NO149585B - Sementoppslemning - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en hydraulisk seméntopp-slemming av den art som er angitt i krav l's ingress"." Lettvektssementeri iføige foreliggende oppfinnelse utvisér 'lavere densiteter' og kan oppnå høyere styrke énn dét som kunne- oppnås ved anvendelse av sementhlåndinger hvori vann tilsettes for å nedsette densiteten av blandingen og materialet såsom bentonitt, diatomerjord eller nåtriummetasilikat tilsettes for å forhindre separering av blandingene.

I fig. 1 er vist en sammenligning av styrken for sement ifølge foreliggende oppfinnelse med styrken av tidligere anvendte sementer. Fig, 2 viser styrken av de hule glassmikrosfærer anvendt i henhold til foreliggende oppfinnelse. Fig. 3 viser økningen i oppslemningens densitet for en oppslemning ifølge oppfinnelsen når det hydrostatiske trykk stiger.' Fig. 4 viser vann som er nødvendig for å danne oppslemningene

ifølge oppfinnelsen.

Fig. 5 viser oppslemningskonsistens for lavdensitetssementen ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 6 oppslemningsdensiteter som oppnås ved tilsetning av hule glass-sfærer. Fig. 7 viser API fortykningstider for oppslemninger ifølge oppfinnelsen. Fig. 8 viser API.kompresjonsstyrke for oppslemninger ifølge oppfinnelsen.

I oljebrønntypesementering er det funnet at en lavdensitetsement som omfatter hydraulisk sement, hule glassmikrosfærer og vann er overlegent bedre enn de tidligere beskrevne lettvektsementer. Lavdensitet eller lettvektsementer anvendes' ved avslutning

av brønner som utstrekker seg gjennom svake undergrunnsforma-sjoner for å nedsette det hydrostatiske press som virker på en kolonne av sement i de svake formasjoner. Eksempler på slike formasjoner er ikke-konsoliderte sene tertiære formasjoner som påtreffes i Gulfkystområdet i de Forente Stater, grunne kull-sømmer som påtreffes i Wyoming, Muskegformasjoner som påtreffes i Canada og brutte formasjoner som finnes verden over. Slike formasjoner påtreffes når det bores brønner for utvinning av underjordiske kilder såsom olje, gass, mineraler og vann og lettvektsementene ifølge oppfinnelsen er nyttig ved avslutningsarbeider i slike brønner. Disse avslutningsarbeider i det etter-følgende beskrevet under henvisning til oljebrønner og innbe-fatter, men er ikke begrenset til avslutninger hvor sementoppslemningen pumpes ned gjennom et rør i en brønn og oppover inn i det ringformede rom mellom røret og brønnens vegg, hvor sement-suspensjonen innføres i hulrommet mellom røret og brønnens vegg ved støpeteknikker og hvor en plugg av sementoppslemningen inn-føres i en brønn når denne skal "forlates" eller når det skal etableres en ledekile.

Det er beskrevet i del 3 av en serie artikler med tittelen

Basic Cementing, Oil and Gas Journal, Volume 75, No. 11,

■14. mars 1977 at "'Basically, lightweight slurries aré made by adding more watér to lightén the mixture ånd then adding materials which keep the solids from separating." Bentonitt, diatomerjord og natrium-metasilikat er beskrevet som materiale - som' kan tilsettes for å forhindre at faststoffet separeres når vann tilsettes for ' å nedsette bppslemnihgens densitet. Det er også beskrevet at oppslemningsdensitetér så lave som 1,29 kg/l kan oppnås ved tilsetning av vann. Denne fremgangsmåte ved fremstilling av lettvektssementoppslemninger har den ulempe at tilsetning av mere vann forlenger herdetiden og reduserer styrken av den erholdte lettvekssément i en slik grad at de ikke kan blandes til densiteter mindre enn-ca. 1,29 kg/l.

Lavdensitetsementen ifølge oppfinnelsen fremstilles ved tilsetning av hule glassmikrosfærer og tilstrekkelig vann til hydraulisk sement for å danne en pumpbar oppslemning. Den ytterligere vannmengde som er nødvendig som følge av anvendelse av mikrosfærer ér vesentlig mindre enn den som er nødvendig når vann tilsettes for å nedsetté' oppslemningsdensitet, følgelig' har den herdede sement ifølge oppfinnelsen en betydelige høyere styrke enn de tidligere anvendte lavdensitetssementer og ytterligere er herdetiden nedsatt. Som følge av den ytterligere styrke kan lettvektssementen i henhold til oppfinnelsen frem- ' stilles med densiteter meget lavere enn densiteten for de kjente oppslemninger på 1,29 kg/l, som beskrevet i dén ovenfor angitte publikasjon. Dette er vist i fig. 1 hvor kompresjonsstyrken av lettvektssementer beskrevet i den ovenfor nevnte publikasjon sammenlignes med kompresjonsstyrker for lettvektssementer ifølge oppfinnelsen.

Sammenligningene vist i fig. 1 ble utført med "American Petroleum Institute (API) Class A" sementer i en API-brønnsimu-ieringsprøveopplegg for en 3 05' m brønn, slik som beskrevet i "API Recommended Practice for Testing Oil Well Cements and Cement Additives," (American Petroleum Institute, Washington, D.C., API RP-10B,' 20th Edition, April 1977). Disse sammenlig-ninger kan gjøres i forhold til den ovenfor nevnte "Oil and Gas Journal" publikasjon hvor det er beskrevet at de fleste operatører venter til en sement har nådd en minimal kompresjonsstyrke på 3447 kPa før driften gjenopptas. Det kan ses fra fig. 1 at en 1,03 kg/l sementblanding ifølge foreliggende oppfinnelse vil oppnå en kompresjonsstyrke på ca. 3447 kPa i 24 h sammenlignet med en 1,56 kg/l sementblanding hvori det anvendes vann for å nedsette densiteten av sementblandingen, samt bentonitt, diatomerjord eller natriumsilikat for å forhindre separasjon av faststoff. Det kan også ses at en 1,32 kg/l sementblanding ifølge oppfinnelsen vil oppnå en kompresjonsstyrke på ca. 3447 kPa i løpet av 12 h. Dette viser at anvendelse av lettvektssementen ifølge oppfinnelsen i betydelig grad kan nedsette ventetiden for sementens herdning til den minimale styrking, vente på sementherdetid (WOC).

