvorved en cementslam anbringes i ringrummet og tillades at størkne til en hård masse (dvs. kappe) for derved at fæstne 15 borestrengen til borehullets vægge og forsegle ringrummet. Derefter vil også sekundære cementeringsoperationer kunne udføres. Et eksempel på en sekundær cementeringsoperation er indpresningscementering, hvorved en cementslam bliver anvendt til at tilstoppe og forsegle uønskede strømpassager i cementkappen og/eller foringsrøret.

20 I nogle miljøer kan cementeringsoperationer behøve letvægtscement, der har reducerede densiteter (f.eks. en lavdensitetsslam). F.eks. kan cementering hen over stærkt udtømte zoner og svagere formationer behøve en letvægtscement for at opnå tilstrækkelig cirkulation. Hvis cementen ikke kan cirkulere ordentligt, vil det ønskede 25 niveau af ringrumsopfyldning ikke kunne opnås, og følgelig kan den ønskede forsegling ikke blive etableret. Som et resultat heraf kan der opleves en stor indvirkning på boreomkostningerne, og forsinket produktionslevering kan optræde som følge af afhjælpningsarbejdet.

30 Letvægtscementer bliver typisk fremstillet ved tilsætning af vand, mikrokugler eller gas til cementen. Ulemper ved tilsætning af ekstra vand til cementen inkluderer nedsat evne til størkning af cementen. F.eks. kan det ekstra vand fortynde cementen og derved forlænge den tid, som cementen er om at størkne. Ulemper ved brug af mikrokugler inkluderer omkostninger knyttet til at tilsætte en tilstrækkelig mængde 35 mikrokugler til at reducere cementens densitet til et lavere niveau end typiske densiteter. Ulemper ved at tilsætte gas inkluderer ekstraordinær permeabilitet ved høje 2 DK 177670 B1 gaskoncentrationer. Følgelig er der behov for en forbedret fremgangsmåde til at tilberede en letvægtscement og til at cementere med sammensætninger deraf. Andre behov inkluderer en letvægtscement med forbedrede mekaniske egenskaber. I tillæg hertil er der behov for at tilvejebringe en letvægtscement med en reduceret densitet.

5

Disse og andre behov adresseres i en udførelsesform for en fremgangsmåde til cementering, der inkluderer tilberedning af en basiscementsammensætning omfattende cement, vand og et densitetsreducerende additiv, hvor basiscementsammen-sætningen har en basisdensitet. Fremgangsmåden inkluderer ydermere indføring af 10 en gas til basiscementsammensætningen for at tilvejebringe en cementsammensætning, der har en mindre densitet end basisdensiteten, og som tillader cementsammensætningen af størkne.

Ydermere inkluderer fremgangsmåden at vælge en forventningsdensitet for 15 cementsammensætningen. Desuden inkluderer fremgangsmåden at forme cementsammensætningen med en basisdensitet, der er en densitetsfaktor større end forventningsdensiteten, hvor cementsammensætningen omfatter cement, vand og et densitetsreducerende additiv. Fremgangsmåden inkluderer yderligere at tilsætte en tilstrækkelig mængde gas til cementsammensætningen for at reducere 20 basisdensiteten til omtrent forventningsdensiteten.

Behovene adresseres i en anden udførelsesform omfattende en cementsammensætning, der rummer vand, cement, et densitetsreducerende additiv og en gas. Cementsammensætningen har en densitet fra ca. 0,6 til ca. 0,9 g/cm3 (ca. 5 til ca. 7,5 25 pounds per gallon).

En cementsammensætning bestående af vand, cement, et densitetsreducerende additiv og en gas vil overvinde problemerne ved den kendte teknik, såsom at reducere densiteten af traditionelle cementsammensætninger til lave densiteter. F.eks. kan 30 densiteten af en sådan cementsammensætning blive reduceret til mindre end typiske densiteter. Ydermere kan en sådan cementsammensætning have forbedrede mekaniske egenskaber (f.eks. trykstyrke og elasticitet) ved reducerede densiteter.

I det foregående er der relativt bredt blevet forklaret træk og tekniske fordele ved 35 opfindelsen, således at den detaljerede beskrivelse af opfindelsen, der følger, bliver lettere at forstå. Herefter beskrives yderligere træk og fordele ved opfindelsen som 3 DK 177670 B1 udgør genstanden for kravene ifølge opfindelsen. Det vil være klart for en fagmand, at ideen og de beskrevne, specifikke udførelsesformer nemt kan udnyttes som grundlag for at modificere eller udforme andre strukturer til at udføre de samme formål som den foreliggende opfindelse. Det vil også stå klart for en fagmand, at disse ækvivalente 5 konstruktioner ikke vil afvige fra ånden i og sigtet med opfindelsen, som den fremgår af de vedføjede krav.

