NO324115B1

NO324115B1 - Storkningsbare tiksotropiske forbindelser og fremgangsmater for anbringelse av en plugg, dannelse av en plugg og sementering av et ror i et borehull ved anvendelse av disse forbindelsene

Info

Publication number: NO324115B1
Application number: NO19973095A
Authority: NO
Inventors: Stephen Nigel Davies; Demosthenis Georgeou Pafitis; Geoffrey Colin Maitland
Original assignee: Schlumberger Technology Bv
Priority date: 1995-01-04
Filing date: 1997-07-03
Publication date: 2007-08-27
Also published as: NO973095D0; GB2296713A; WO1996020899A1; GB2296713B; NO973095L; GB9526316D0; GB9500089D0; US6279655B1; CA2209516C; AU4185396A; CA2209516A1

Description

Denne oppfinnelse angår størkningsbare tiksotropiske forbindelser, og fremgangsmåter for anbringelse av en plugg i et område rundt en perforert foring i et borehull, dannelse av en plugg i et område i en brønn og sementering av rør i et borehull ved anvendelse av forbindelsen.

Tiksotropiske materialer har den egenskap at de er fluide under skjærkraft-påvirkning, men at de utvikler en gelstruktur og blir selvbærende i hvile. Prosessen er reversibel. Tiksotropiske sementer, som er tynne og fluide under blanding og anbringelse, men som reversibelt danner en stiv gelstruktur når pumpingen opp-hører, er egnet ved forskjellige oljebrønnanvendelser. Tiksotropiske sementsystemer anvendes for eksempel til igjenplugging av soner med tapt sirkulasjon både under bérings- og sementeringsoperasjoner, til reparering av ødelagte eller korroderte brønnrør, som injiseringsmørtel og for begrensing av ringroms-gassvandring i en del situasjoner. Slike systemer er også blitt anvendt i situasjoner hvor svake formasjoner eksponeres og ellers ville sprekke under det hydrostatiske trykk av en sementkolonne; med en tiksotropisk sement minker det hydrostatiske trykk av ko-lonnen etter hvert som sementen dannes til gel.

Det er kjent forskjellige tiksotropiske sementsystemer innenfor teknikkens stand, innbefattende følgende: 1. Leire-baserte systemer. Disse omfatter typisk portlandsement og bentonitt-leire. 2. Kalsiumsulfat-baserte systemer. Materialet som anvendes i størst utstrek-ning for dette formål, er kalsiumsulfat-hemihydrat. Se for eksempel US-patent 3 847 635. 3. Aluminiumsulfat/jern(ll)sulfat-systemer. Se for eksempel US-patent 4 415 367.

4. Tverrbundne cellulosepolymersystemer. Se for eksempel US-patent

3 959 003, 3 804 174 og 4 524 828. 5. Blandede metallhydroksidsystemer. Se for eksempel US-patent 4 822 421.

De kjente tiksotropiske sementsystemer har forskjellige begrensninger, og én av disse er at det tar betydelig tid for en gelstruktur å utvikles ved fjerning av skjærkraft: i beste fall er dette i størrelsesordenen flere minutter og kan være vesentlig lenger, idet det eventuelt nærmer seg tidsskalaen i løpet av hvilken sementen størkner. Dette kan representere problemer i visse situasjoner.

I henhold til ett aspekt ved den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt en størkningsbar tiksotropisk forbindelse, som innbefatter et tiksotropisk og et størkn i ngsbart materiale og som er i stand til reversibel geldannelse ved en kolloidal mekanisme og er i stand til å nå sin i det vesentlige maksimale gelstyrke med en geldannelsestid på under 60 sekunder, idet det tiksotropiske materialet omfatter en syntetisk smektittleire av kolloidtype, og det størkningsbare materiale omfatter et sementmateriale, der tiden det tar for forbindelsen å størkne, er vesentlig lengre enn geldannelsestiden.

