NO157694B - Pumpbar sementblanding og anvendelse derav for fremstilling av termisk stabil betong. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en pumpbar sement-

blanding og anvendelse derav for fremstilling av termisk stabil betong. Mer spesielt angår oppfinnelsen sementblandinger som kan brukes der sementen utsettes for relativt høye temperaturer (dvs. over ca. 150°C), må ha relativt lav densitet og må ha god tidligstyrke og lav styrke-

svekkelse. Oppfinnelsen tilveiebringer meget sterke og lette sementer som kan brukes for sementering av geotermiske brønner.

Med en økende interesse for geotermiske brønner som en energi-kilde er det også blitt etter hvert et behov for sementblandinger som vil funksjonere tilfredsstillende under de ekstreme betingelser med hensyn til temperatur og trykk man møter når slike brønner skal bores og brukes. De litologiske og stratigrafiske betingelser som man dessuten møter i slike høytemperaturgeotermiske brønner, vil dessuten ofte gjøre at man får spesielle problemer når man skal sementere en f6ring eller et produksjonsrør i selve brønnen. Ofte vil man således finne at de formasjoner man har boret gjennom,

er svake, usammenhengende og er gjennomtrengt av en rekke større sprekker. Dette gjør at man ofte mister store mengder under plasseringen av sementen i selve brønnen, og dette nødvendiggjør at man reduserer densiteten på sementen for derved å kunne redusere det hydrostatiske trykk. I tillegg til at man har en sement som har utmerket varmestabilitet,

så er det således også meget ønskelig at man har en sement som har relativt lav vekt eller lav densitet.

Termale brønner eller varmebrønner er også karakterisert

(dog ikke alltid) ved at de ofte gir varme og sterkt korroderende væsker i meget store hastigheter, dvs. flere ganger de hastigheter man finner i vanlige oljebrønner. Produksjonen av væske skjer ofte gjennom et relativt stort rør eller en f6ring, og sementen i det ringformede rom mellom dette røret og den omgivende formasjon er utsatt for de høye temperaturer man får fra væsken i røret og den korroderende væske som forefinnes i formasjonen. Det er derfor meget viktig

at sementen har relativt lav permeabilitet for derved å

kunne beskytte ffiringen mot inntrengning av varm, korroderende væske og dessuten for å hindre kommunikasjon gjennom sementen fra brønnen og inn i formasjonen.

For derved å kunne få en tilfredsstillende sement så må denne ha relativt lav densitet og lav permeabilitet, men den bør også ha relativt høy styrke og ha en varmestabilitet som gjør at man ikke får vesentlig svekkelse av styrken over de lange tidsrom hvor man har høye temperaturer. Visse komponenter i sementblandinger er kjente for å kunne gi enkelte av disse egenskaper til brønnsementer. Således er kjent at man kan bruke silisiumdioksyd i de sementer som skal brukes for høytemperaturformål. Dette additiv har imidlertid en tendens til i vesentlig grad å øke densiteten på sementen.

For å kunne redusere tettheten på sementen blir vann ofte tilsatt, og generelt vil det være slik at jo høyere vanninnhold, jo lettere vil sementen være. For å kunne gjøre det mulig å tilsette mer vann som fiksert vann vis å vis fritt vann, så tilsetter man ofte sementfortynnende forbindelse, såsom vannfritt natriummetasilikat. Fremstillingen av en sement med lav densitet ved hjelp av et høyt vanninnhold vil imidlertid lett kunne oppnås på bekostning av en tidlig og endelig styrke foruten en uønsket økning i permeabiliteten.

Det er derfor blitt utviklet andre fremgangsmåter for å redusere densitet på sementblandinger. Det har vært foreslått å tilsette relativt lette forbindelser såsom bentonitt, diatoméjord og perlitt. Det er også beskrevet at man kan bruke høycellulære, porøse eller ekspanderte materialer med lav volumvekt for å gjøre både sementblandingen og andre sementprodukter lettere. I US patentene 3.804.058