Lettvektsementen ifølge oppfinnelsen er også overlegent bedre

enn lettvektsementene beskrevet i US-patentene 3.699.701, 3.722.591, 3.782.985 og 3.804.058. Det er beskrevet i kolonne 2, linje 35 - 38 i US-patent nr. 3.699.701 at lettvektsoljebrønn-sementer kan fremstilles ved tilsetning av flyteaske, som agre-gat til eksisterende oljebrønnsementer. Flyteaske er beskrevet i konlonne 1, linjene 13 - 15 som den del av flyveasken som flyter på vann og som har en spesifikk vekt på ca. 0,7. Anvendelse av flytende flyveaske er også beskrevet i kolonne 2,

i linjene 7 - 18 i US-patent nr.3.782.985. Det er også beskrevet i konlonne 2, linjene 17 - 22 i US-patent nr. 3.722.591 vat et borehull kan fores med en isolerende foring dannet in situ ved herding, i stedet for herdbar, flytende blanding bestående i det vesentlige av herdbar, flytende klebende sement og et byggemiddel, et fast lukket cellemateriale. En egnet klebende sement er beskrevet i konlonne 3, linje 18 i det sistnevnte patent som hydraulisk sement. Som egnet byggemiddel angis et fast lukket cellemateriale i kolonne 3, linjene 59 - 63 i patentet som flytende flyveaske. I US-patent nr. 3.804.058 er beskrevet i konlonnne 5, linjene 4 - 8 at pumpbare sementoppslemninger kan fremstilles ved å blande nortlandsement, vannfritt natrium-metasilikat, vann og hule sfærer fremstilt av keramikk eller glass. Keramikk og glass-sfærer er sammenlignet i konlonne 5, linjene 30 - 37 i patentet hvor det er beskrevet at keramiske sfærer er foretrukkket i brønner hvori de hydrostatiske trykk

går opp til ca. 17 237 kPa. Vannet som er nødvendig for er-hbldelse av en pumpbar oppslemning ifølge patentet er beskrevet 1 kolonne 5, linjene 38 - 55 og i konlonne 6, linjene 1 og 2, hvor det-er beskrevet at ytterligere vann tilsettes for glass-sfærer og for natrium-metasilikatet. Fordelene som oppnås ved dette ekstra vann er beskrevet i kolonne 4, linjene 11 - 16 i patentet hvor det er angitt at det ekstra vann forøker rommet mellom' de suspenderte hulforseglede glass-sfærér og således nedsettes brekkasjen' av sfærene.

Det ytterligere vann som kreves i henhold til US-patent nr. 3.804.058'vil ha den samme ødeleggende effekt som beskrevet i henhold til lettvektsoppslemningene fremstilt ved'å tilsette vann for å nedsette densiteten av oppslemninger tilsatt bentonitt, diatomerjofd eller'natrium-metasilikat'for å forhindre faststoffet fra å separere. Prøvenummer 4a, 8, 9, 9a, 9b og 9c i Tabell II i US-patent nr. 3.804.058 er eksempler på an-vendélse av ytterligere vann sammen med natrium-metasilikat for å forhindre vannsepafasjon. Tilsetningen av vann i henhold til det nevnte patent forøker herdetiden og nedsetter styrken av den erholdte lettvektssement. Derfor har lettvektssementen i henhold' til dette patent lengre herdetider og dårligere styrke

enn sémentoppslemninger i henhold til foreliggende o<p>pfinnelse som er fri for effektiv mengder av tilsetningmidler såsom bentonitt diatomerjord og natrium-metasilikat. Én effektiv mengde av en av disse tilsetningsmidler er en mengde som ville forhindre separasjon av vann og partikler fra oppslemningen.

Det API frie vanninnhold av suspensjoner av portlandsement, "IG 101" glass-sfærer markedsført av Emerson & Cuming, Inc. og mengd.en av vann beskrevet i det sistnevnte patent i kolonne 5, linjene 35 - 38 og kolonne 6, linjene 1 og 2, også vist i Tabell 2 er for høy for oljebrønntype'avslutninger.

API fritt vanninnhold for en oppslemning holdes på ikke mere enn 2 volum-% og fortrinnsvis mindre enn 1 volum-% for å minimali-sere vannseparasjonen etter innføring av oppslemningen. Vannseparasjonen i en sementkolonne kan danne lommer av fritt vann inne i sementkolonnen eller nedsettes høyden av kolonnen av sus-pensjonen. Lommer med fritt vann inne i en kolonne kan forårsake korrosjon i den tilstøtende omhylling. Høye prosent-andeler vannseparasjon kan danne kanaler gjennom hvilken væske kan migrere forbi sementkolonnen.

Det API frie vanninnhold av en oppslemning fremstilt ved å blande "API Class H" sement med 20,68 vekt-% "IG 101" hule glass-sfærer og 126 vekt-% vann er ea. 18,4 volum-%. I tillegg til vannseparasjon så- segregerer faststoffet under den nevnte API-prøve. Den nedre del av en 250 ml's målsylinder hvori denne prøve ble utført inneholdt 84 ml faststoff, den midlere del inneholdt ca. 46 ml vann og toppdelen inneholdt ca. 120 ml faststoff flytende i vannet. Denne oppslemning hadde den samme sammen-setning som i eksempel 1 i Tabell 2 i US-patent nr. 3.8 04.058. Det frie vanninnhold i en annen sementoppslemning fremstilt ved