Ved et ytterligere aspekt tilveiebringer oppfinnelsen en fremgangsmåte for anbringelse av en plugg i et område rundt en perforert foring i et borehull, spesielt et generelt horisontalt borehull, hvilken fremgangsmåte omfatter: anbringelse av et par tetninger inne i f6ringen hvor pluggen skal anbringes, idet tetningene er atskilt med mellomrom slik at de både avgrenser både et kammer inne i foringen som innbefatter en perforering og dessuten et område som skal igjenplugges utenfor foringen; og et for-bestemt volum av størkningsbart tiksotropisk materiale i henhold til oppfinnelsen pumpesav inn i kammeret og via perforeringen inn i området som skal igjenplugges, hvilket for-bestemt volum av materiale er tilstrekkelig til fortrenging av hovedsakelig alle andre fluider fra området som skal igjenplugges.

Et annet aspekt ved oppfinnelsen er en fremgangsmåte for dannelse av en plugg i et område i en brønn, ved hvilken fremgangsmåte et volum av størknings-bar tiksotropisk forbindelse ifølge oppfinnelsen pumpes inn i området, hensiktsmessig via egnet tetningsapparat så som et par områdeavgrensende tetninger, hvilket volum er tilstrekkelig til fortrenging av hovedsakelig alle andre fluider fra området som skal igjenplugges.

Ved et ytterligere aspekt tilveiebringer oppfinnelsen også en fremgangsmåte for sementering av et foringsrør eller et rør i et borehull, som omfatter at det i et ringrom mellom en ytre overflate av foringsrøret eller rørets og veggen i borehullet innføres en størkningsbar tiksotropisk forbindelse ifølge oppfinnelsen; og forbindelsen får størkne.

Forbindelsen ifølge oppfinnelsen geldannes med en geldannelsestid på under 60 sekunder, fortrinnsvis under 30 sekunder, mer foretrukket under 10 sekunder.

Det er ønskelig at en gelskjærkraft-flytegrense på minst 100 Pascal (Pa), typisk 150-300 Pa, og eventuelt opp til 500 Pa, blir utviklet under geldannelsestiden.

Forbindelsen når fortrinnsvis hovedsakelig sin maksimale gelstyrke (dvs. minst ca. 90% av den maksimale verdi) innenfor geldannelsestiden og oppretthol-der denne verdi (dvs. holder seg innenfor ca. 20% av denne verdi) i et utstrakt tidsrom (dvs. minst 2 timer) inntil størkningen har startet.

Det er ønskelig at forbindelsen har lav viskositet for at den lett skal kunne pumpes, og det er passende at det har en viskositet på under 30 Bearden-enheter ifølge måling i en standard-oljefeltkonsistensmåler.

Forbindelsen er fortrinnsvis blandbar i standard oljefeltsementblandings-utstyr.

Tiden det tar for materialet til å størkne (størkningstiden) er vesentlig lengre enn geldannelsestiden, typisk minst 2 timer og eventuelt opp til 8 timer eller mer. Hvis således materialstrømningen stopper, selv i et lengre tidsrom, vil det likevel være mulig å gjenoppta pumpingen. Gelen er fortrinnsvis reversibel inntil størkning har funnet sted.

Geldannelsestiden og størkningstiden for forbindelsen er fortrinnsvis separat regulerbare slik at det er mulig å fremstille en forbindelse med ønskede kombi-nasjoner av geldannelses- og størkningstider, f.eks. et hurtig-geldannende/langsomt-størknende materiale, et hurtig-geldannende/hurtigstørknende materiale osv. Størkningstiden reguleres typisk ved anvendelse av retardatorer på en måte som er velkjent for fagfolk på området.

Forbindelsens egenskaper i størknet form, innbefattende styrke, porøsitet, grenseflatebinding til stein og stål/plaststoffer kan tilpasses slik at det passer til den påtenkte anvendelse for forbindelsen.

Forbindelsen har fortrinnsvis de egenskaper og den yteevne som er spesi-fisert ovenfor under betingelsene nede i borehullet. Disse innbefatter typisk temperaturer i området 50-150°C og eventuelt høyere, samt trykk på opp til 100 MPa og eventuelt høyere. Forbindelsen bør også kunne mestre miljøfaktorer så som det variable og noen ganger høye saltinnhold, samt hardheten av borehull-fluider samt tilstedeværelse av hydrokarboner og partikkelformig materiale.