og 3.902.911 så er det beskrevet hvordan man har fremstilt lette sementer ved å bruke små, lukkede glass- eller keramikk-perler som en vesentlig komponent i sementblandingene. Skjønt densiteten til disse sementer er relativt lave, så har de relativt høyt vanninnhold, og deres trykkstyrke vil vanligvis ikke overstige ca. 42,2 kg/cm 2.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en pumpbar sementblanding bestående av en hydraulisk sement, kvartspulver, et lettvektig, uorganisk materiale med en densitet som er mindre enn halvparten av den for kvarts, etter valg tilsatt additiver slik som dispergeringsmidler, forsinkere, akseleratorer, væsketapsregulerende midler, og av vann, og denne fremgangsmåten er kjennetegnet ved at kvartspulveret består av krystallinsk kvarts med en partikkelstørrelse under 2 mm og er inneholdt i sementblandingen i en mengde i området 15-100 vekt-%, beregnet på sementens tørrvekt og ved at det uorganiske materiale består av stive, hule kuler av flygeaske, som ikke absorberer vesentlige mengder vann, og som nedsetter sementblandingens densitet til en verdi i området 1,02-1,56 g/cm 3 under bore-hullssementeringsbetingelser, og at minst 65 vekt-% derav har en partikkelstørrelse mindre enn 0,15 mm.

Videre tilveiebringer oppfinnelsen anvendelse av den oven-for angitte sementblanding til fremstilling av termisk stabil betong av en hydraulisk sement, kvartspulver, et lettvektig, uorganisk materiale med en densitet som er mindre enn halvparten av den for kvarts, eventuelle additiver slik som dispergeringsmidler, forsinker, akselerator og væsketapsregulerende middel, og av vann, hvor det uorganiske materiale omfatter stive, hule kuler av flygeaske, og hvor den avbundede betong ved 260°C og et trykk på 39 3,7 kg/cm^ etter 24 timer viser en trykkstyrke over 56,2 kg/cm 2, og en permeabilitet på mindre enn 1 millidarcy.

Foreliggende sementblanding er stabil og sterk ved høye temperaturer (generelt over 149°C og opptil 371°C) og vil ikke i vesentlig grad miste styrke ved aldring, har relativt lav densitet, relativt lav permeabilitet og kan lett pumpes etter blanding. Sementens densitet under sementeringsbetingelsene varierer fra 1,0 2 g/cm 3 (for brønner som er grunnere enn ca. 600 m) til ca. 1,56 g/cm 3 (for vesentlig dypere brønner).

To viktige komponenter i sementblandingen ifølge oppfinnelsen er uorganisk, partikkelformig, krystallinsk, silisiumholdig materiale, dvs. kvartsmateriale, og et lettvektig, uorganisk materiale. Den uorganiske, partikkel-formige, silisiumholdige komponenten bidrar til å gi sementen varmestabilitet og permanent styrke. Mengden av partikkelformet, krystallinsk, silisiumholdig komponent vil variere innen vide grenser, og vil selvsagt være avhengig av den spesifikke komponent som brukes, foruten den temperatur overfor hvilken sementen eksponeres under bruk og plassering, og bl.a. den densitet som er ønskelig på sementen. Som nevnt vil det benyttes 15-100 vekt-% basert på vekten av den tørre sement. For de fleste sementerings-formål vil 30-60 vekt-% av den tørre sementen utgjøre en passende mengde av en partikkelformet, uorganisk silisiumholdig komponent.

Den foretrukne silisiumholdige komponent er finkrystallinsk, partikkelformet silisiumdioksyd. Som nevnt anvendes silisiumdioksydmel med en partikkelstørrelse på mindre enn 2,0 mm Den mest foretrukne partikkelstørrelsen på silisiumdioksydet er en hvor i alt vesentlig alle partikler vil gå gjennom en 0,25 mm sikt.

Det lette, uorganiske materiale vil redusere den endelige densitet eller vekten på sementen, uten at man derved svekker den tidlige styrken eller reduserer den endelige styrken ved at man får en svekkelse av denne ved høye temperaturer. For at dette additiv skal funksjonere skikkelig må det være relativt temperaturstabilt, slik at det ikke mykner eller dekomponerer ved temperaturer over ca. 149°C, og det må ikke absorbere betydelige vannmengder, slik at det reduserer den tidlige og endelige styrke på sementen, og materialet må selvsagt ha relativt lav densitet. Med hensyn til sistnevnte egenskap må det lette, uorganiske materiale ha en densitet som er mindre enn 50% av det man har for det krystallinske silisiumdioksyd med en partikkelstørrelse på mindre enn 2mm, og det er ønskelig at dets densitet er mindre enn 1,05 g/cm 2

ved et trykk på 35,2 kg/m .

