NO165673B

NO165673B - Hydraulisk sementoppslemming.

Info

Publication number: NO165673B
Application number: NO874761A
Authority: NO
Inventors: Eldar O Dingsoeyr
Original assignee: Elkem As
Priority date: 1987-11-16
Filing date: 1987-11-16
Publication date: 1990-12-10
Also published as: IT1229808B; IT8822583A0; NO165673C; GB8826684D0; GB2212489B; YU46268B; SG103392G; YU211088A; GB2212489A; NO874761L; NO874761D0; HK7893A; US4935060A; MX170558B

Abstract

Hydraulisk sementoppslemming for oljebrannsementerinc,. inneholdende hydraulisk sement, 5 - 85 % microsilica basert på vekten av sement, 5 - 250 % av et fillermateriale mec høy densitet basert på vekten av sement, 0 - 5 % av et retarderende middel (terr vekt) basert på vekten av sement,. 0 - 12 % av en tynner (terr vekt) basert på vekten av sement, 0 - 8av et filertapsreduserende middel (tørr vekt) basert på vekten av sement, 0 - 30 % silica mel og/ eller silica sand basert på vekten av sement og vann i en slik mengde at sementoppslemmingen har en densitet mellom 1,95 og 2,40 g/cm^. Sementoppslemmingen er gasstett, har en lav styrkeretrogradering og en lav setlingstendens.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en hydraulisk sementoppslemming for anvendelse ved oljebrønnsementering. Spesielt gjelder oppfinnelsen en sementoppslemming som er gasstett, har en høy densitet, liten segregering og en meget lav styrkeretrogradering ved høye temperaturer.

Ved sementering av oljebrønner blir sementslurry pumpet ned gjennom foringsrør i brønnen og opp på utsiden, slik at den fyller opp tomrommet mellom dette og brønnveggen. De to viktigste hensikter med sementeringen er å hindre væske- og gasstransport mellom formasjonene og å binde og støtte opp foringsrøret. I tillegg til å isolere olje-, gass- og vannproduserende formasjoner, beskytter også sementen foringsrøret mot korrosjon, hindrer utblåsninger ved at den hurtig danner en tetning, beskytter foringsrøret mot sjokk-belastninger samt stenger av soner med tapt sirkulasjon.

For at sementering skal bli vellykket må det stilles en rekke krav til sementoppslemmingene som anvendes. Opp-slemmingenes reologiske egenskaper må velges slik at oppslemmingene lett kan pumpes på plass i brønnen. Videre må oppslemmingene effektivt kunne fortrenge boreslam i rommet mellom foringsrør og brønnvegg. Sementoppslemmingene må ha lavt filtertap slik at ikke for mye væske tapes til den omliggende formasjon, da tap av væske vil føre til en økning av oppslemmingens viskositet. Endelig må sementoppslemmingene ha minst mulig tendens til utskillelse av fritt vann.

Sementoppslemmingenes tykningstid må være avpasset i forhold til den tid det tar å få slurryene på plass i brønnen for å sikre at sementoppslemmingen ikke setter seg før den er pumpet på plass. Tykningstiden som velges vil bi.a. avhenge av dybden for sementeringen og temperaturen i brønnen.

Densiteten av sementoppslemmingen er av stor betydning for sementeringen og for de resultater som oppnås. Ved boring av brønner gjennom høytrykksformasjoner benyttes sementoppslemminger med høy egenvekt for å kunne motstå ukontrollert utblåsning under sementeringsarbeidet. Ved boring av brønner gjennom svake formasjoner der det ikke er ønskelig å utsette formasjonene for et for stort hydrostatisk trykk, må det benyttes sementoppslemminger med lav densitet, idet for høy densitet av oppslemmingen og derved høyt hydrostatisk trykk, kan føre til sammenbrudd av formasjonen og tap av sementoppslemmingen inn i formasjonen (lost circulation).

En annen viktig egenskap for sementoppslemmingen er tidligfastheten. Tidligfastheten er bl.a. avgjørende for hvor fort boringen kan gjenopptas etter sementering.

Tilfredsstillende sementoppslemminger har en fasthet etter 24 timers herding på minst 1,5 MPa. Tidligfasthetens utvikling vil være svært avhengig av temperaturen i brønnen.

For sementoppslemminger som benyttes i brønner med høy temperatur er det videre viktig at sementen ikke mister for mye av sin fasthet over tid (retrogradering).