Der følger nu en detaljeret beskrivelse af foretrukne udførelsesformer for opfindelsen under henvisning til de vedføjede tegninger, hvor 10 figur 1 viser et eksempel på en planlagt densitetsprofil for en trinvis, med konstant gasrate opskummet cementsammensætning med lav densitet, figur 2 viser en planlagt densitetsprofil for en anden opskummet cementsammensætning med lav densitet, og 15 figur 3 viser et 5,0 lb/gallon (0,6 g/cm3) cementknusningsprøveskema.

I en udførelsesform for opfindelsen består en cementsammensætning af cement, vand, et densitetsreducerende additiv og gas. Gassen indføres i en cementsammensætning bestående af cement, vand og et densitetsreducerende additiv for at til-20 vejebringe en opskummet cementsammensætning (f.eks. en letvægtscementsammensætning). I en udførelsesform er den opskummede cementsammensætning en lavdensitetscementsammensætning. Uden teoretisk begrænsning vil opskumning af en cementsammensætning bestående af densitetsreducerende additiver tilvejebringe en lavdensitetscementsammensætning med forbedrede mekaniske egenskaber ved 25 lave densiteter. Lavdensitetscementsammensætninger refererer til cementsammensætninger, der har mindre densitet end ca. 1,7 g/cm3 (14 lb/gallon). Det skal forstås, at opskumning af cementsammensætningen, der indeholder densitetsreducerende additiver, ikke er begrænset til at tilvejebringe en lavdensitetscementsammensætning men kan i alternative udførelsesformer tilvejebringe en cementsammensætning med 30 en densitet på ca. 2,8 g/cm3 (23 lb/gallon) eller mindre.

Cementsammensætningerne egner sig til at udføre applikationer under jorden såsom brøndklargøring og afhjælpningsoperationer. Det skal forstås, at "underjordiske applikationer" omfatter både områder under blotlagt jord og områder under jord 35 dækket af vand såsom hav- eller ferskvand.

4 DK 177670 B1

Cementsammensætningen omfatter en cement såsom hydraulisk cement, der inkluderer calcium, aluminium, silicium, oxygen og/eller svovl, og som stivner og hærder ved reaktion med vand. Eksempler på hydrauliske cementer inkluderer men er ikke begrænset til portlandcementer (f.eks. klasse A, C, G og H portlandcementer) 5 pozzolancementer, gipscementer, phosphatcementer, højaluminøse cementer, siliciumcementer, højalkaline cementer og kombinationer deraf.

I nogle udførelsesformer inkluderer cementsammensætningerne en tilstrækkelig mængde vand til at forme en cementholdig slam, der kan pumpes. Vandet kan være 10 ferskvand eller saltvand f.eks. en umættet vandig saltopløsning eller en mættet vandig saltopløsning såsom brine eller havvand, eller en ikke-vandig fluid. Vandet kan forekomme i mængder fra ca. 20 til ca. 80 vægt-% af cement, alternativt fra ca. 28 til ca. 60 vægt-% cement.

15 Cementsammensætningen omfatter en tilstrækkelig mængde densitetsreducerende additiver til at reducere densiteten af cementsammensætningen. Cementsammensætningen kan inkludere densitetsreducerende additiver, der er kompatible med en underjordisk cementsammensætning (dvs. er kemisk stabil i det mindste indtil cementen stivner). Uden derved at sætte begrænsninger kan eksempler på densitets-20 reducerende additiver inkludere hule glasperler, pozzolanmikrokugler, massive perler (f.eks. massive organiske eller plastiske perler), eller kombinationer deraf.