Det finnes en rekke kjente tiksotropiske substanser, blant annet sterkt vek-selvirkende partikkelformige og molekylære typer. I det første tilfelle omfatter tiksotropiske materialer et finkornet (med en middel-partikkelstørrelse med mak-simumsdimensjon på under 1 |am) uorganisk kolloid, spesielt finkornede leirarter, særlig smektittleirarter, f.eks. hektoritter.

I den foreliggende oppfinnelsen anvendes syntetiske smektittleire-kolloidtyper, og det er blitt oppnådd gode resultater med den syntetiske leire kjent som Laponite RDS fra Laporte (Laponite er et varemerke tilhørende Laporte In-dustries Limited). Laponite er en syntetisk trioktaedrisk smektitt som likner på den naturlige leire hektoritt. Laponite RDS er et laglagt vannholdig natriumlitium-magnesiumsilikat modifisert med tetranatriumpyrofosfat. Det er i form av et frittstrømmende pulver som lett dispergeres i vann. I konsentrasjoner på under ca. 10 vekt% i vann danner det en stabil sol. De individuelle leire-småplater i solen har en diameter på ca. 250 Å og en tykkelse på ca. 10 Å, med en negativ flatelad-ning og en positiv kantladning.

Generelt finnes det en rekke kjente størkningsbare materialer, innbefattende følgende: 1. Sementmaterialer, f.eks. sementtyper, spesielt portlandsementtyper, smel-teovn ss lagg, flygeaske/kalk-blandinger og blandinger av disse materialer.

2. Andre keramikkdannende materialer.

3. Polymere materialer, f.eks. varmestivnende polymerer osv.

Det kan anvendes hensiktsmessige blandinger av størkningsbare materialer. I den foreliggende oppfinnelse anvendes sementmaterialer (gruppe 1 over).

De tiksotropiske og størkningsbare materialer bør velges slik at de er forenlige med hverandre, på kjent måte.

Forbindelsen kan innbefatte andre forenlige bestanddeler så som additiver som vanligvis anvendes i oljefelt-sement. Siden det størkningsbare materiale er

en sement, vil det vanligvis bli innlemmet en sementretardator. Egnede retardatorer er kjent for fagfolk på området og innbefatter for eksempel natrium- eller kalsi-umsaltene av lignosulfonsyrer. Videre kan det innarbeides et overflateaktivt middel som virker som dispergeringsmiddel og/eller sementretardator. Antiskummings-midler kan også innarbeides. Avhengig av den påtenkte anvendelse av forbindelsen kan det innarbeides andre materialer som fyllstoffer. Andre vanlige

forbindelsen kan det innarbeides andre materialer som fyllstoffer. Andre vanlige additiver kan også innarbeides, under forutsetning av at de ikke vekselvirker med materialets geldannende egenskaper.

Det er blitt oppnådd gode resultater med blandinger av Laponite RDS og portlandsement, spesielt i klasse A og G. Disse sementtyper er hovedsakelig kal-siumoksid og silisiumdioksid med mindre mengder av jernoksid, aluminiumoksid, svoveltrioksid og andre spornivåforbindelser. De kjemiske forbindelser som inngår i de størknede vannfrie sementtyper, innbefatter trikalsiumaluminat, dikalsiumsili-kat og tetrakalsiumaluminoferritt. Typiske blandinger omfatter 3-6 vekt% Laponite RDS, basert på vannmengden, med et vann/sement-forhold på ca. 50%.

For dannelse av tiksotropiske oppslemninger er det nødvendig å for-hydratisere Laponite RDS med vann under dannelse av en sol. Når sementpulver eller annet fint faststoff tilsettes til dette fluid, eller når elektrolyttkonsentrasjonen økes til innenfor et passende område, dannes det hurtig en tiksotropisk gel. Flui-det kan lett pumpes, men når skjærkraften opphører, blir sementen hurtig dannet til gel (på omtrent noen få sekunder) og blir immobil. Etter lange tidsrom (timer) hydratiseres sementen under dannelse av et sterkt elastisk faststoff med lav gjen-nomtrengelighet for fluider. Sementens størkningstid kan reguleres på vanlig måte ved anvendelse av tradisjonelle sementretardatormidler så som natrium- eller kal-siumsalter av lignosulfonsyrer. Et viktig trekk ved dette tiksotropiske sementsys-tem er at den hurtige geldannelse forringes via en kolloidal mekanisme som generelt er atskilt fra hydratiseringskjemien for de reagerende sementmineraler. Følge-lig utkoples de tiksotropiske egenskaper og størkningsegenskapene og kan reguleres separat.