å blande "API Class H"sement med 10,34 vekt-% "IG 101" hule glass-sfærer og 84 vekt-% vann var ca. 16 volum-%. Denne oppslemning var beheftet med den samme alvorlige partikkelsepara-sjon som beskrevet med hensyn til oppslemninger fremstilt med 20,68 % sfærer. Denne oppslemningen inneholder vannmengden angitt i kolonne 5, linjene 53 - 55 for sement og glass-sfærer. Det er i det sistnevnte patent beskrevet at en oppslemning bør inneholde 18,9 1 vann pr. 42,6 kg sement og 16,7 1 vann pr. hver 10 vekt-% glass-sfærer. Dette tilsvarer fremstilling av sus-pensjonen med 44 vekt-% vann far sementen og 3,9 vekt-% vann for hver vektprosent glass-sfærer. En oppslemning fremstilt med denne vannmengde ville inneholde 84 vekt-% vann når den blandes med ca. 10,34 vekt-% glass-sfærer og 124 vekt-% vann når den blandes med ca. 20,68 vekt-% glass-sfærer. Disse vekt-prosent er basert på vekten av sementen.

De keramiske sfærer beskrevet i patentet markedsføres av Emerson & Cuming, Inc. under handelsnavnet "FA.A Eccospheres". Disse keramiske sfærer er kjent innen industrien som flytende flyveaske eller flyveaske.

Det er funnet at hule keramiske sfærer har egenskaper som gjør dem uønsket som tilsetningsmidler i lettvektssementer for olje-brønnavslutning. En 1,52 kg/l oppslemning fremstilt med "API Class A",sement, ca. 20 vekt-% hule keramiske sfærer og tilstrekkelig vann til å. danne en oppslemning med et API normalt vanninnhold mistet ca, 10 % av sitt volum når den ble utsatt for trykk på mindre enn 34 474 kPa og en 1,2 kg/l oppslemning. med "API Class A" sement ca. 67 vekt-% hule keramiske sfærer og tilstrekkelig vann til å gi en oppslemning med et . API normalt vanninnhold mistet ca. 10 % av sitt oppslemnings-.. volum når den ble utsatt for trykk på mindre enn 13 090 kPa. Dette .volumtap for en 1,2 kg/l oppslemning resulterte i en fast plugg som ikke var numpbar.. Oppslemninger ifølge o<p>pfinnelsen mister ikke deres pumpbarhetsevne etter tap av 10 % av deres pppslemningsvolum under hydrostatisk trykk og ytterligere vil tap. av oppslemningsvolum for o<p>pslemninger ifølge oppfinnelsen ikke være proporsjonal med mengden av hule sfærer som blandes med oppslemningen.

Det er også funnet at lettvektssementer blandet med disse keramiske sfærer belemret med en betydelig forøkning i oppslemningsdensitet og nedsetning i suspensjonens volum når den herder, ved et hydrostatisk trykk på ca. 3447 kPa. En 1,16 kg/l oppslemning av "API Class A" sement, keramiske sfærer og tilstrekkelig vann til å gi en oppslemning med et API normalt vanninnhold krøp ikke eller forøket i densitet når den ble herdet ved atmosfæretemperatur og trykk, imidlertid når en prøve av den samme oppslemning fikk herde ved atmosfæretemperatur og et hydrostatisk trykk på 3447 kPa mistet den ca. 10 % av sitt volum og forøket densiteten.til ca. 1,2 kg/l.

Effektiviteten av hydrostatisk trykk på volumet av en lettvekts-sementoppslemning blandet med hule keramiske sfærer skulle lede en fagmann bort fra anvendelse av disse i oljebrønnavslutninger. Disse ødeleggende effekter er særlig alvorlige når lettvektssementoppslemninger blandes med hule keramiske sfærer til å gi op<p>slemninger med densiteter mindre enn ca. 1,2 kg/l. Foreliggende lettvektssementer er ikke belemret med de samme ødeleggende effekter som vist for lettvektssementoppslemninger fremstilt med hule keramiske sfærer. Det vil bli beskrevet under henvisning til fig. 2 og 3 at effekten av det hydrostatiske trykk på oppslemninger ifølge oppfinnelsen er proporsjonale med densiteten av de hule glass-sfærer som velges. Oppfinnelsen er særpreget ved det sem er angitt i krav l's karakteriserende del.

De hule glassmikrosfærer som anvendes ved fremstilling av foreliggende lettvektssement har en midlere partikkeldiameter på mindre enn 500 um og kan fremstilles ved fremgangsmåten' beskrevet i US-patentene nr. 3.365.315 og 3.030.215. I det førstnevnte patent er beskrevet at hule glassmikrosfærer fremstilles ved å føre glasspartikler av glass inneholdende et gassdannende materiale gjennom en strøm" av oppvarmet luft eller en flamme. De .gassdannende materialer kan innarbeides i glass-partiklene ved det enkle trinn å la partiklene, enten ved rom-temperatur eller ved høyere temperaturer under smeltning- få ab-sorbere eller adsorbere de følgende materialer fra atmosfæren som omgir partiklene: 1^0, CO^, SO2, etc. Det er beskrevet i US-patent nr. 3.030.215 at hule glassmikrosfærer kan fremstilles ved å utsette en pulverformig blanding av silisiumhol-

dig materiale såsom natriumsilikat, et vanndesensibiliserings-middel, såsom borsyre og et blåsemiddel såsom urea for forhøyede temperaturer i et tidsrom nødvendig for å smelte partiklene og forårsake ekspansjon av partiklene til hule glass-sfærer. Glass med høy styrke såsom borsilikatglass kan anvendes for å frem-stille hule mikrosfærer med hydrostatisk sammenfallingsstyrker som er større enn ca. 34 474 kPa, bestemt i henhold til ANS I/AS TM D3102-72 (American Society for Testing and Materials) ..

I fig. 2 er vist at hule mikrosfærer med midlere sanne partikkeldensiteter på ca. 0,2 g/cm 3, bestemt i henhold til ANSI/ASTM D 2840.69 generelt utviser ANSI/ASTM hydrostatiske sammenfallingsstyrker på mindre enn ca. 3447 kPa, mens hule glassmikrosfærer med ANSI/ASTM midlere sann partikkeldensitet på ca. 0,5 g/cm<3 >utviser en ANSI/ASTM hydrostatiske sammenfallingsstyrke større enn 34 474 kPa.