Et eksempel på en egnet, hul glasperle findes i handelen fra 3M Company som SCOTCHLITE. Et eksempel på en egnet mikrokugle findes kommercielt tilgængelig fra 25 Halliburton Energy Services, Inc. som SPHERELITE. Ydermere er et eksempel på en egnet, massiv glasperle bragt i handelen af Halliburton Energy Services, Inc. som FDP-C665. De densitetsreducerende additiver kan tilsættes til cementsammensætning med en vilkårlig egnet metode, herunder tørblanding med cementen før tilsætning af vand, sammenblanding med vandet, der skal tilsættes cementen, eller ved at blande 30 med cementslammen samtidig med eller efter tilsætningen af vandet. I en anden udførelsesform kan de densitetsreducerende additiver blive præ-suspenderet i vand og indsprøjtet i cementblandingsfluiden eller i cementslammen som en vandig slam. Gassen kan inkludere en vilkårlig gas, der egner sig til opskumning af cementsammensætningen og til brug i et borehul. Uden at ville sætte en begrænsning, så 35 inkluderer eksempler på egnede gasser nitrogen, luft (f.eks. trykluft) eller kombinationer deraf. I nogle udførelsesformer består gassen af nitrogen. Gassen kan indføres i 5 DK 177670 B1 cementsammensætning med en vilkårlig fremgangsmåde, der egner sig til opskumning af cementsammensætningen. Endvidere kan gassen blive indført ved en konstant rate eller en trinvis rate for at skabe en konstant skumkoncentration eller densitet nede i hullet. I en udførelsesform kan indføringen af gassen i cement-5 sammensætningen til opskumning af cementsammensætningen blive udført ved at tilsætte et ekspansionsmiddel omfattende opskumningsmidler, skumstabiliserende midler, ekspanderende additiver eller kombinationer deraf til cementsammensætningen, hvilke kan være inkluderet i cementsammensætningen for at lette opskumningen og/eller forøge stabiliteten af cementsammensætningen. Sådanne 10 opskumnings- og/eller skumstabiliserende midler kan optræde i cementsammensætningen i en tilstrækkelig mængde til at tilvejebringe en stabil, opskummet cementsammensætning. Det er klart, at en fagmand ville være i stand til at vælge de rette opskumnings- og/eller skumstabiliserende midler passende til den enkelte applikation.

15 I en udførelsesform inkluderer cementsammensætningen et ekspanderende additiv.

Det ekspanderende additiv kan være en vilkårlig komponent, der sætter en gas i stand til at blive inkorporeret i cementsammensætningen. Uden at ville definere en begrænsning, så inkluderer eksempler på egnede, ekspanderende additiver i partikel-20 form aluminiumpulver, gipsblandinger, dødbrændt magnesiumoxid, og kombinationer deraf. Eksempler på ekspanderende additiver, der indeholder aluminiumpulver, og som findes i handelen, inkluderer GAS-CHEK og SUPER CBL fra Halliburton Energy Services, Inc. Et eksempel på et ekspanderende additiv omfatter en blanding indeholdende gips og findes i handelen som MICROBOND fra Halliburton Energy 25 Services, Inc. Ydermere findes eksempler på ekspanderende additiver indeholdende dødbrændt magnesiumoxid i handelen som MICROBOND M og MICROBOND HT fra Halliburton Energy Services, Inc. Sådanne ekspanderende additiver er beskrevet i US 4.304.298, US 4.340.427, US 4.367.093, US 4.450.010 og US 4.565.578, der i deres helhed indgår heri som reference.

30

Tilsætning af et ekspanderende additiv til cementsammensætningen kan ske med en vilkårlig egnet metode. I en udførelsesform bliver cementsammensætningen opskummet ved direkte indsprøjtning af et ekspanderende additiv i cementsammensætningen. F.eks., hvor cementsammensætningen bliver opskummet ved direkte indsprøjtning af 35 gas i cementsammensætningen, kan den anvendte gas være luft, en inert gas såsom nitrogen, eller kombinationer deraf. I andre udførelsesformer bliver cementsammen- 6 DK 177670 B1 sætningen opskummet med gas, der opstår af en reaktion mellem cementsammensætningen og et ekspanderende additiv, der optræder i cementsammensætningen i partikelform. F.eks. kan cementsammensætningen blive opskummet med hydrogengas genereret på stedet som produkt af en reaktion mellem slam med højt pH og fint 5 aluminiumspulver, der optræder i cementen.

Cementsammensætningen bliver tilberedt til at have en densitet ved omtrent en forventningsdensitet. I en udførelsesform bliver cementsammensætningen tilberedt eller placeret i et borehul og har en mindre densitet (f.eks. forventningsdensitet) end 10 omtrent densiteten af en frakturgradient i borehullet. Frakturgradienten refererer til den kraft, der får klippen til at revne i en given dybde. Foranderligheden af frakturgradienten for et givet borehul som funktion af dybden kan blive afbildet og kan refereres til som en frakturgradientprofil. Densiteten af cementsammensætningen kan blive planlagt og afbildet som en densitetsprofil nede i hullet. I en anden 15 udførelsesform har cementsammensætningen en densitet (f.eks. forventningsdensitet) fra ca. 0,5 til ca. 1,7 g/cm3 (ca. 4 til ca. 14 lb/gallon), alternativt fra ca. 0,6 til ca. 0,9 g/cm3 (ca. 5 til ca. 7,5 lb/gallon) og alternativt fra ca. 0,6 til ca. 0,7 g/cm3 (ca. 5 til ca. 6 lb/gallon). I en alternativ udførelsesform har cementsammensætningen en densitet fra ca. 0,9 til ca. 1,4 g/cm3 (ca. 7,5 til ca. 12 lb/gallon).