Det er kjent at ved temperaturer over ca. 110°C vil normal Portland sementoppslemminger over tid miste sin styrke på grunn av at den normale bindfase, kalsiumhydroksid, blir transformert til alfa-dikalsiumsilikat. Dette fenomenet er vel kjent og blir betegnet som styrkeretrogradering.

Det er kjent at styrkeretrogradering kan motvirkes ved tilsetning av silisiumdioksidmateriale til sementoppslemmingen. De mest vanlig brukte silisiumdioksid-materialer for dette formål er silica mel og silica sand. Ved høye temperaturer reagerer disse silisiumdioksid-materialene med kalsiumhydroksid og danner nye bindfaser, vesentlig tobermoritt. Tobermoritt er en bindfase som er sterkere enn de normale bindfaser som dannes ved herdingen av sementoppslemmingene. Tilsetning av silica mel har imidlertid den ulempe at vannbehovet øker og at det dermed blir vanskelig å fremstille en sementoppslemming som har akseptabel lav viskositet. Ved tilsetning av silica sand øker setlingen av silica sand og av de tilsatte tunggjøringsmidler ved økende temperaturer.

I noen oljebrønner inneholder formasjonene nær hulrommet som skal sementeres, gass under et betydelig trykk. Denne gassen kan gi alvorlige problemer under sementeringen av oljebrønnene ved at gass kan trenge gjennom sementoppslemmingen, hvorved det oppstår gassmigrasjon eller gasskanalisering.

Gasskanalisering kan oppstå under størkning av sementoppslemmingen. Etter en tid vil oppslemmingen gå fra en hydrostatisk væske og over til et fast stoff. Dersom oppslemmingen i denne kritiske fasen ikke klarer å motstå det underliggende gasstrykk vil det dannes kanaler i den delvis herdede oppslemming. Gass under trykk strømmer da gjennom sementsøylen under stivningen, og/eller mellom sementoppslemmingen og de kryssede bergarter, og i sementoppslemmingen kan det derved dannes flere kanaler som kan nå overflaten.

For å kontrollere eller hindre gassmigrasjon gjennom sementoppslemminger er det foreslått å tilsette filtertapsreduserende midler eller lateks f.eks. av styren/butadien-kopolymer til sementoppslemmingene. For sementoppslemminger med normal og lav densitet er det videre kjent at tilsetning av mikrosilica som er et produkt som. utvinnes fra avgasser fra ovner for produksjon er silisium eller ferrosilisium, på en meget effektiv måte forbedrer gasstettheten av sementoppslemminger.

Sementoppslemminger med høydensitet fremstilles ved å tilsette et inert høydensitets fillermateriale (tunggjørings-middel) slik som f.eks. baritt til en normaldensitets sementslurry basert på Portland sement, vann og til-setninger for å kontrollere sementoppslemmingens reologiske egenskaper. Densitetsintervallet for såkalte høydensitets oljebrønnsementoppslemminger er fra ca. 2,0 til ca. 2,3 g/cm .

Som angitt ovenfor er det kjent høydensitets sementoppslemminger for oljebrønnsementering som enten er gasstette eller har en lav tendens til styrkeretrogradering ved høye temperaturer. Det er imidlertid ikke kjent høydensitets sementoppslemminger som både er gasstette og som har en lav styrkeretrogradering. En annen ulempe med de kjente høy-densitets sementoppslemminger for sementering av olje-brønner er at tunggjøringsmiddelet viser tendens til å setle ved økende temperatur. Setling av tunggjørings-middelet vil resultere i en variabel densitet i kolonnen av sementoppslemming med en høyere densitet ved bunnen av kolonnen og en lavere densitet ved toppen av kolonnen. Denne forskjell i densitet kan føre til problemer med å kontrollere trykket i brønnen og kan i verste tilfelle forårsake en ukontrollert utblåsning.

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelse å fremskaffe en hydraulisk sementoppslemming med høy densitet for sementering av oljebrønner, hvilken hydrauliske sementoppslemming er gasstett, oppviser en lav styrkeretrogradering ved høye temperaturer og som i det alt vesentlige ikke oppviser noen tendens til setling eller segregering.

Foreliggende oppfinnelse vedrører således en gasstett, hydraulisk sementoppslemming med høy densitet for bruk ved sementering av oljebrønner og oppfinnelsen er kjennetegnet ved at den inneholder en hydraulisk sement, 5 - 85 % microsilica basert på vekten av sement, 5 - 250 % av et fillermateriale med høy densitet basert på vekten av sement, 0 - 5 % av et retarderende middel basert på vekten av sement,

0 - 12 % av en tynner (tørrvekt) basert på vekten av sement, 0 - 8 % av et filtertapsreduserende middel (tørr vekt) basert på vekten av sement, 0 - 45 % silica mel og/eller silica sand basert på vekten av sement og vann i en slik mengde at sementoppslemmingen har en densitet

mellom 1,95 og 2,40 g/cm<3> samt at vektforholdet mellom vann og sement + microsilica er over 0,50.