De hydrostatiske sammenfallingsstyrkemålinger vist i fig. 2 ble utført i henhold til fremgangsmåten beskrevet i ANSI/ASTM D 3102-72. Trykket som er nødvendig for å sammenklappe ca. 10 volum-% av de hule glassmikrosfærer er angitt som den hydrostatiske sammenfallingsstyrke for mikrosfærene. Dette er tenkt å simulere det hydrostatiske trykk under hvilket sementoppslemningen, inneholdende disse mikrosfærer vil utsettes for under sementeringsoperasjoner i oljebrønner, samt også simulere det isotaktiske trykk under hvilke disse mikrosfærer blir utsatt for under disse operasjoner. Disse mikrosfærer er generelt fremstilt med en midlere partikkeldiameter på ca. 10 - 300 um.

Mange'av anvendelsene av -lettvektssementer• ifølge oppfinnelsen vil være ved avslutning av brønnoperasjonene med dybden fra 305 m - 1830 m. I API RP-10B er det beskrevet at brønner, for API simulerte testbetingelser, med dybder på ca. 305 m vil ha

et bunnhulltrykk på ca. 7 000 kPa og at brønner med en dybde ned til ca. 1830 m vil ha bunnhulltrykk-på ca. 26 700 kPa. Kommersielt tilgjengelige hule glassmikrosfærer med ANSI/ASTM sann partikkeldénsitet på ca. 0,3 g/cm 3 og ANSI/ASTM hydrostatisk sammentrykningsstyrke på ca. 6895 kPa er tilfredsstillende for avslutning av API simulerte brønner til dybde' på ca. 305 m. Kommersielt tilgjengelige hule glassmikrosfærer med ANSI/ASTM sanne partikkeldensiteter på ca. 0,4 g/cm 3 og ANSI/ASTM hydrostatisk sammenfallingsstyrke på ca. 27 579 kPa er tilfredsstillende for avslutning av API simulerte brønner til dybde ned på ca. 1830 m. Generelt høyere densitet og hule glassmikrosfærer med høyere styrke er ønskelig for avslutning av dypere brønner. Glass-sfærer med ANSI/ASTM hydrostatisk sammenfallingsstyrke større enn ca. 27 57 9 kPa kan være mere økonomisk for ferdig-gjøring av brønner til dybder på 3050 m og dypere.

Det er observert at sementoppslemningene ifølge oppfinnelsen øker i densitet når trykket på oppslemningen forøkes. Dette er vist i fig. 3 hvor det er vist at oppslemningsdensiteten kan kompanseres for ved å blande oppslemningen med en mengde hule glassmikrosfærer som vil tilveiebringe den passene oppslemningsdensitet under de hydrostatiske betingelser som oppslemningen vil utsettes for. Det er vist at en oppslemning som skal utsettes for et hydrostatisk trykk på ca. 13 790 kPa initialt bør ha en høyere konsentrasjon av disse mikrosfærer enn en oppslemning som skal utsettes for et hydrostatiske trykk på ca. 6895 kPa,

og etter at disse blandinger har vært utsatt for de nevnte maksi-male hydrostatiske trykk vil begge suspensjoner inneholde ca. den samme konsentrasjon av disse mikrosfærer, slik det fremgår

av deres o<p>pslemningsdensiteter. Det kan ses fra fig. 3 at den høyere prosentandel av mikrosfærene går tapt når det hydrostatiske trykk øker fra 10 342 kPa til 13 790 kPa enn det som går tapt når det hydrostatiske trykk økes fra 3447 kPa til 6895 kPa. Mikrosfærene anvendt for forsøkene vist i fig. 3 ville være tilfredsstillende for ferdiggjøring av eh brønn med et hydrostatisk trykk ved bunnhullet på ca. 6895 kPa, imidlertid kan mikrosfærer med høyere sammenfallingsstyrke være mere økonomiske for anvendelse ved større dyp.

Lavdensitetsementen ifølge foreliggende oppfinnelsen blandes med tilstrekkelig vann til å danne en pumpbar oppslemning med et fritt vanninnhold som ikke overstiger 2 volum-% og fortrinnsvis mindre enn 1 volum-%, bestemt i henhold til prøve-måten beskrevet i seksjon 4 "Determination of Water Content of Slurry", API RP-10B. Den pumpbare oppslemning ifølge oppfinnelsen inneholder fortrinnsvis mer enn det minimale vanninnhold og mere foretrukket inneholder den ca. det normale vanninnhold, begge disse vanninnhold er beskrevet i den nevnte seksjon 4 i API RP-10B. En oppslemning med et minimalt vanninnhold er beskrevet i API RP-10B som en med en konsistens på ca. 30 "Bearden" enheter med oppslemningskonsistens (Bc), mens en oppslemning med normalt vanninnhold er beskrevet som å ha en konsistens på ca. 11 Bc- En oppslemning med mindre enn et API minimalt vanninnhold er vanskelig å pumpe og en oppslemning med et API normalt vanninnhold ér en som er betraktet som å utvise optimal konsistens for pumping og. med et tilfredstillende fritt vanninnhold. I fig. 4 er vist at en oppslemning ifølge oppfinnelsen fremstilt med "API Class A" portlandsement og 8 - 50 vekt-% hule borsili-katglassmikrosfærer, regnet på vekten av sementen, kan blandes med tilstrekkelig vann til å gi en oppslemning med et API normalt vanninnhold. De hule glassmikrosfærer vist i disse for-søk er "B37/2000" mikrosfærer markedsført av Minnesota Mining and Munfacturing Company og har en gjennomsnitlig diameter på 20 - 130 um. Andre mikrosfærer kan ha andre vannbehov. Denne oppslemning blandes med tilstrekkelig vann til å gi en pumpbar oppslemning med portland sement og en ytterligere vannmengde fordi mikrosfærene krever ca. 1,2 vekt-% ekstra vann for hver vekt-% tilsatt hulemikrosfærer når oppslemningen blandes med ca. 8 vekt-% av mikrosfærene, basert på vekten av sementen og ca. 2,2 vekt-% ekstra vann for hver ekstra vekt-% av disse mikrosfærer når oppslemningen blandes med ca. 50 vekt-% av disse mikrosfærer, regnet på vekten av sementen. Ved ca. 10 vekt-