20

Cementsammensætningen bliver tilberedt ved at vælge en forventningsdensitet, hvorved cementsammensætningen skal cirkulere. Det er klart, at forventningsdensiteten kan vælges baseret på faktorer såsom den særlige applikation, borehulsmiljøet og lignende. Derpå tilberedes en basiscementsammensætningen, der har en 25 basisdensitet, der er en densitetsfaktor større end forventningsdensiteten. Basiscementsammensætningen omfatter vand, cement og et densitetsreducerende additiv. Densitetsfaktoren er en numerisk faktor anvendt på den valgte, forventningsdensitet for at øge forventningsdensiteten til basisdensiteten og derved tillade tilstrækkelige mængder gas til derefter at blive tilsat for at tilvejebringe de ønskede egenskaber nede 30 i hullet. Densitetsfaktoren kan vælges baseret på faktorer såsom ønskede egenskaber nede i hullet såsom elasticitet, kohæsion eller kompressionsevne. I en udførelsesform er densitetsfaktoren fra ca. 1,01 til ca. 1,4, alternativt 1,01 til ca. 1,3, og yderligere alternativt fra ca. 1,2 til ca. 1,3, og alternativt ca. 1,25. For at tilberede basiscementsammensætningen bliver en tilstrækkelig mængde densitetsreducerende additiver 35 tilsat til en slam, der indeholder cement og vand, for at reducere densiteten af slammet og frembringe basiscementsammensætningen, der har en densitet på ca. den 7 DK 177670 B1 ønskede basisdensitet. Basiscementsammensætningen kan derefter blive opskummet ved at indføre gassen i basiscementsammensætningen. Der tilsættes en tilstrækkelig mængde gas til at reducere densiteten af basiscementsammensætningen og tilvejebringe cementsammensætningen med en densitet som omtrent forventnings-5 densiteten. Det skal forstås, at forventningsdensiteten kan være den færdige densitet, hvor cementsammensætningen på sikker måde kan cirkuleres i borehullet. I en udførelsesform består cementsammensætningen af ca. 10 til ca. 30 vol.-% gas, alternativt fra 20 til ca. 30 vol.-% gas, og alternativt fra ca. 25 til ca. 30 vol.-% gas. Det er ydermere klart, at der kan tilsættes en tilstrækkelig mængde ekspanderende middel 10 til cementsammensætningen for at tilvejebringe den mængde gas, der egner sig til at opnå forventningsdensiteten.

I en udførelsesform kan basisdensiteten og densitetsprofilen nede i hullet blive bestemt ved brug af et computersimuleringsprogram. I en udførelsesform bliver det 15 procentuelle volumen af gas i cementslammen monitoreret i realtid ved brug af et softwareprogram. Alternativt bliver densitetsprofilen nede i hullet og realtidsmonitoreringen af det procentuelle volumen af gastilsætning til cementslammet automatisk kontrolleret og monitoreret ved brug af en computer og passende simulerings- og automatiseringssoftware. Software til monitorering af det procentuelle volumen af 20 gastilsætning til basiscementsammensætningen kan tjene til at identificere sammensætningsraten og beregne den rette gasindsprøjtningsrate baseret på den aktuelle sammensætnings rate og forud fastlagte forventningsdensitet. I nogle udførelsesformer tjener softwaren som en komponent i en automatiseret gasindføringsmekanisme, der synkroniserer gasindsprøjtningsraten med cementslammens koncen-25 trationsrate for at opnå forventningsdensiteten. Eksempler på egnet software inkluderer, men er ikke begrænset til, HALWIN eller INSITE, der er bragt i handelen fra Halliburton Energy Services, Inc. I en udførelsesform er computeren en digital computer, såsom en IBM Intel Pentium-baseret PC, der er i stand til at modtage input fra flere detektorer gennem serielle indgange. Computeren kan også være i stand til at 30 modtage input gennem et standardtastatur eller anden computer.

Uden at være teoretisk begrænset vil opskumning af en cementsammensætning indeholdende densitetsreducerende additiver tilvejebringe en lavdensitetscement-sammensætning, der har forbedrede mekaniske egenskaber. Mekaniske egenskaber 35 ved cementsammensætningen, der vil kunne forbedres gennem opskumning af cementsammensætningen, der indeholder densitetsreducerende additiver, inkluderer, 8 DK 177670 B1 uden at sætte begrænsning, kompressionsevne og elasticitet. Målemetoder der anvendes til at definere elasticitet, inkluderer Poisson's forhold og Young's modulus.

