NO319120B1 - Sementoppslemminger omfattende hydrofobe polymerer - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår særlig operasjoner gjennomført for å

utvikle underjordiske reservoarer som inneholder hydrokarboner. Mer spesielt beskriver oppfinnelsen en sementeringsmetode hvor sementformuleringen optimaliseres for å kunne regulere fluidfiltreringstapene i en geologisk formasjon under herding av sementoppslemmingen i en brønn. Videre optimaliseres formuleringen av sementoppslemmingen ved at additivet anvendt for å regulere filtreringen også tilveiebringer god regulering av oppslemmingens reologi, noe som således favoriserer utmerket herding i brønnen, generelt rundt et rør som skal sementeres.

Når en sementoppslemming anbringes i kontakt med en porøs geologisk formasjon, finner det generelt sted et fenomen med inntrengning av en vandig del av oppslemmingen i porene i formasjonen. Dette fenomenet angis generelt som filtrering. Den tapte mengden av oppslemmingsblandingen betegnes som filtre-ringstap eller filtrat. Det er ønskelig å begrense tapet, særlig vanntapet fra en oppslemming fordi dette tapet kan endre oppslemmingens fysikalsk-kjemiske egenskaper, for eksempel dens reologiske egenskaper. Pumpbarhetskarakteristikkene og/eller herdingskarakteristikkene for oppslemmingen kan i betydelig grad endre seg. For hurtig herding av sementen eller herdingsendring på grunn av en minsk-ning i vanninnholdet som er nødvendig for de forskjellige kjemiske reaksjonene som fører til herding av sementen er selvsagt skadelig for operasjonen som fører til at oppslemmingen herder i brønnen og for de mekaniske egenskapene for sementen etter herding. Denne filtreringen gjennom en porøs formasjon kan også

føre til risiko for brønnvegg-destabilisering eller til tilstopping av de produktive eller potensielt produktive geologiske sonene. Additiver som er spesifikke for sementoppslemminger og som virker som filtratreduserende midler, settes så til oppslemmingen i for å begrense filtrering, for eksempel ved å redusere filtreringshastighe-

ten for å kunne begrense vanntapet fra sementen i formasjonen.

Det er klart at disse filtratreduserende produktene for sementoppslemmin-

ger er spesifikke for formuleringen av oppslemmingen ettersom faststoffinnholdet er høyt og ettersom de fysikalk-kjemiske karakteristikkene for oppslemmingen ved definison utvikler seg i formasjonen under størkning.

Mange filtratreduserende produkter for sementoppslemminger er kjent i handelen. Findelte mineralpartikler eller vannløselige polymerer så som sulfonerte polyakrylamidderivater eller HEC (hydroksyetylcellulose) er for eksempel anvendt. Polymerene som finnes i handelen er imidlertid i høy grad følsomme for de høye temperaturene som kan forekomme under jorden og de kan således tape sine opprinnelige egenskaper.

Foreliggende oppfinnelse angår således en sementoppslemming som er ment å herde i et borehull gjennom minst én geologisk formasjon som har en viss permeabilitet. Oppslemmingen i henhold til oppfinnelsen omfatter sement, minst ett mineralsk fyllmateriale, vann og en bestemt mengde av minst én polymer med hydrofile (Hy) og hydrofobe (Hb) enheter i vandig løsning, hvor de hydrofobe en-hetene (Hb) inneholder Ci- til C3o-alkyl-, aryl-, alkyl-aryl-grupper, idet polymeren har den følgende strukturen: — (Hb) — (Hy) — med en statistisk fordeling, og Hy har den følgende formen

hvor R<5> er H eller CH3l Z<1> er COOH eller CONH2 eller CONHR<1>S03_ eller

CONHR"<1>, hvor R"<1> erCH3;

Hb har den følgende formen

hvor R'<5> er H eller CH3 og Z<2> er COOR<7>, C6H4S03H, COOR'1, CONR1R'1

eller CONR<1>R<7>, hvor R7 er et ikke-ionisk overflateaktivt middel som består av en alkyl-polyoksyetylenkjede, R<1> er H eller et d-CM-alkyl-, aryl- eller alkyl-aryl-radikal, og R'1 er et Ci-C3o-alkyl-, aryl- eller a Iky l-a ryl-rad i kal.

I henhold til en variant kan polymeren ha en molekylmasse mellom 10<4> og 10<7> dalton og en andel av hydrofobe enheter Hb mellom 0,5 og 60%.