Som hydraulisk sement kan det benyttes ordinær Portland sement, men fortrinnsvis benyttes det sementer spesifisert for oljebrønnsementering i henhold til API-spesifikasjoner.

Som microsilica anvendes det fortrinnsvis silicastøv opp-samlet fra elektrotermiske smelteovner som produserer minst 75 % ferrosilisium, men støv fra ovner som produserer 50 % ferrosilisium kan også benyttes som utgangsmateriale for den foreliggende oppfinnelse.

Det er også mulig å oppnå silicastøv som hovedprodukt fra ovennevnte smelteovner ved å justere reduksjonsbetingel-sene. Amorft silica av den type kan også fremstilles syntetisk uten reduksjon og reoksydasjon. Alternativt kan en silicastøvgenerator benyttes for å produsere findelt silica eller silica kan produseres ved utfelling.

Amorft silicastøv som benyttes ved den foreliggende oppfinnelse består hovedsaklig av submicron kuleformede partikler.

Silicastøvpartiklene kan eksempelvis inneholde 60 - 100 vekt % SiO_ og ha en tetthet på 2,00 - 2,4 0 g/cm<3> og et spesifikt o^ verflateareal på 15 - 30 m 2. Partiklene er hovedsaklig kuleformede og har en partikkelstørrelse mindre enn l^um. Variasjoner i disse verdier er selvsagt mulig. Eksempelvis kari silicastøvet ha et lavere SiG^-innhold og partikkelstørrelsesfordelingen kan justeres f.eks. ved at de grove partikler fjernes.

For å oppnå en mest mulig gasstett sementoppslemming inneholder sementoppslemmingen ifølge foreliggende oppfinnelse fortrinnsvis 10 - 60 % microsilica basert på vekten av sement i oppslemmingen.

Oppslemminger inneholdende 20 - 50 % microsilica basert på sementvekten er særlig foretrukket.

Den hydrauliske sementoppslemming ifølge foreliggende oppfinnelse inneholder fortrinnsvis 25 - 110 vekt % fillermateriale med høy densitet. Som fillermateriale med høy densitet kan det anvendes et hvilket som helst fillermateriale for høydensitets sementoppslemminger for olje-brønnsementering, slike fillermaterialer med høy densitet omfatter baritt, hematitt, ilmenitt og andre.

Den hydrauliske sementoppslemming i henhold til foreliggende oppfinnelse inneholder fortrinnsvis et retarderende middel i en mengde av 0,1 - 3 % (tørr vekt) basert på vekten av sement. Den kjemiske sammensetning av retarderende midler er kjent. Retarderende midler kan være basert på lignosulfonater, modifiserte lignosulfonater,. polyhydroksykarboksylsyrer, karbohydrater,.cellulosederivater eller borater.

Noen av de retarderende midlene vil også fungere som tynnere i den hydrauliske sementoppslemming og når slike retarderende midler anvendes kan mengden av tynner reduseres.

Sementoppslemmingen i henhold til foreliggende oppfinnelse inneholder fortrinnsvis en tynner eller dispergeringsmiddel i en mengde av 0,1 til 6 % (tørr vekt) basert på vekten av sement. Som tynnere kan det anvendes slike midler som er kjent å benytte som plastifiserende- eller superplastifi-serende midler i sementbaserte systemer. Eksempelvis kan midler basert på lignosulfonater, sulfonert naftalen-formaldehyd eller sulfonert melaminformaldehydprodukter anvendes som tynner.

Sementoppslemmingen i henhold til foreliggende oppfinnelse inneholder fortrinnsvis 0,1 - 4 % (tørr vekt) av et filtertapsreduserende middel basert på vekten av sement. Som filtertapsreduserende midler benyttes det kjente midler som f.eks. midler basert på stivelse eller stivelsesderivater, cellulosederivater som karboksymetylcellulose, metylcellu-losé eller etylcellulose, eller syntetiske polymere som f.eks. polyacrylonitril eller polyacrylamid.

Sementoppslemminger for bruk i brønner med høy temperatur inneholder fortrinnsvis 10 - 35 % silica mel og/eller silica sand basert på vekten av sement.