Poisson's forhold refererer til forholdet mellem tværkontraktionsdeformation og 5 længdedeformation i trækkraftens retning og repræsenteres ved den følgende ligning (1): V — £transvers/£|ongitudinal (1) 10 hvor v repræsenterer Poisson's forhold, og ε repræsenterer deformation som defineret ved ændringen i længde divideret med den oprindelige længde. Young's modulus λ indikerer elasticiteten af et materiale eller materialets tendens til at deformere under en påført kraft. Young's modulus er repræsenteret ved den følgende ligning (2): 15 λ = (F/A)/(x/l) (2) hvor F er den påførte kraft, A er det areal, som udsættes for kraften, x er materialets tøjning, når kraften påføres, og I er den originale længde af materialet.

20 I en udførelsesform kan cementsammensætningerne have en trykstyrke mellem ca.

1,4 og ca. 20,7 MPa (ca. 200 psi og ca. 3000 psi), alternativt mellem ca. 3,4 og ca.

10,3 MPa (ca. 500 psi og ca. 1500 psi). I andre udførelsesformer kan cementsammensætningerne have en trækstyrke mellem ca. 0,2 MPa og ca. 3,4 MPa (ca. 30 psi og ca.

500 psi), alternativt mellem ca. 0,3 og ca. 1,0 MPa (ca. 50 psi og ca. 150 psi). Yder-25 mere kan cementsammensætningerne have en Young's modulus mellem ca. 60.000 og ca. 6.000.000, alternativt mellem ca. 200.000 og ca. 900.000.

Det er klart, at tilberedningen af cementsammensætningen ikke er begrænset til opskumning af en basiscementsammensætning, der har densitetsreducerende addi-30 tiver, men kan i stedet inkludere tilsætning af densitetsreducerende additiver til en opskummet cement. F.eks. kan en basiscementsammensætning i en alternativ udførelsesform blive tilberedt med en basisdensitet ved at opskumme en cementslam indeholdende cement og vand. I en sådan alternativ udførelsesform består basis-cementsammensætningen af vand, cement og en gas. Lavdensitetscementsammen-35 sætningen bliver derpå tilberedt ved at tilsætte densitetsreducerende additiver til DK 177670 B1 9 basiscementsammensætningen for at tilvejebringe lavdensitetscementsammen-sætningen, der nogenlunde har forventningsdensiteten.

I nogle udførelsesformer kan der tilsættes yderligere additiver til cementsammen-5 sætningen for at forbedre eller ændre egenskaberne deraf. Eksempler på sådanne additiver inkluderer, men er ikke begrænset til, salte, acceleratorer, hærdeforsinkere, skumbegrænsere, fluidtabsreducerende midler, størkningsforhindrende midler, gas-migrationsforhindrende additiver, vægttilsætningsmaterialer, dispergeringsmidler, forglasset skifer, formationskonditioneringsmidler, og kombinationer deraf. Andre 10 mekaniske egenskabsmodificerende additiver, f.eks. carbonfibre, glasfibre, metalfibre, mineralfibre, termoplastiske elastomerer såsom styrenbutadien eller acrylnitril-styren-butadien-randomiserede eller blokpolymerer, og latexemulsioner f.eks. styren-butadien-latexer, og lignende kan blive tilsat for yderligere at modificere de mekaniske egenskaber.

15

De foregående cementsammensætninger kan anvendes i forskellige cementeringsoperationer, hvor cementen forskydes ind i et arbejdsrum og tillades at størkne. I en udførelsesform bliver cementsammensætningerne anvendt i forskellige overfladeapplikationer til at cementere et arbejdsrum ved eller over jorden, f.eks. en 20 arbejdsplads, som optræder i byggeindustrien. I en anden udførelsesform bliver cementen anvendt på et underjordisk arbejdssted f.eks. til cementering af rør under jorden, såsom kloakrør eller borehulsforingsrør. I én udførelsesform kan cementsammensætningerne blive anvendt til primær cementering af et borehul for at udvinde naturressourcer såsom vand eller hydrocarboner. Primær cementering indebærer for 25 det første at bore et borehul til en ønsket dybde, således at borehullet trænger gennem en underjordisk formation, mens der cirkuleres en borefluid gennem borehullet. Efter at have boret borehullet kan i det mindste et rør, såsom et foringsrør blive placeret i borehullet, mens det efterlader et mellemrum kendt som annulus mellem rørets væg og borehullets væg. Borefluiden kan derefter forskyde sig ned gennem 30 røret og op gennem annulus én eller flere gange, f.eks. to gange, for at rense hullet. Cementsammensætningen kan derefter blive ført ned i hullet og op gennem annulus, og derved forskydes borefluiden fra borehullet. Cementsammensætningen størkner til en hård masse, som danner en cementsøjle, der isolerer en hosliggende del af den underjordiske formation og tilvejebringer støtte for det hosliggende rør.