Den tiksotropiske forbindelsen ifølge oppfinnelsen finner generelt anvendelse ved oljebrønnanvendelser, innbefattende slike som er nevnt ovenfor. Materialet finner også spesiell anvendelse ved teknikker for komplettering av horisontale brønner komplettert med slissede eller for-b6rede foringer, som beskrevet i internasjonal patentsøknad WO-95/00739.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet ytterligere ved illustrasjon i følgende eksempler og med henvisning til den medfølgende tegning, hvor den eneste figur er et diagram over skjærkraft-flytegrense i Pa sammenstilt med tiden i sekunder, som viser flytegrenseutvikling for et tiksotropisk sementpreparat ifølge den foreliggende oppfinnelse.

Eksempler

Det ble laget en tiksotropisk sement ifølge oppfinnelsen av 10,2 g Laponite RDS, 3,5 g Dowell D013, 340 g vann og 700 g portlandsement (klasse G). Dowell D013 er en varemerkebeskyttet sementhydratiseringsretardator som omfatter natrium- eller kalsiumsalt av lignosulfonsyre, som leveres fra Dowell.

Laponite RDS blandes med ledningsvann ved romtemperatur og -trykk ved høy skjærkraft, fortrinnsvis i minst 1 time, for fullstendig hydratisering av leiren og dannelse av en godt dispergert sol. Dowell D013 tilsettes til den resulterende sol, som underkastes skjærkraft i tilstrekkelig grad til at det dannes en homogen blanding. I tillegg til at Dowell D013 virker som en sementhydratiserings-retardator, forhindrer den dannelse av fritt vann når oppslemningen er i ro. For forhindring av at luft medføres i noen betydelig grad under blanding av dette fluid kan det eventuelt tilsettes et polyeterpolyol-antiskummingsmiddel så som det som finnes i Dowell D047 (leveres fra Dowell), i en konsentrasjon på 1 vekt%, basert på blande-vannet. Sementpulveret tilsettes langsomt til blandingen under anvendelse av en blander av typen Waring ved en hastighet på 4000 omdr. pr. min., typisk i løpet av et tidsrom på 10 minutter.

Denne fremgangsmåte resulterer i dannelse av en oppslemning som ikke utvikler fritt vann, oppviser tiksotropiske egenskaper opp til temperaturer på minst 85°C og er lett pumpbar. Like etter blanding oppviser denne oppslemning, når den får stå i ro, hurtig forandring når det gjelder flytegrense, som vist på den medføl-gende figur. Diagrammet viser hurtig geldannelse fra en begynnelses-skærkraftflytegrense etter 2 sekunder i ro på ca. 60 Pa, som hurtig øker til et pla-tånivå på ca. 210 Pa. Gelstyrken forblir omtrent på dette nivå over et lengre tidsrom, og gelen forblir hurtig og reversibelt tiksotropisk i løpet av denne tid. Sementen har en størkningstid på over 8 timer ved romtemperatur.

Det er blitt blandet en liknende oppslemning i stor målestokk under anvendelse av standard industriblandeutstyr, nemlig en resirkuleringsblander av typen Dowell RMX.

Ved variering av mengden av anvendt Dowell D013, f.eks. fra 0,15 til 0,5 vekt% av sementpulver, kan størkningstiden for sementen ved hvilken som helst gitt temperatur varieres etter ønske. For eksempel viser en oppslemning med vann til et sementforhold på 0,47 inneholdende 0,2 vekt% D013, basert på sementen, og 1,53% Laponitt RDS, en størkningstid ved 85°C på 160 minutter. Materialets geldannelses- og størkningsegenskaper kan således reguleres separat.