Størrelsen på de stive, hule kulene av flygeaske bør fortrinnsvis være slik at minst 65 vekt-% vil passere gjennom en sikt på 0,15 ntn. Mengden av silisium kan variere meget sterkt, og dette gjelder også andre typiske komponenter, såsom bor og aluminium som finnes i varierende mengder i forskjellige typer uorganiske, silisiumholdige faste stoffer. Det er foretrukket at det uorganiske lette materialet i sementblandingen ikke i vesentlig grad endrer densitet med økende trykk. Årsaken er selvsagt at det partikkelformede additiv effektivt må redusere densiteten til oppslemmingen etter at denne er plassert, f.eks. nede i dype brønner, hvor oppslemmingen utsettes for et høyt trykk. Fortrinnsvis bør partiklene av flygeasken ikke øke sin densitet med mer enn 75% når trykket økes fra 0 til 562,4 kg/cm 2. Den minimale gassporøsiteten til partiklene er fortrinnsvis minst 50% og synker ikke til mindre enn 12,5% under sementeringsbetingelsene.

Mengden av hullegemer av flygeaske kan variere fra 4,5 til

45 kg/sekk sement og fortrinnsvis fra 13,5 til 27 kg/sekk, hvor en sekk sement er 42,5 kg.

Med hensyn til mengden av flere andre komponenter i sementblandinger av en type som her er beskrevet, foruten annen terminologi som her brukes for å beskrive oppfinnelsen, så henvises det til API-bulletin 10-C fra American Petroleum Institute. Denne publikasjon har angitt en nomenklatur

som brukes for sementeringsteknikk i oljebrønner. Videre inngår API-spesifikasjon 10-A som en referanse. Denne publikasjon fra American Petroleum Institute definerer visse spesifikasjoner som karakteriserer oljebrønnsementer og sementadditiver.

I tillegg til den partikkelformede, krystallinske, silisiumholdige komponent og det lette, uorganiske materialet, så

vil sementoppslemmingen ofte inneholde hydratisert kalk.

Kalk synes å øke både den tidlige og endelige styrke på sementen, foruten den totale varmestabiliteten. En til-setning av kalk er spesielt ønskelig når sementen skal brukes under høytemperaturforhold. Kalk kan egnet brukes i mengder på opptil 15 vekt-% basert på tørrsementen, og det er foretrukket å bruke kalk i mengder på 1-10 vekt-%.

Ettersom store vannmengder i sementoppslemmingen senker styrken på sementen ved herdning, så er det også ønskelig å tilsette et friksjonsreduserende dispergeringsmiddel i sementblandingen ifølge oppfinnelsen. Slike forbindelser er velkjente i forbindelse med oljebrønnsementteknologi, og man kjenner til deres forskjellige egenskaper. I de blandinger som er av interesse her, vil slike forbindelser redusere oppslemmingens blandingsviskositet, redusere det totale vannbehov for å oppnå en forønsket pumpbarhet. Eksempler på slike forbindelser som er friksjonsreduserende, dispergerende forbindelser, er beskrevet i US patentene 3.358.225 og 3.359.225. Mengden av dispergeringsmiddel i oppslemmingen kan variere fra 0,1 til 2,0 vekt-% basert på tørr sement, og det er foretrukket og egnet å bruke en mengde fra 0,2 til 0,5 vekt-%.

Foreliggende oppfinnelse kan anvendes på hydrauliske sementer såsom portlandsement, høyaluminiumoksydsement, pozzolan og gipssementer, sementer med høyt innhold av silisiumdioksyd samt sementer som inneholder mye kalsiumaluminat. Det er foretrukket å bruke portlandsement, f.eks. en eller flere av de typer som er klassifisert i API-klassene A-H og J.

Disse sementer er identifisert og definert i API-spesifikasjon 10-A som her er angitt som en referanse.

Mengden av vann i sementen vil variere fra ca. 15,1 til 58,7 liter/sekk, og det er generelt fordelaktig å holde vann-mengden mellom 22,7 og 49,2 liter/sekk, idet en sekk sement er 4 2,5 kg.

En rekke andre typer additiver og modifiserende forbindelser kan tilsettes sementblandinger ifølge oppfinnelsen, og de vil vanligvis ikke være utelukket fra å bli anvendt, hvis de ikke er uforenlig kjemisk eller funksjonelt med de andre komponenter som er beskrevet i forbindelse med sementblandinger ifølge foreliggende oppfinnelse. Med hensyn til sistnevnte kan man som et eksempel på en funksjonell uforenlighet nevne komponenter som har en tendens til å øke vekten eller densiteten til sementen, ettersom dette vil motvirke det oppfinnelsen søker å oppnå. Additiver av forskjellige typer kan brukes for å tilpasse sementer til de spesielle krav som stilles fra det sted eller de omgivelser hvor sementen skal brukes. Eksempler på slike forbindelser er f.eks. materialer som forsinker herdningen, dispergeringsmidler, friksjonsreduserende forbindelser, forbindelser som motvirker sammenpresning p.g.a. trykk, additiver som regulerer tap av væske og ellers letter sirkulasjon og pumping. En eller flere av disse materialer eller stoffer kan tilsettes oppslemminger ifølge foreliggende oppfinnelse, for å gi disse visse egenskaper i tillegg til dem som er nevnt tidligere, da spesielt egenskaper som er ønskelige under høytemperaturforhold.