35 10 DK 177670 B1 I en anden udførelsesform kan cementsammensætningen blive anvendt i en sekundær cementeringsoperation såsom indpresningscementering, der er udført efter den primære cementeringsoperation. Ved indpresningscementering bliver cementsammensætningen presset under tryk ind i permeable zoner, hvorigennem fluid 5 uønsket kan migrere til borehullet. Eksempler på sådanne permeable zoner inkluderer spalter, sprækker, frakturer, striber, strømkanaler, hulrum, højpermeable striber, ringformede hulrum eller kombinationer deraf. De permeable zoner kan optræde i den cementsøjle, som står i annulus, i en væg af røret i borehullet, i en mikroannulus mellem cementsøjlen og den underjordiske formation, og/eller en mikroannulus 10 mellem cementsøjlen og røret. Cementsammensætningen størkner i de permeable zoner og danner derved en hård masse til at tilproppe disse zoner og forhindre fluid i at flyde derigennem.

Til yderligere at illustrere forskellige udførelsesformer for opfindelsen er der tilvejebragt 15 følgende eksempler.

EKSEMPLER

Eksempel 1 20 Syv brønde blev boret med følgende procedurer: et 20" overfladeforingsrør blev ført ned til 541 ft, 394 ft af en 13 3/8" scab-liner blev sat til 1378 ft, en 9 5/8" mellemstreng blev sat til 1545 ft, og en 7" produktionsstreng blev sat til 2756 ft. De øvre formationer var således, at der kunne udføres ordentlig cementering med traditionelle cementeringsteknikker. Imidlertid skulle mellem- og produktionsstrengene cementeres ud over 25 zoner, der krævede cementdensiteter reduceret til 1,27 g/cm3 (10,6 lb/gal) eller mindre. 1,63 g/cm3 (13,6 lb/gal) var valgt for basisslammens densitet, således at når forventningsdensiteten var nået, så ville skumkvaliteten (f.eks. vol.-% af skum i cementsammensætningen) være mellem 20 og 25%. Forventningsdensiteten var 1,27 g/cm3 (10,6 lb/gal) og var valgt for at kunne tillade god cirkulation af en helcementeret 30 søjle. Mikrokugler blev tilføjet til basisslammen for at tilvejebringe basiscement-sammensætningen med en densitet på 1,63 g/cm3 (13,6 lb/gal). Mikrokuglerne var HGS-4000 glasbobler fra 3M, som var glasmikrokugler af mellemstyrke med en massefylde på 0,38.

35 Hele processen blev monitoreret i realtid ved brug af et softwareprogram, HALWIN, og en korrekt mængde nitrogen blev tilsat til basiscementsammensætningen ved hvert 11 DK 177670 B1 trin under brug af et indstilleligt luftspjæld. Luftspjældet blev justeret, indtil overflade-skumdensiteten passede til den beregnede densitet for denne rate og tryk. Lav-densitetsbasiscementsammensætningen blev brugt som afslutning, uden gas i processen.

5

Til 9 5/8" strengen blev 42,5 m3 (267,3 bbl) uskummet cementsammensætning, 1,63 g/cm3 (13,6 lb/gal) startslam og 3,6 m3 (22,6 bbl) slutslam anvendt. Det teoretiske "in-place" skumvolumen for startslammen var 55,3 m3 (247,8 bbl) ved 1,27 g/cm3 (10,6 lb/gal) densitet. Til 7" strengen anvendtes 15,3 m3 (96,2 bbl) startslam og 0,5 m3 (3,1 10 bbl) slutslam. Det teoretiske "in-place" skumvolumen for startslammen var 20,0 m3 (125,8 bbl).

Et computersimuleringsprogram, OPTICEM, der findes i handelen fra Halliburton Energy Services, Inc. blev anvendt til at konstruere bagtryks- og nitrogentabellerne.

15 Fig. 1 og 2 viser de teoretiske "in-place" densitetsprofiler for hhv. 9 5/8" og 7" jobbene.

Disse kurver indikerer, at ved at reducere nitogenraten fire eller fem gange ville massefylden af skummet ligge på mellem 1,2 og 1,3 (10 til 10,8 lb/gal) for det meste af brønden, hvilket korrelerer til den ønskede skumkvalitet på 20 til 25%. Det ses også af fig. 1 og 2, at der opstår ekspansion langt hurtigere, når man nærmer sig overfladen.