% av disse mikrosfærer er API fritt vanninnhold for en oppslemning blandet med ca. 1,3 vekt-% ekstra vann for hver vekt-%

hule mikrosfærer ca. 2,5 ml eller ca. 1 volum-%. Ved 30 vekt-% av disse mikrosfærer er API fritt vanninnhold for en oppslemning med ca. 1,8 vekt-% ekstra vann for hver vekt-% hule mikrosfærer ca. 1 ml eller ca. 0,4 volum-%.

Vekt-% vann for hver vekt-% mikrosfærer, som vist i fig. 4, er

i tillegg til det vann som er nødvendig for å gi en pumpbar oppslemning med sement. Dette er vist for en "API Class A" portlandsement blandet med ca. 10 vekt-% hule glassmikrosfærer med en ANSI/ASTM midlere sanne partikkeldensiteter på ca. 0,37 g/cm<3 >og ca. 59 vekt-% vann basert på vekten av-sement til å gi en oppslemning med en densitet på ca. 1,4 kg/l og et API normalt vanninnhold. Ca. 4 6 vekt-% vann basert på vekten av sementen er nødvendig for å gi. en pumpbar oppslemning med sement og ca. 13 vekt-% basert på vekten av sementen er nødvendig for å fukte overflaten av glass-sfærene og for å gi en pumpbar oppslemning med blandingen av sement og glass-sfærer. Uten det ytterligere vann for hver vekt-% mikrosfærer ville oppslemningen av sement, glass-sfærer og vann ikke være pumpbar.

Vanninnholdet for de hydrauliske sementoppslemninger for anvendelse ved fremstilling av blandingen ifølge oppfinnelsen er vist i seksjon 4 av API RP-10B hvor normal og minimum vanninnholdene er spesifisert.. Den hydrauliske sement kan inneholde hvilke som helst av de konvensjonelle tilsetningsmidler som er nødven-dig for tilpasning til brønnbetingelsene og bør inneholde normalt til minimalt vanninnhold, som nødvendig, når slike tilsetningsmidler blandes med den hydrauliske sement. Ønskede tilsetningsmidler er akseleratorer, "loss circulation" materialer og dispergeringsmidler. Den etterfølgende Tabell 1 er også gjen-gitt i seksjon 4 i API RP-10B og angir vann som er nødvendig for blanding av ublandet API sementklasser med vann for å gi oppslemninger med normale vanninnhold.

Det er vist i fig. 5 at ca. 1,3 vekt-% ekstra vann for hver vekt-% "B37/2000 mikrosfærer regnet på vekten av sementen, vil gi en oppslemning med et AP.I normalt vanninnhold for ca. 10 volum-% hule mikrosfærer, regnet på vekten av sement, til en oppslemning med et API minimalt vanninnhold ved ca. 4 0 vekt-% hule glassmikrosfærer.

Det er vist i fig. 6 at "API Class A" sement blandet med glassmikrosfærer med ANSI/ASTM midlere sanne partikkeldensiteter i området 0,2 - 0,5 g/cm 3 og et API normalt vanninnhold kan frem-stiles til å gi oppslemninger med densiteter mindre enn 1,4 kg/l. Generelt vil mikrosfærer med ANSI/ASTM sanne partikkeldensiteter i området 0,3 - 0,4 g/cm anvendes for fremstilling av oppslemninger med densiteter i området 1,08 - 1,4 kg/l.

Lettvektsementen ifølge oppfinnelsen kan fremstilles med en hvilken som helst hydraulisk sement som normalt anvendes i olje-brønntypesementarbeider og de hule glassmikrosfærer kan anvendes i kombinasjon med andre tilsetningsmidler. Portlandsementer er de basiske hydrauliske sementer som nå anvendes i oljebrønntype-sementarbeider og disse blandes ofte med akseleratorer, retar-deringsmidler, dispergeringsmidler og "loss circulation"midler for å tilfredsstille spesielle brønnbetingelser.

Anvendelse av kalsiumklorid som akseleratorer i lavdensitets-sement ifølge oppfinnelsen, er vist i fig. 7 og 8 hvorav det kan ses at fortykningstidene for lettvektssementer ifølge oppfinnelsen generelt øker når de blandes med høye konsentrasjoner av hule glassmikrosfærer og at deres kompresjonsstyrke generelt avtar ved høyere konsentrasjoner av mikrosfærer. Det kan ses at kalsiumklorid har en større akselererende effekt på lettvektssementen ifølge oppfinnelsen blandet med lavere konsentrasjoner av hule glassmikrosfærer. Kalsiumklorid fortynnes med ytterligere vann for hver vekt-% glassmikrosfærer.

Forsøk er også utført med "API Class A" sement blandet med cå. 25,5 vekt-% hule glassmikrosfærer med ANSI/ASTM sanne partikkeldensiteter på ca. 0,37 g/cm^ og med dispergeringsmidler samt gipshemihydrat. Prosent mikrosfærer er basert på vekten av sementen. Dispergeringsmidler er kjent for å redusere vannet som er nødvendig for blanding av sementer, og gipshemihydrat er kjent for å produsere en sementoppslemning som vil oppnå en høy gelstyrke når bevegelse av oppslemningen nedsettes eller avsluttes. Sementoppslemninger som geler når bevegelsen redu-seres er nyttige for plugging av brudd eller fylling av hulrom i et brønnhull og for å redusere det hydrostatiske trykk påført oppslemningen til svake underjordiske formasjoner etter at inn-føringen av sementoppslemningen er fullstendig. Tilsetning av 0,7 5 vekt-% dispergeringsmiddel, basert på vekten av sement nedsetter det ekstra vann som er nødvendig for tilsetning av hule mikrosfærer fra 1,65 vekt-% til ca. 1 vekt-% for hver ekstra vekt-% av disse mikrosfærer, basert på vekten av sementen. Tilsetning av 7,5 vekt-% gipshemihydrat gir en oppslemning med en gelstryke på ca 50 kg/cm 2 etter at bevegelse av oppslemningen har opphørt i løpet av 12 min., sammenlignet med en gelstyrke pa ca. 2,5 kg/cm 2 for en oppslemning som ikke inneholder gipshemihydrat .