De følgende eksempler illustrerer foreliggende oppfinnelse,

og gir egenskaper for forskjellige kritiske additiver som brukes i de aktuelle blandingene. I eksemplene er vekt-% alltid basert på vekten av tørr sement hvis intet annet er angitt. Videre er det underforstått at enheten for begrepet "sekk" refererer seg til en standard sekk som veier 42,5 kg, slik dette er definert i API-bulletin 10-C som tidligere er angitt som en referanse.

Eksempel 1

En rekke sementsuspensjoner ble fremstilt med en densitet på 1,44 g/cm . Disse ble prøvet for trykkstyrke med en temperatur på 26 2,7°C og et trykk på 39 3,7 kg/cm , noe som er relativt typisk for en geotermisk brønn. Sammensetningene for de testede oppslemmingene er angitt i tabell I. Trykk-

styrken ble bestemt etter 3 døgn, 1 måned og 3 måneders elding, idet man brukte standard API-prøvemetoder slik disse

er angitt i API RP 10-B. Man bestemte også sementens luftpermeabilitet, idet man brukte standard API-prøve-metoder. Resultatene av disse prøver sammen med utbyttet for flere oppslemminger er angitt i tabell II.

Eksempel 2

Det ble fremstilt en sementoppslemming inneholdende en API-type sement fra klasse G, 40 vekt-% silisiumdioksydmel, 5 vekt-% hydratisert kalk, 0,75% av et kommersielt tilgjengelig friksjonsreduserende dispergeringsmiddel,

47,3 liter vann/sekk og 40,1 kg glassmikrokuler/sekk. Trykkstyrken til denne oppslemming etter 24 timer, når denne ble bestemt ved 26 0°C og et trykk på 281,2 kg/cm^, var 76,3 kg/cm 2. Densitet og utbytte for oppslemmingen ble målt ved flere forskjellige trykk, og resultatene er angitt i tabell III.

Eksempel 3

For å bedømme hvorledes densiteten til keramiske perler eller hule kuler varierer med økende trykk ble det utført prøver hvor mengden av perler eller kuler ble underkastet økende trykk, og partikkeldensiteten ble så målt. Resultatene av prøven er angitt i tabell IV.

Eksempel 4

Det ble fremstilt ni sementoppslemminger med flere typer sement og inneholdende varierende mengder vann, keramiske mikrokuler og dispergeringsmidler. Hver oppslemming inneholdt 40 vekt-% silisiumdioksydpulver og 5 vekt-% hydratisert kalk. En mindre mengde hydroksyetylcellulose (HEC)

ble tilsatt de fleste oppslemmingene for å gjøre oppslemmingene mer viskøse og derved lette oppslemmingene av de lette mikrokulene. Hver av oppslemmingene ble underkastet en serie densitetsmålinger ved varierende trykk økende fra 0 til 56 2,4 kg/cm 2. Resultater er angitt i tabell V sammen med sammensetningene for de oppslemminger som ble prøvet.

De densitetsmålinger som er angitt i tabell V for de ni oppslemminger, viser at blandinger ifølge foreliggende oppfinnelse kan fremstilles med en varierende densitet 3 3 fra 1,0 25 g/cm ved atmosfærisk trykk og opptil 1,5 g/cm ved et trykk på 56 2,4 kg/cm 2.

Eksempel 5

For å sammenligne varmeledningsevnen i en sementblanding inneholdende hule glasskuler i forhold til en som inneholdt perlitt, ble det fremstilt to oppslemminger. Hver av disse oppslemminger i tillegg til den mengden av andre additiver som er angitt i tabell VI, inneholdt 0,5% av et kommersielt tilgjengelig friksjonsreduserende additiv. Varmelednings-48,9°C i 7 døgn, og dessuten etter herding i 1 døgn ved 232,2+°C. Resultatene i tabell VI viser at en oppslemming inneholdende glasskuler har en relativt lav varmeledningsevne, noe som gjør at de er spesielt godt egnet for bruk i termiske brønner.