Polymeren i henhold til oppfinnelsen kan velges fra gruppen som består av: HMPAM, hvor R<5> er H og Z<1> er CONH2, R'5 = CH3, Z<2> er COOR'1 med

R'1 <=> C9H19,

S1, S2, hvor R<5> er H og Z<1> er CONH2, R'<5> = H og Z<2> er C6H4S03H,

Hb1 hvor R<5> er H, Z<1> er COOH, R'<5> er H og Z<2> er COOR'<1> hvor R'1 er C4.

Mineralfyllstoffet kan bestå av silika hvor komstørrelsen er mellom 5 og 200 um og mikrosilika hvor komstørrelsen er mellom 0,1 og 20 um.

Polymer S1 eller S2 kan kombineres med polymer HMPAM.

I henhold til oppfinnelsen kan oppslemmingen omfatte, som sådan eller i blanding, minst én av polymerene fra gruppen beskrevet ovenfor.

Polymeren kan være en Hb 1-polymer i en konsentrasjon mellom 0,5 og 5 vekt%.

Oppfinnelsen angår også et additiv for sementoppslemming, kjennetegnet ved at det i hovedsak omfatter en polymer med hydrofile (Hy) og hydrofobe (Hb) enheter i vandig løsning, som beskrevet i det foregående.

Polymerene anvendt i foreliggende oppfinnelse har minst en høyere filtre-ringreguleringseffekt i forhold til de kjente akryliske syntetiske polymerene. I forhold til de andre polymerene som konvensjonelt anvendes, har polymerene i henhold til oppfinnelsen en god kapasitet for regulering av filtreringen av sementoppslemminger, selv ved høye temperaturer.

Søker har brakt frem i lyset at polymeren definert ovenfor har gode kvali-teter for regulering av filtrering av en sementoppslemming, som er et fluid hvis flytende fase er vandig. Oppslemmingen som sirkulerer i en brønn eller herder i brønnen ved sirkulering kan omfatte viskositetsøkende midler basert på reaktive leirer og/eller polymerer av spesifikk natur for særlig å oppfylle funksjonen som et viskositetsøkende middel. For visse anvendelser kan oppslemmingen omfatte andre mineralske fyllstoffer, for eksempel silika, silikarøk, baritt, etc, for å modifisere de reologiske og fysikalske karakteristikkene for oppslemmingen. De således valgte additivene kan anvendes innenfor et vidt område av E/C innhold som defi-nerer mengden av vann i forhold til det hydrauliske bindemidlet.

Polymeren i henhold til foreliggende oppfinnelse viser overraskende en bedre høytemperaturstyrke enn polymerene som vanligvis anvendes for dette for-målet. Dette gir et langt bredere anvendelsesområde for polymeren ifølge foreliggende oppfinnelse.

En oppslemming er et fluid som avsettes i en brønn for å herde i en pro-duksjonslønn. Når den er avsatt eller herdet er denne oppslemmingen i en lengre eller kortere tid i kontakt med den produktive eller potensielt produktive geologiske formasjonen.

-r

De fysikalske og/eller kjemiske karakteristikkene for disse oppslemmingene kontrolleres og justeres i henhold til naturen av den geologiske formasjonen og de forekommende utstrømninger til betingelsene ved bunnen av hullet og til de forskjellige roller som kan oppfylles av slike fluider, for eksempel tetting, trykk-kontroll, etc. Videre må disse fluidene så langt som mulig ikke modifisere produktiviteten for det produktive geologiske laget, dvs. ikke irreversibelt redusere permeabiliteten av den produktive formasjonen. I ethvert tilfelle er filtreringsregulering en svært viktig parameter. Reologiregulering er også svært viktig fordi trykket i formasjonen når oppslemmingen herder i den må forbli lavere enn fraktuereirngstrykket for formasjonen.

Derivatene anvendt i henhold til en variant av foreliggende oppfinnelse har en god filtrerings-reguleringskapasitet, i kombinasjon eller ikke med visse viskosi-tetsøkende polymerer, desto bedre ettersom temperatur øker. Dette er generelt ikke tilfelle med polymerderivatene som konvensjonelt anvendes som filtratreduseringsmidler i oppslemmingsformuleringer, og som brytes ned og taper virknin-gen med temperaturen.