Som vann kan det ifølge foreliggende oppfinnelse benyttes ferskvann eller sjøvann.

Hvis nødvendig kan akselererende midler tilsettes sementoppslemmingen for å regulere settetiden.

Det har overraskende vist seg at den høydensitet hydrauliske sementoppslemmingen i henhold til foreliggende oppfinnelse er gasstett, viser en meget liten tendens til setling og har en lav styrkeretrogradering. Dette muligg-jør at innholdet av tunggjøringsmiddel og innholdet av silica mel eller silica sand kan økes utover de kjente grenser uten at plastisiteten av sementoppslemmingen påvirkes samtidig som setlingstendensen sterkt reduseres.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet ved hjelp av de etterfølgende eksempler.

EKSEMPEL 1

Fire sementoppslemminger A, B, C og D ble fremstilt. Sementoppslemming A, Bog C hadde en sammensetning i henhold til foreliggende oppfinnelse, mens sementoppslemming D hadde en sammensetning i henhold til kjent teknikk.

Sammensetningen av sementoppslemmingene A - D er vist i tabell I.

Teoretisk densitet for oppslemming A er 2,00 kg/dm 3 og

for oppslemming B - D 2,16 kg/dm<3>.

- G-sement er en Portland sement levert av Norcem A/S,

Norge:

EMSAC 465T er et høykvalitets microsilica produkt i tørr form som produseres og selges av Elkem Microsilica

Products a/s, Norge.

- D-31 er en tynner og R-12 er et retarderende middel som begge leveres av B.J. Hughes, USA. Sementoppslemmingene A til D ble blandet og testet i henhold til API-spesifikasjon 10. Resultatene er vist i TABELL II.

Det fremgår av tabell II at oppslemmingene A til C i henhold til foreliggende oppfinnelse er lette å pumpe inn i mellomrommet mellom foringsrøret og veggen i brønnen og at de har en god trykkstyrke sammenlignet med den kjente oppslemming D. Slurriene A til C oppfyller således de betingelser til reologi som vanligvis kreves for høy-densitets sementoppslemminger for oljebrønnsementering.

For å undersøke setlingen av sementoppslemmingene A til D, ble nyblandede oppslemminger oppvarmet' i et atmosfærisk konsistometer til 93°C hvoretter hver sementoppslemming ble tømt i en 250 ml målesylinder. Målesylinderne inneholdende sementoppslemmingene ble deretter anbragt i vann med en temperatur av 93°C og sementoppslemmingen ble herdet ved denne temperaturen i 24 timer. Deretter ble sylinderne tatt ut av vannet og prøvestykker med en høyde på 3 cm ble kappet fra toppen og bunnen av hver sylinder hvoretter densiteten av prøvestykkene ble bestemt. Resultatene er vist i tabell III.

Som det fremgår av tabell III forekom det praktisk talt ingen setling i sementoppslemmingene A til C. I motsetning til dette viste den kjente sementoppslemming D en høy grad av setling. Den meget lave setlingstendens for sementoppslemmingene i henhold til foreliggende oppfinnelse er meget overraskende på bakgrunn av at viskositeten av spesielt oppslemmingene A og B er mye lavere enn viskositeten for den kjente oppslemming D og på bakgrunn av at innholdet av tunggjøringsmiddel er mye høyere for sementoppslemmingene A til C enn for den kjente sementoppslemming D.

EKSEMPEL 2

Det ble fremstilt åtte sementoppslemminger E, F, G, H, I, J, K og L. Sementoppslemmingene E til J hadde en sammensetning i henhold til foreliggende oppfinnelse, mens oppslemmingene K og L hadde en sammensetning i henhold til. kjente teknikk.

Sammensetningen for sementoppslemmingene E - L er vist i tabell IV.

Den teoretiske densitet av oppslemmingene E til F er 2,16 g/cm<3> og den teoretiske densitet av oppslemmingene G - L er 2,04 g/cm<3>.

EMSAC 460 S er et høykvalitets microsilica produkt i slurry form som produseres og selges av Elkem Microsilica Products a/s, Norge.

Sementoppslemmingene E - L ble blandet og testet i henhold til API-spesifikasjon 10. Resultatene er vist i tabell V. For å undersøke tendensen til styrkeretrogradering ble trykkstyrken av prøvestykker av sementoppslemmingene E - L målt etter 7, 14, 21 og 28 døgn. Prøvestykkene ble lagret ved en temperatur av 140°C.