Eksempel 6

Det er meget viktig ved sementering av geotermiske brønner at de sementblandinger som brukes, inneholder minimalt med fritt vann. For å bedømme innholdet av fritt vann i en rekke sementoppløsninger ifølge foreliggende oppfinnelse samt å observere fortykningstiden og trykkstyrken på slike oppslemminger ble det fremstilt 12 sementoppslemminger idet man brukte en API klasse G sement blandet med forskjellige mengder av to typer silisiumdioksydpartikler, forskjellige mengder glassmikrokuler og varierende mengder av dispergeringsmiddel og forsinkningsmiddel . Sammensetningen for flere av disse oppslemminger er angitt i tabell VII.

Hver oppslemming ble prøvet for innhold av fritt vann og fortykningstid, etter at hver oppslemming var underkastet et trykk av den type man har i et bunnhull i en periode på et kvarter. Videre målte man også trykkstyrken på flere av suspensjonene etter 24 timer. Disse prøver ble utført som angitt i API-spesifikasjon 10-A. Resultatene er angitt i tabell VIII.

Eksempel 7

I en feltprøve sementerte man en dampinjeksjonsbrønn i

Utah med en sementblanding ifølge foreliggende oppfinnelse. Brønnbetingelsene innbefattet 224,7 m med en ffiring hvis diameter var 17,5 cm, plassert i et hull som var 295,8 m langt og en diameter på 33,1 cm. Formasjonstemperaturen lå mellom 7,2 og 18,3°C. 40 sekker "Ciment Fondu" ifølge foreliggende oppfinnelse ble brukt som en "lead-in"-oppslemming og 15 sekker av en "tailing-in"-oppslemming omfattende 40,5 kg "Ciment Fondu" og 26,1 kg silisiumdioksyd ble benyttet. "Lead-in"-oppslemmingen består av "Ciment Fondu", 55 vekt-% hule glassperler, 65% vekt-% silisiumdioksydmel og 0,5% dispergeringsmiddel og 110 vekt-% vann. Blandingen hadde ved et 2 3

trykk på 70 kg/cm en tetthet på 1,392 g/cm og et utbytte på 97,4 liter/sekk. Sementeringen var vellykket.

Claims (6)

1. Pumpbar sementblanding bestående av en hydraulisk sement, kvartspulver, et lettvektig, uorganisk materiale med en densitet som er mindre enn halvparten av den for kvarts, etter valg tilsatt additiver slik som dispergeringsmidler, forsinkere, akseleratorer, væsketapsregulerende midler, og av vann, karakterisert ved at kvartspulveret består av krystallinsk kvarts med en partikkelstørrelse under 2 mm og er inneholdt i sementblandingeh i en mengde i området 15-100 vekt-%, beregnet på sementens tørrvekt, og ved at det uorganiske materiale består av stive, hule kuler av flygeaske, som ikke absorberer vesentlige mengder vann, og som nedsetter sementblandingens densitet til en verdi i området 1,02-1,56 g/cm<3> under borehullsementerings-betingelser, og at minst 65 vekt-% derav har en partikkel-størrelse mindre enn 0,15 mm.

2. Sementblanding ifølge krav 1, karakterisert ved at kvartsen har en partikkelstørrelse under 0,25 mm.

3. Sementblanding ifølge krav 1, karakterisert ved at det uorganiske materiale har en densitet på mindre enn 1,0 g/cm<3> ved 15,6°C og atmosfæretrykk.

4. Sementblanding ifølge krav 1-3, karakterisert ved at den inneholder 20,4-4 0,8 kg hullegemer pr. 42,4 kg sement.

5. Sementblanding ifølge krav 1-4, karakterisert ved at sementblandingen inneholder 1-15 vekt-% lesket kalk beregnet på sementens tørrvekt.

6. Anvendelse av sementblandingen ifølge krav 1 til fremstilling av termisk stabil betong av en hydraulisk sement, kvartspulver, et lettvektig, uorganisk materiale med en densitet som er mindre enn halvparten av den for kvarts, eventuelle additiver slik som dispergeringsmiddel, forsinker, akselerator og væsketapsregulerende middel, og vann, hvor det uorganiske materiale omfatter stive, hule kuler av flygeaske, og hvor den avbundede betong ved 260°C og et trykk på 393,7 kg/cm 2 etter 24 timer viser en trykkstyrke over 56,2 kg/cm 2 og en permeabilitet på mindre enn 1 millidarcy.