De følgende eksemplene vil vise karakteristikkene for forskjellige derivater under forskjellige anvendelsesbetingelser og i henhold til konvensjonelle testpro-sedyrer. De forskjellige sementoppslemmingene og deres forskjellige formuleringer er beskrevet i "Well Cementing Developments in Petroleum Science", 28, red. E.B. Nelson, Elsevier 1990. Filtratereduksjonsmidlene som konvensjonelt anvendes i sementoppslemminger er HEC (hydroksyetylcellulose) eller sulfonerte akrylamidderivater. Sistnevnte markedsføres under merkenavnet Halad av Halliburton company (USA) og er beskrevet i patentene US-4,557,763 eller US-4,703,801. Oppslemmingskarakteriseringstestene ble gjennomført i henhold til gjeldende API (American Petroleum Institute) -standarder: API SPEC 10-88, section 5 - Slurry preparation, section 9 - Consistometer measurements, Appendix F - Filtration. Fil-tratene er angitt i milliliter (ml), herdetidene i timer.

De forskjellige eksemplene på polymerer i henhold til oppfinnelsen og som ble anvendt i de følgende testene er hydrofobt modifiserte akrylamidderivater (HMPAM), akrylamid/styrensulfonat-kopolymerer, forgrenet eller ikke, betegnet som S1 og S2, en akrylat/butylakrylat-kopolymer, betegnet Hb1.

Beskrivelse av produktene

HMPAM : Akrylamid(Hy)/nonylmetakrylat(Hb)-kopolymer, i henhold til beskrivelsen ovenfor, med R<5>= H, Z<1> er CONH2, R'<5>= CH3, Z<2> er COOR'<1 >med R'<1> = C9H19; den kan ha en molekylmasse på ca. 8106 dalton og en

hydropfob (Hb) andel mellom 0,5 og 1,5% ;

S1, S2 Akrylamid(Hy)/styrensulfonat(Hb)-kopolymerer, forgrenet eller ikke, i henhold til beskrivelsen ovenfor, hvor R<5> er H, Z<1> er CONH2lR<45> = H, Z<2> er C6H4SO3H, med et molforhold på ca. 50/50 og en molar masse mellom 500 000 og 5-10<6> dalton. S1 er ikke forgrenet, S2 er forgrenet. Det an-vendte forgreningsmidlet er NN-metylen-bis-akrylamid MBA ;

Hb1 : Akrylat(Hy)/butylakrylat(Hb)-kopolymer, hvor R<5> er H, Z<1> er COOH,

R'5 er H og Z<2> er COOR'<1> hvor R'<1> er C4, omfattende ca. 80% akrylatenhe-ter, og med molekylmasse mellom 10<4> og 5-10<4> dalton.

Andre trekk og fordeler med foreliggende oppfinnelse vil klargjøres ved lesing av beskrivelsen og eksemplene som følger, med referanse til de vedlagte tegningene hvor

figurer 1 til 4 viser reologi variasjonen (spenning (P) i forhold til skjærkraft (Sh)) i forhold til temperaturen av sementoppslemminger i henhold til oppfinnelsen.

Serie 1

Forskjellige oppslemmingsformuleringer ble testet, med eller uten tilsetning av retarderende additiver. Formuleringen er generelt basert på sement av type klasse G, til hvilken det tilsettes silika S8 er tilsettes, og blandes med 41,3% vann i henhold til API-prosedyren. Polymeren(e) anvendt som filtratreduseringsmidler hydratiseres på forhånd i 16 timer, settes så til oppslemmingen slik at det oppnås en gitt konsentrasjon x i %. Blandingen homogeniseres med en blander i 15 sek. ved lav hastighet, og så i 35 sek. ved høy hastighet Et retarderingsmiddel settes til oppslemmingen i en konsentrasjon mellom 0,2 og 1%, etter måling av herdings-tiden ved forskjellige temperaturer for å justere denne tiden til temperaturtestene. Oppvarming av oppslemming for filtrering gjennomføres ved hjelp av et Halliburton-consistometer i 20 min.

Formuleringene i henhold til oppfinnelsen ble sammenlignet med konvensjonelle formuleringer som inneholder filtratreduseringsmidler kjent i handelen, så som HEC (hydroksyetylcellulose), som for tiden kan betraktes som et av de beste produkter som er tilgjengelig, Halad 344, et polyakrylamidderivat markedsført av Halliburton company (USA).

Pumpbarhetstiden er definert som den tid som er nødvendig for herding av sementoppslemmingen i brønnen, med en minimumstid på 2 timer før den ikke lenger kan sirkuleres.

NB : Den egnede kombinasjonen av polymerer av type HMPAM og av S1 eller S2 gir utmerkede resultater når det gjelder filtratregulering og reologi for en høy temperatur, opptil 120°C. Oppslemmingen formulert på denne måten har et høyere viskositetsnivå (figur 2).