Resultatene er vist i tabell VI.

Det fremgår av tabell VI at sementslurriene E - J i henhold til den foreliggende oppfinnelse ikke oppviser noen tendens til styrkeretrogradering. Den kjente sementoppslemming L viser en meget sterk styrkeretrogradering og denne sementoppslemmingen kan ikke benyttes for sementering av olje-brønner med høy temperatur. Sementoppslemming K viser liten tendens på styrkeretrogradering på grunn av at oppslemmingen inneholder silica mel. Denne sementoppslemmingen har imidlertid en meget sterk tendens til setling til tross for den høye viskositet som vist i tabell V og oppslemming K vil dermed av denne grunn føre til problemer ved sementeringen.

EKSEMPEL 3

Sementoppslemmingene E og L fra eksempel 2 ble testet i en apparatur for måling av gassmigrasjon gjennom oppslemmingene. Målingene ble utført i en apparatur som er vist på figur 1. Apparaturen består av et 2,0 m langt ekstrudert akrylrør 1 med innvendig diameter 80 mm og med 5 mm veggtykkelse. I bunnen av røret .1.er det limt fast en bunnplate 2 av akryl. I bunnplaten 2 er det innført et lufttilførselsrør 3. Like over bunnplaten 2 er det anordnet et permeabelt sandfilter 4 bestående av ensgradert sand og epoxy. Lufttilførselen til bunnen av røret 1 fra en kompressor 5 kan reguleres ved hjelp av en trykk-regulator 6. Røret 1 er videre utstyrt med en poretrykk-måler 7 for å måle hydrostatisk trykk av sementoppslemmingene inneholdt i røret 1. I toppen av røret 1 er det limt fast en akrylplate 8 med gjennomføring 9 for måling av gass-strøm ved hjelp av en strømingsindikator 10. Til røret 1 er det også tilknyttet en termoføler 11 for måling av temperatur.

Sementoppslemmingene ble fylt i røret 1 og gasstrykket ble innstilt på 0,25 bar som tilsvarer 125 % av vanngradienten.

Hvis gass ikke trenger gjennom sementoppslemmingene ved dette gasstrykket ved settingen av sementoppslemmingene vil sementoppslemmingene være gasstette ved alle praktisk forekommende gasstrykk i oljebrønnformasjoner.

Når sementoppslemmingene E og L ble testet i apparaturen for måling av gassmigrasjon beskrevet ovenfor, viste det seg at sementoppslemming E i henhold til den foreliggende oppfinnelse motstod gasstrykket, mens en betydelig gasstrøm trengte gjennom kolonnen, med den kjente sementoppslemming

Claims

1. Hydraulisk sementoppslemming for oljebrønnsementering, karakterisert ved at den inneholder hydraulisk sement, 5 - 85 % microsilica basert på vekten av sement, 5 - 250 % av et fillermateriale med høy densitet basert på vekten av sement, 0 - 5 % av et retarderende middel (tørr vekt) basert på vekten av sement, 0 - 12 % av en tynner (tørr vekt) basert på vekten av sement, 0 - 8 % av et filtertapsreduserende middel (tørr vekt) basert på vekten av sement, 0 - 45 % silica mel og/eller silica sand basert på vekten av sement og vann i en slik mengde at sementoppslemmingen har en densitet mellom 1,95 og 2,4 0 g/cm 3 samt at vektforholdet mellom vann og sement + microsilica er over 0,50.

2. Hydraulisk sementoppslemming i henhold til krav 1, karakterisert ved at den inneholder 20 - 50 % microsilica basert på vekten av sement.

3. Hydraulisk sementoppslemming i henhold til krav 1 eller 2, karakterisert ved at den inneholder 25 - 110 % av et fillermateriale med høy densitet basert på vekten av sement.

4. Hydraulisk sementoppslemming i henhold til krav 1-3, karakterisert ved at den inneholder 0,1 - 3 % av et retarderende middel (tørr vekt) basert på vekten av sement.

5. Hydraulisk sementoppslemming i henhold til krav 1-4, karakterisert ved at den inneholder 0,1 - 6 % tynner (tørr vekt) basert på vekten av sement.

6. Hydraulisk sementoppslemming i henhold til krav 1-5, karakterisert ved at den inneholder 0,1 - 4 % av et filtertapsreduserende middel (tørr vekt) basert på vekten av sement.

7. Hydraulisk sementoppslemming i henhold til krav 1-6, karakterisert ved at den inneholder 10 - 35 % silica mel og/eller silica sand basert på vekten av sement.