Lavdensitetssementen ifølge oppfinnelsen*er også nyttige i unor-malt varme brønner fordi den er kjennetegnet ved herding i den ganske høye kompresjonsstyrke ved forhøyede temperaturer, over 110°C. I det uvanlige tilfelle hvor "API" sement (bortsett fra Class J) skal herdes eller senere utsettes for høye temperatur-betingelser, (over 110°cy, vil den initiale kompresjonsstyrke ikke bibeholdes men kan falle raskt i størrelsesorden 30 % eller mere. Lettvektssementen ifølge oppfinnelsen er også nyttig ved damp eller varmtvannsinjeksjonsbrønner og <p>roduserende brønner fra varme kilder og lignende, såvel som . i brønner som går gjennom permafrost og hvor det er et definert behov for å oppnå en tilfredsstillende isolerende foring mellom væsken og formasjonene som omgir brønnen.

Det er funnet at lettvektssementen ifølge oppfinnelsen har

høy temperaturmotstandsevne ved temperaturer over 110°C,

hvilket er minst av samme størrelsesorden som (og enkelte ganger) overstiger den for materialet som herdes ved en temperatur i størrelsesorden 32 - 49°C. Dette illustreres under henvisning til det følgende eksempel på en oppslemning ifølge oppfinnelsen. En "API Class A" sementoppslemning, som i fravær av finfordelte hule sfærer ville inneholde ca. 46 vekt-% vann. Hvis 25,5 vekt-% "B37/2000" sfærer tilsettes (ANSI/ASTM midlere sann partikkeldensitet på 0,37 g/cm 3) rna ytterligere tilsettes 34 vekt-% vann, ca. 1,3 vekt-% vann for hver vekt-% hule sfærer, til å gi et totalt vanninnhold på 80 vekt-% i dette spesielle tilfelle. Prosentandelene er basert på vekten av sementen. Densiteten for den resulterende oppslemning var av størrelsesorden 1,14 kg/l. Når denne oppslemning herdes ved ca. 14 9°C utviser den en styrke etter et døgn på ca. 6895 kPa. En prøve av denne lettvektssement utsettes for en temperatur på 149°C i 7 døgn, kompresjonsstyrke på ca. 6688 kPa som er en helt betydningsløs redusjon. For alle praktiske formål kan man si at de to kompresjonsstyrkene er identiske. Vanligvis vil en "API Class A" oljebrønnsement-oppslemning uten lavdensitettilsetningsmidler ved herding i et døgn ha en styrke av størrelsesorden 20 684 kPa ved 149°C,

men etter å ha vært utsatt for denne temperatur i 7 døgn vil den falle typisk med ca. 30 %. En lettvektssement fremstilt ved tilsetning av vann for å redusere densiteten av oppslemningen til ca. 1,56 kg/l, samt bentonitt/diatomerjord eller natrium-metasilikat for å forhindre faststoffseparering vil i det vesentlige miste all kompresjonsstyrke etter herding ved 14 9°C i en uke.

Eksempel på hule glassmikrosfærer som er funnet nyttige ved fremstilling av lettvektssementen ifølge oppfinnelsen er vist i Tabell II.

(Bemerk: i kravene er både natriumborsilikatglass og natrium-'kalkborsilikatglass generisk omtalt som "natriumborsilikatglass" eller "borsilikatglass". Termisk ledningsevne er i størrelses-orden 8-11 kcal/cm/h/m^/°C.

Emerson & Cuming mikrosfærene er antatt å være fremstilt ved fremgangsmåten beskrevet i US-patent nr. 3.030.215 og mikrosfærene fremstilt av 3M Manufacturing Company er antatt fremstilt ved fremgangsmåten beskrevet i US-patent nr. 3.365.315.

De kommersielt tilgjengelige hule glassmikrosfærer fremstilt ved fremgangsmåten beskrevet i US-patent nr. 3.365.315 har styrke som varierer med ANSI/ASTM sanne partikkeldensiteter, slik som vist i fig. 2 og disse er nyttige for et bredt område hydrostatiske trykkbetingelser som er forventet møtt ved anvendelse av lettvektssementer ifølge oppfinnelsen. Mikrosfærer fremstilt ved fremgangsmåter andre enn den som beskrevet i US-patent nr. 3.365.315 er muligens ikke tilfredsstillende for anvendelse under betingelsene hvor vektssementene ifølge oppfinnelsen utsettes for hydrostatiske trykk større enn 10 340 kPa.

Med hensyn til anvendelse av disse små glass-sfærer så er det åpenbart at man må være forsiktig ved sammenblanding av sfærene og sement. Det er ikke funnet nødvendig å anvende metasilikat, imidlertid utføres blandingen av disse materialer ved å føre disse inn i en stor lagertank ved hjelp av noe som ligner en stor støvsuger eller membranpumpe og det er ønskelig at de som håndterer materialene anvender respiratorer og briller. Det bør minst være et vanlig vakumposefilter ved utløpsledningen fra vakuumsystemet. Ved bulkstatsjonen hvor disse blandinger skal sammenblandes, tørrblandes sfærene og sementen i nærvær av tilstrekkelig luft til å gi en homogen blanding av disse materialer. De føres deretter over i en truck og sendes til brønnen. Ved brønnen kan anvendes en vanlig "Haliburton" stråleblander eller tilsvarende anordning for å blande disse tørre bestanddeler med vann til den ønskede densitet. Ved anvendelse av pneumatisk bulkhåndteringskar vil nødvendigvis ikke operatørene utsettes for disse små glass-sfærer og det er ikke nødvendig å ta de ovenfor nevnte sikkerhetsforholdsregler.