For omdannelse av Laponite RDS-sol til en gel er det funnet at det må væ-re tilstede en kritisk konsentrasjon av kationer. Når det for eksempel anvendes

kalsium-ioner tilsatt til en konsentrasjon på 3% av Laponite RDS, kan det dannes en gel når kalsiumionekonsentrasjonen er større enn 20 mmol/l. Når sement tilsettes til en løsning av Laponite RDS, trekkes kalsium-ioner i løsning fra de forskjellige sementmineralfaser, og dette er tilstrekkelig til aktivering av geldannelse. Det er imidlertid viktig å unngå et for høyt nivå av kalsium-ioner, idet overskudd av di-valente ioner forårsaker flokkulering av leiren og tap av tiksotropisitet. Ved at en del av sementen erstattes med silikamel kan topp-kalsiumionemengden av den vandige fase av oppslemningen ved blanding reduseres til innenfor et akseptabelt område, hvis nødvendig. Samme effekt kan oppnås ved øking av oppslemningens vann/faststoff-forhold.

Ved passende variering av utformningen kan det fremstilles en forbindelse med egenskaper som passer til spesielle påtenkte anvendelser. Ytterligere typiske utformninger er som følger.

40°C

Vann/faststoff-forhold 0,55-0,57

Portlandsement klasse G

40-42 vekt% silika-mel, basert på sementen

Laponite RDS 3,0-4,0 vekt%, basert på vannet

Sement-retardatorer (Dowell D013) for justering av størkningstiden

88°C

Volumfraksjon av faststoffer - 50%

Portlandsement klasse G

49 vekt% silika-mel, basert på sementen

3,2 vekt% Laponite RDS, basert på vannet

Sement-retardatorer (Dowell D801/D093) for justering av størkningstiden.

Claims

1. Størkningsbar tiksotropisk forbindelse, karakterisert ved at den innbefatter et tiksotropisk og et størkningsbart materiale og er i stand til reversibel geldannelse ved en kolloidal mekanisme og er i stand til å nå sin i det vesentlige maksimale gelstyrke med en geldannelsestid på under 60 sekunder, idet det tiksotropiske materialet omfatter en syntetisk smektittleire av kolloidtype, og det størkningsbare materiale omfatter et sementmateriale, der tiden det tar for forbindelsen å størkne, er vesentlig lengre enn geldannelsestiden.

2. Forbindelse ifølge krav 1, karakterisert ved at sementmaterialet er valgt fra portlandsementtyper, smelteovnsslagg, flygeaske/kalk-blandinger samt blandinger av disse materialer.

3. Forbindelse ifølge krav 1, karakterisert ved at forbindelsen dessuten omfatter en sementretardator.

4. Forbindelse ifølge krav 1, karakterisert ved at tiden det tar for forbindelsen å størkne, er minst 2 timer.

5. Fremgangsmåte for anbringelse av en plugg i et område rundt en perforert foring i et borehull, spesielt et generelt horisontalt borehull, karakterisert ved at den omfatter de trinn at det anbringes et par tetninger inne i foringen hvor pluggen skal anbringes, idet tetningene er atskilt med mellomrom slik at de avgrenser både et kammer inne i foringen som innbefatter en perforering, og dessuten et område som skal igjenplugges utenfor foringen; og et for-bestemt volum av størkningsbar tiksotropisk forbindelse ifølge krav 1 pumpes inn i kammeret og via perforeringen inn i området som skal igjenplugges, hvilket for-bestemt volum av materiale er tilstrekkelig til fortrenging av hovedsakelig alle andre fluider fra området som skal igjenplugges.

6. Fremgangsmåte for dannelse av en plugg i et område i en brønn, karakterisert ved at den omfatter det trinn at et volum av størkningsbar tiksotropisk forbindelse i henhold til krav 1 pumpes inn i området, hensiktsmessig via egnet tetningsapparat så som et par områdebegrensende tetninger, hvilket volum er tilstrekkelig til fortrenging av hovedsakelig alle andre fluider fra området som skal igjenplugges.

7. Fremgangsmåte for sementering av et foringsrør eller rør i et borehull, karakterisert ved at den omfatter de trinn at det i et ringrom mellom en ytre overflate av féringsrøret eller røret og veggen i borehullet innføres en størk-ningsbar tiksotropisk forbindelse ifølge krav 1; og forbindelsen får størkne.