20 For at minimere ekspansion tillod cementeringssoftwaret, at bagtrykstabellen blev justeret efter behov.

Tabel I tilvejebringer de planlagte bagtrykstabeller for de to opskummede foringsstrenge. Efterhånden som der kom skum op i annulus, blev der udøvet et større 25 bagtryk. For bedre at kontrollere raten ned i hullet og slamkonsistensen blev der i jobproceduren inkluderet en 16 m3 (100 bbl) batchblander.

Tabel 1 - Bagtrykstabel for brønde 9 5/8" mellemforingsrør 7" produktionsforingsrør

Bagtryk (psi) [KPa] Bagtryk (psi) [KPa] 14,7 [101] 14,7 [101] 90 [621] 65 [448] 115 [793] 100 [689] 140 [965] 125 [862]

165 [1138] N/A

Eksempel 2 DK 177670 B1 12

Tretten kørsler blev udført (kørsel 1-13) med opskummede cementsammensætninger indeholdende cement, vand, mikrokugler og gas. De opskummede cementsammen-5 sætninger blev tilberedt ved at danne en basiscementsammensætning indeholdende vand, cement og mikrokugler, til den fik en densitet på mellem 1,2 og 1,4 g/cm3 (10 og 12 lb/gal). Basiscementsammensætningen blev opskummet til en densitet på 1,0 g/cm3 (8,33 lb/gal) med ca. 113-150 m3/ton (50-600 scf/bbl) nitrogen.

10 Tabel II lister data relateret til de i kørslerne 1-13 borede brønde. Tabel III lister mængderne og densiteterne af basiscementsammensætningerne og de opskummede cementsammensætninger, der blev anvendt i kørslerne.

Tabel II - Data for borehullet cementeret med opskummet letvægtsslam

Kørsel Foringsstørrelse Jobdybde BHST

(") (ft) (°F) 1 7 14632 273 2 7 13760 255 3 7 11647 226 4 7 14964 258 5 5 14902 275 6 5 13409 222 7 7 13638 256 8 7 14577 269 9 7 14862 270 10 7 14606 246 Ϊ1 7 13596 250 12 7 12477 207 13 5 14980 267 15 20 13 DK 177670 B1

Tabel III - Jobdata for opskummet letvægtscement Kørsel Basisslam- Opskummet slam- Basisdensitet In-place skumvolumen (bbl) volumen (bbl) (lb/gal) densitet (lb/gal) Ϊ 25 36 15 Ϊ08 2 33 48 15 Ϊ08 3 38^8 59 ΪΤJ 8^33 4 505 72 108 033 5 34^8 49J 108 033 6 Ϊ09 202 Ϊ08 033 7 51 705 108 033 8 303 49J 1Ϊ7 033 9 404 604 V\J 033 10 56 86 V\J 033 ΤΪ 307 503 TTj 033 12 49 76 ilj 033 13 20 31 V\J 033

De 13 linertoppe, der blev cementeret i dette eksempel 2, blev afprøvet til et gennemsnitstryk på 9600 KPa (1400 psi) i 20 minutter uden at lække. Initiale og 5 aktuelle produktionsrater før og efter brøndstimulering, som vist i tabel IV for kørslerne 3-5 og 7-10, viser effektiviteten af de opskummede cementsammensætningers tætningsevne og modstand mod kemiske angreb. Effektiviteten af den tætning, som opnås ved anvendelse af de beskrevne fremgangsmåder og sammensætninger, blev yderligere demonstreret gennem borehullernes evne til at klare efterfølgende fraktu-10 reringsbehandlinger.

Tabel IV - Før-og-efter produktionsrater for opskummet letvægtscement Kørsel Reservoirzonedybde Initial produktion Aktuel produktion (ft) (BOPD) (BOPD) 3 12.795-12.936 6Ϊ8 1352 4 14.180-14.305 0 1258 5 14.518-14.419 1006 1635 7 12.999-13.097 0 566 8 14.206-14.337 0 154Ϊ 9 14.623-14.741 0 1793 10 14.058-14.222 0 1.182 14 DK 177670 B1

Eksempel 3

En 0,9 g/cm3 (7,5 lb/gal) basiscementsammensætning blev opskummet til 0,6 g/cm3 (5 5 lb/gal) for at fremstille en lavdensitetscementsammensætning med kvalitetstætning. Basiscementsammensætningen og lavdensitetscementsammensætningerne blev udsat for prøver med fluidtabsfortykkelsestid, frit vand og trykstyrke. Afprøvningerne blev udført ifølge API 10b procedurer. Ved 100°C (212°F) gav basisslammen en trykstyrke på 9432 KPa (1369 psi), og efter at være opskummet til 0,6 g/cm3 (5 l,b/gal) 10 blev der stadig ydet en 24 timers trykstyrke på 4843 KPa (703 psi). Fig. 3 viser en brudstyrkeafprøvning implementeret på den opskummede cementsammensætning, efter at den var størknet.