Anvendelse av et densitometer eller en trykksatt væskedensitets-vekt, slik som beskrevet i appendix B i API RP-10B er det minimale utstyr som for tiden er nødvendig for å styre densiteten. En manuell sentrifuge kan også anvendes ved bestemmelse av vanninnholdet. Med en manuell sentrifuge er man ikke avhengig av en strømkilde eller lignende. Like før blandingen skal på-begynnes ved bruksstedet fremstilles små prøver inneholdende mengden av faste bestanddeler som er planlagt for et spesielt arbeide, hver med en innstilt vannmengde, eksempelvis til 7 0 %, 80 %, 90 % og 100. % (regnet på sementens vekt). Disse separate prøver sentrifugeres hvilket forårsaker at materialet separeres ut i en sementdel, en vanndel og en porsjon inneholdende finfordelte gass-sfærer. Det oppsettes et diagram hvor den' virkelige eller kalibrerte prosentandel vann avsettes langs en akse og den som bestemmes fra sentrifugevolumet avsettes langs dens andre akse. En jevn kurve trekkes gjennom punktene og på denne måte kalibreres sentrifugen.

Når den aktuelle blanding av sement, glass-sfærer og vann finner sted uttas prøver hvert annet minutt og disse sentrifugeres i den kalibrerte sentrifuge. Vannvolumet funnet i prøven avleses mot den kalibrerte kurve for å bestemme den virkelige prosent-vise vannkonsentrasjon i dens uttatte prøve. Hvor kvikt denne operasjon kan utføres fremgår at en typisk verdi for oppslemnings-fremstillingshastigheten er ca. 636 l/min.

For å gi et spesifikt eksempel på en slik operasjon ble 907 kg "IGD-101 hule glassmikrosfærer blandet med 85 sekker (3630 kg) "Oklahoma API Class A" sement. Sementen og de små hule glass-sf 32rene ble blandet i to satser med likt volum. I hver sats ble halvparten av sementen vakuuminjisert inn i blanderen, hvoretter sfærene og deretter resten av sementen. Satsene ble blåst frem og tilbake fra tanken til bulktrucken tre ganger for å blande de hule sfærene med sementen. Blandeoperasjonene tok 1,5 h, innbefattende utpakking av glass-sfærene. Fire personer fra sementfirma deltok i denne operasjonen. Støvingen var ikke overdrevet stor men briller og støvmasker ble båret av alt per-sonell i blandeområdet. ved denne operasjon ble glass-sfærene fylt i en konisk trakt, meget lik "Halliburton" trakten for stråleblanding og ble deretter sugd vertikalt ut av konen med et 15 cm diameter vakuumrør. Det ble funnet at en ganske homogen blanding av finfordelt sement (nominelt mindre enn 300 mesh) og "IGD-101 Microballoons" ble oppnådd ved denne fremgangsmåte. Dette materialet ble deretter blandet til å gi en lettvekts-sementoppslemning. Under denne prosedyre ble anvendt et spesielt "Halliburton loop" densitometer med et området 0,99 - 1,29 kg/l og som var kalibrert med vann ved 1 kg/l. Blandingen ble utført ved hjelp av en stråleblander og en pumpetruck forsynt med 2 (Halliburton T-10" pumper, dvs. typisk oljefeltutstyr. Oppslemningen ble blandet ved forskjellige matevannstrykk i omradet 8,79 - 33,4 kg/cm 2. Oppslemningen ble best blandet med et matevannstrykk pa 33,4 kg/cm 2. Som ovenfor nevnt ble det da oppnådd en blandehastighet på 636 l/min. og oppslemningen var passende pumpbar, selv om den syntes noe tykk. Sentrifugen viste at vanninnholdet var i området 80 - 85 %, hvilket var hensikten, et pyknometer viste at oppslemningens spesifikke vekt var i området 1,03 - 1,14. "Loop" densitometerkartet viste området for den spesifikke vekt i området 1,04 - 1,06

som ble kalibrert mot pyknometermålningBne, hvilket viste at densitometeret var i det vesentlige nøyaktig.

Feltbearbeiding av denne lettvekts, pumpbare sementoppslemning er beskrevet som enkel og i det vesentlige som følger: de homogent blandene tørre materialer, nemlig sfærer og sement, blandes ved brønnen med den vannmengde som er ekvivalent med (a) den vanlige vannmengde (API normal til minimale vanninnhold) pluss (b) overskudd beregnet på konsentrasjonen av sfærene, som ovenfor beskrevet. Dette gir en oppslemning med en konsistens i området fra en maksimal konsistens på 30 Bc (API) til en med et fritt vanninnhold som ikke overstiger 2 volum-% (API) (bestemmelse for konsistens i "Beardens" og for prosent fritt vann som angitt i "API code RP 10B"). Fremstilt på denne måte pumpes materialet med vanlige sementtrucker under anvendelse av vanlige sementarbeideprosedyrer. Ved en slik fremgangsmåte pumpes sementen ned gjennom et brønnrør og strømmer deretter opp og rundt det, hvilket muliggjør manipulering av brønnrøret såsom skraping, rotering, oscillering etc. for å erstatte bore-slam og sementere vel.

Etter sementen er innført er det funnet at man oppnår vanlige ventetider (WOC).Styrkeutviklingen når oppslemningen herder er ikke bare avhengig av temperatur og trykk, men også av sementtype, vanninnhold og tilstedeværelse av tilsetningsmidler. 01jebrønnsementeringsoppslemninger ifølge oppfinnelsen utvikler relativt høye kompresjonsstyrker i løpet av 12 h, slik som vist i fig. 1, mens tidligere anvendte lavdensitetsoppslemninger utvikler kun lav styrke etter 24 h. Dette er spesielt tilfelle for suspensjonsdensiteter i området 1,08 - 1,4 kg/l.