Det er blitt undersøkt at de reologiske egenskapene også kan justeres til brønnbetingelsene ved å optimalisere konsentrasjonen av det dispergerende additivet av type CFR-3.

Serie 2

For denne andre serien i henhold til eksempler på oppslemminger med lave vanninnhold ble de forskjellige mineralske fyllstoffene tørrblandet; additivene ble fremstilt i vandig løsning og blandingen av disse to ble homogenisert i en blander i noen minutter ved lav hastighet, og så i 35 sekunder ved høy hastighet.

Det som fremkommer fra disse testene er at, i henhold til anvendelsesbe-tingelsene, særlig med en temperatur som kan nå 120°C, det er mulig å optimalisere sementformuleringen ved særlig å velge en polymer i henhold til oppfinnelsen med en egnet molekylmasse og hydrofob kjedelengde.

Claims (7)

1. Sementoppslemming som er ment å herde i et borel geologisk formasjon som har en bestemt permeabilitet, omfattende sement, minst ett mineralsk fyltmateriale, vann og en bestemt mengde av minst én polymer med hydrofile (Hy) og hydrofobe {Hb) enheter i vandig løsning, hvor de hydrofobe en-hetene (Hb) inneholder Cr til Qjo-alkyl-, aryl-, alkyl-aryl-grupper, idet polymeren har strukturen — (Hb) — (Hy) — med en statistisk fordeling, med Hy med følgende form: hvor R<5> er H eller CH3, Z<1> er COOH eller CONH2 eller CONHtfSCV eller CONHR"<1>, hvor R"<1> erCH3; og hvor polymeren er karakterisert ved at Hb har følgende form: hvor R'<5> er H eller CH3 og Z<2> er COOR<7>, Ce^SOgH, COOR'<1>, CONR<1>R'1 eller CON R1 R7, hvor R<7> er et ikke-ionisk overflateaktivt middel som består av en alkyl-polyoksyetylenkjede, R<1> er H eller et Ci-C3o-alkyh aryl- eller alkyl-aryl-radikal, og R'<1> er et Ci-C30-alkyl-, aryl- eller alkyl-aryl-radikal.

2. Oppslemming i henhold til krav 1, karakterisert ved at polymeren har en molekylmasse mellom 10<4> og 10<7 >dalton og en andel av hydrofobe enheter Hb mellom 0,5 og 60%.

3. Oppslemming i henhold til hvilke som helst av de foregående kravene, karakterisert ved at den omfatter minst én av polymerene valgt fra gruppen som består av HMPAM, hvor R<5> er H og Z<1> er CONH2, R'<5>= CH3, Z<2> er COOR'1 med R'1 = CgHi<g>, S1, S2, hvor R<5> er H og Z<1> er CONH2l R'5 = H og Z<2> er C6H4S03H, Hb1 hvor R<5> er H, Z<1> er COOH, R'<5> er H og Z<2> er COOR'<1> hvor R'1 er C4.

4. Oppslemming i henhold til hvilke som helst av de foregående kravene, karakterisert ved at mineralfyllstoffet består av silika hvor komstørrelsen er mellom 5 og 200 pm og mikrosilika hvor komstørrelsen er mellom 0,1 og 20 pm.

5. Oppslemming i henhold til krav 3, karakterisert ved at polymeren S1 eller S2 er kombinert med polymer HMPAM.

6. Oppslemming i henhold til krav 3, karakterisert ved at polymeren er Hb1 i en konsentrasjon mellom 0,5 og 5 vekt%.

7. Additiv for sementoppslemming, omfattende i hovedsak en polymer med hydrofile (Hy) og hydrofobe (Hb) enheter i vandig løsning, hvor de hydrofobe en-hetene (Hb) inneholder Ci- til C3o-alkyl-, aryl-, alkyl-aryl-grupper, hvor Hy har følgende form: hvor R<5> er H eller CH3, Z<1> er COOH eller CONH2 eller CONHR<1>S03" eller CONHR"<1>, hvor R"<1> er CH3; hvor polymeren er karakterisert ved at Hb har følgende form: hvor R'5 er H eller CH3 og Z<2> er COOR<7>, C6H4SO3H, COOR'<1>, CONR<1>R'<1 >eller CONR1R7, hvor R<7> er et ikke-ionisk overflateaktivt middel som består av en alkyl-polyoksyetylenkjede, R<1> er H eller et CrC3o-alkyl-, aryl- eller alkyl-aryl-radikal, og R'<1> er et Ci-CM-alkyl-, aryl- eller alkyl-aryl-radikal.