Skønt der er vist og beskrevet foretrukne udførelsesformer for opfindelsen, vil 15 modifikationer deraf kunne fremstilles af en fagmand uden derved at afvige fra ånden og læren i opfindelsen. De heri beskrevne udførelsesformer er blot eksempler, og er ikke tænkt at skulle tjene som begrænsning. Der vil være mange variationer og modifikationer over opfindelsen, som beskrevet heri, der er mulige og ligger inden for opfindelsens rammer. Brugen af udtrykket "valgfri" i forhold til et vilkårligt element i et 20 krav er tænkt i betydningen, at det aktuelle element er påkrævet, eller alternativt, ikke er påkrævet. Begge alternativer er beregnet til at høre ind under rammerne af kravet. Brugen af bredere termer såsom at omfatte, inkludere, have osv. skal forstås som støtte for smallere termer såsom indeholdende, i det væsentlige indeholdende eller hovedsageligt indeholdende, osv.

25 Følgelig er rammerne for beskyttelsen ikke begrænset til den ovenfor givne beskrivelse men er kun begrænset af de vedføjede krav, hvilke rammer inkluderer alle ækvivalenter for genstanden for kravene. Hvert eneste krav er inkorporeret i beskrivelsen som en udførelsesform for opfindelsen. Således udgør kravene en 30 yderligere beskrivelse og er en tilføjelse til de foretrukne udførelsesformer for opfindelsen. Omtalen af en reference i beskrivelsen af beslægtet teknik er ikke en erkendelse af, at det udgør kendt teknik for opfindelsen, og navnlig ikke nogen reference, der kan have en offentliggørelsesdato efter prioritetsdatoen for denne ansøgning. Beskrivelserne af alle patenter, patentansøgninger og publikationer, der er 35 citeret heri, inkorporeres herved som reference i det omfang, at de giver eksempler, proceduremæssige eller andre detaljer i tillæg til de heri forklarede.

Claims (10)

1. Fremgangsmåde til cementering af en underjordisk formation, omfattende: at fastlægge en for et hul gældende densitetsprofil for en cementsammensæt-5 ning; at vælge en forventningsdensitet af cementsammensætningen, hvor forventningsdensiteten svarer omtrent til densiteten af den endelige cementsammensætning, og hvori den for et hul gældende densitetsprofil anvendes til fastlæggelse af forventningsdensiteten; 10 at forme en basiscementsammensætning, hvor basisdensiteten er større end forventningsdensiteten med en densitetsfaktor på 1,01 til 1,4; og hvori basisce-mentsammensætningen består af cement, vand og et densitetsreducerende additiv: at tilsætte en tilstrækkelig mængde gas til basiscementsammensætningen til at 15 forme cementsammensætningen med omtrent forventningsdensiteten, hvori det procentuelle volumen af gas i cementsammensætningen monitoreres i realtid ved brug af en computer og et softwareprogram; og at lade cementsammensætningen størkne.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, hvor forventningsdensiteten ligger fra ca. 0,6 til 0,9 g/cm3 (ca. 5 til ca. 7,5 pounds pr. gallon).

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1, hvor den endelige cementsammensætning omfatter fra ca. 10 til ca. 30 vol-% gas. 25

4. Fremgangsmåde ifølge krav 1, hvor den endelige cementsammensætning har en trykstyrke på mellem ca. 1,4 og ca. 20,7 MPa (200 og 3000 psi).

5. Fremgangsmåde ifølge krav 1, hvor det densitetsreducerende additiv omfatter hule 30 glasperler, puzzolanmikrokugler, massive perler, eller kombinationer deraf.

6. Fremgangsmåde ifølge krav 1, hvor den endelige cementsammensætning place res nede i et borehul. DK 177670 B1 16

7. Fremgangsmåde ifølge krav 6, hvor forventningsdensiteten får den endelige cementsammensætning til at udøve en kraft på formationen, som er mindre end omtrent en frakturgradient for borehullet.

8. Fremgangsmåde ifølge krav 1, hvor gassen omfatter nitrogen.

9. Fremgangsmåde ifølge krav 6, hvor gassen indføres ved en konstant eller trinvis rate for at frembringe en konstant skumkoncentration eller densitet nede i hullet.

10. Fremgangsmåde ifølge krav 1, hvor indføringen af gassen ind i basiscementsam- mensætningen omfatter at tilsætte et ekspansionsmiddel omfattende opskum-ningsmidler, skumstabiliserende midler, ekspanderende additiver, eller kombinationer deraf til basiscementsammensætningen. 15