Det er meget tidkrevende å bestemme sementers reaksjon i nærvær av alle typer sementtilsetningsmidler. Imidlertid så indikerer forsøksdata ingen forskjeller ved anvendelse av sementadditiver med disse spesielle oppslemninger, sammenlignet med de som fremstilt i fravær av finfordelte hule sfærer. Med andre ord mid-ler såsom dispergeringsmidler, akseleratorer og lignende virker på samme måte som for kjente oppslemninger.

Det bør understrekes at herdet eller avbundet sement (faststoffet som resultere fra den ovenfor beskrevne oppslemning) utviser en ytterligere verdifull egenskap, i tillegg til høye mekaniske styrker og lave densiteter. Det er at den utviser vesentlig mindre termisk ledningsevne enn vanlige sementer herdet fra oppslemninger som ikke inneholder de hule sfærer. Som i tilfelle for andre varmeisolatorer er tilstede værelsen av innelukket gass i det store antall hule sfærer innarbeidet i det avbunnede faststoff resultere det i en markant nedsettelse av den termiske ledningsevne. Dette er viktig når sementen anvendes mot permafrost eller hvor brønnvæskene er ganske varme.

To borestrenger er eksperimentelt ferdig bearbeidet med lettvektssementen i henhold til oppfinnelsen. I begge avslutningsarbeider ble den sirkulerende sement til slamrøret observert med et fjernstyrt kamera. Disse borestrenger hadde henholds-vis diametere på 610 mm og 406 mm og utstrakte seg henholds-vis 183 m og 305 m under slamlinjen i 305 m vann. Tidligere forsøk i tilsvarende brønner å sirkulere kommersielt tilgjengelige lavdensitetssementer til slamlinjen hadde vært mislykket.

Den 610 mm borestrengen ble sementert med ca. 70 m 3 oppslemning fremstilt ved å blande ca. 900 sekker (38 379 kg) "API Class A" portlandsement med ca. 590 kg kalsiumklorid, ca. 65 kg antiskumningsmiddel og ca. 10 206 kg "B37/2000 hule glassmikro-sf ærer og tilstrekkelig ferskvann til å gi en 1,14 kg/l oppslemning. Den 406 mm borestrengen ble sementert med ca. 62 m<3 >av en oppslemning fremstilt ved å blande 800 sekker (34 110 kg) "API Class A" portlandsement med ca. 544 kg kalsiumklorid, ca. 58 kg av et antiskumningsmiddel, ca. 9072 kg "B37/2000" hule glassmikrosfærer og tilstrekkelig ferskvann til å gi en 1,14 kg/l oppslemning. Mikrosfærene, antiskumningsmiddelet og kal-siumkloridet ble tørrblandet med sementen, hvoretter den tørr-blandede blanding ble blandet med vann like før sementering av borestrengene.

Claims (7)

1. Hydraulisk sementoppslemning bestående av hydraulisk sement, 8-50 vekt% hule glassmikrosfærer, regnet på vekten av sementen, hvilke mikrosfærer har en ANSI/ASTM D 2840-69 midlere sann partikkeldensitet på 0,2 - 0,5 g/ cm , ANSI/ASTM D 3102-72 hydrostatisk sammenfallingsstyrke på minst 344 7 kPa og en midlere partikkeldiameter mindre enn 500 ^m, samt vann, karakterisert ved at API fritt vanninnhold i oppslemningen ikke er mere enn 2 volum%, regnet kun på den hydrauliske sement og mikrosfærene.

2. Hydraulisk sementoppslemning ifølge krav 1, karakterisert ved at i det vesentlige alt vannet i oppslemningen utgjøres av tilstrekkelig vann til å danne en pumpbar oppslemning med minst et API minimalt vanninnhold og et API fritt vanninnhold på ikke mere enn 2 volum% regnet på sementen og mikrosfæren.

3. Hydraulisk sementoppslemning ifølge krav 1, karakterisert ved at i det vesentlige alt av vannet i oppslemningen utgjøres av tilstrekkelig vann til å danne en pumpbar oppslemning med minst et API minimalt vanninnhold, og at API fritt vanninnhold ikke overstiger 1 volum% av sement og mikrosfæren.

4. Hydraulisk sementoppslemning ifølge krav 1,. karakterisert ved at i det vesentlige alt vannet i oppslemningen utgjøres av vann tilstrekkelig til å gi en pumpbar oppslemning med et API normalt vanninnhold.

5. Hydraulisk sementoppslemning ifølge krav 1, karakterisert ved at i det vesentlige alt av vannet i oppslemningen utgjøres av en vannmengde som er nødvendig for å danne en pumpbar oppslemningen av den hydrauliske sement med et API fritt vanninnhold som ikke er mere enn 2 volum% samt en ytterligere mengde vann lik mengden av vann vist i fig. 4 for hver prosentandel av mikrosfærene .

6. Hydraulisk oppslemning ifølge krav 1, karakterisert ved at i det vesentlige alt av vannet i oppslemningen.utgjøres av en vannmengde nødvendig.for å gi en oppslemning av den hydrauliske sement med minst et API minimalt vanninnhold og et API fritt vanninnhold på ikke mere enn 2 volum%, samt en ytterligere vannmengde pr. vekt% mikrosfærer på 1,2-2,2 vekt% vann regnet på vekten av sementen.

7. Hydraulisk sementoppslemning ifølge krav 1, karakterisert ved at i det alt vesentlige av vannet i oppslemningen utgjøres av vann nødvendig for å gi en oppslemning med den hydrauliske sement med minst et API minimalvanninnhold og et API fritt vanninnhold på ikke mere enn 2 volum%, samt en ytterligere vannmengde for hver vekt% av mikrosfærene på 1,3-1,8 vekt% vann, regnet på vekten av sementen.