NO326424B1 - Sementeringsprodukt samt anvendelse for sementering av oljebronner og tilsvarende - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører sementeringsprodukter for en olje-brønn eller liknende, mer spesielt produkter tilpasset lave temperaturer.

Etter boring av en oljebrønn eller liknende senkes et foringsrør eller et for-lengningsrør ned i hullet og sementeres over hele eller en del av dets dybde. Sementering skal fiksere foringsrøret og også hindre at fluid blir utvekslet mellom de forskjellige formasjonslag som gjennomtrenges av hullet, for å hindre at gass sti-ger opp via det ringformede rom som omgir foringsrøret, og å begrense inntrengning av vann i produksjonsbrønnen. Sementeringsoperasjonen består i å injisere en sementslurry via det indre av foringsrøret og fortrenge denne ved hjelp av et ytterligere fluid, generelt et boreslam. Når slurryen når bunnen av hullet blir den hindret i å stige opp via det ringformede rom mellom veggen i borehullet og foringsrøret. Etter posisjoneringen øker den mekaniske styrke av den herdede sement til den når et maksimum etter omtrent ti dager. Boring kan imidlertid gjen-opptas så snart trykkstyrken når 3,44 Mpa; i praksis er det imidlertid ønskelig å disponere produkter med en kort størkningstid ("Waiting On Cement"), det vil si en kort periode som forløper mellom pumping og det tidspunkt hvor sementen har utviklet tilstrekkelig styrke til å bære lederøret.

I det spesielle tilfelle med offshore boring må det med den første del av foringsrøret, kjent som lederøret, som virker som en styring for etterfølgende boring utvises spesiell forsiktighet og foringsrøret må som et resultat orienteres særlig nøyaktig. Lederrøret befinner seg i en kort avstand under sjøbunnen, ved en temperatur typisk omtrent 4°C, mens slurryen fremstilles på overflaten ved en temperatur som kan være nær temperaturen i brønnen (i tilfellet av en nordsjø-brønn, for eksempel, men den kan også være mye høyere ettersom dypvanns-brønner ofte befinner seg i tropiske eller ekvatoriale soner (spesielt Mexicogulfen og Vest-Afrika). Dette utgjør et meget spesielt tilfelle ettersom når man semente-rer det store flertall av oljebrønner vil sementslurryen oppvarmes mens den synker ned i brønnen.

En sement størkner saktere ved lavere temperaturer. Ved noen få grader over nullpunktet vil en vanlig sement størkne først etter at det har gått flere dager i det plattformen i den periode må holdes på plass og boringen kan ikke gjenopp-tas. Videre blir lederrøret heist opp før sementeringsoperasjonen og holdes mid-lertidig av en vinsj inntil sementen er tilstrekkelig sterk for at den kan virke som en understøttelse. Jo lengre dette trinn er, desto mer vanskelig er det å forhindre at lederøret kommer til å avvike fra dets ønskede orientering.

Forskjellige tilsetningsstoffer med hensikt på å akselerere størkning er kjent, men slike ekstreme forholder utenfor deres virkningsområde og kvaliteten av sementenslurryen og den herdede sement påvirkes alvorlig. Det er således blitt utviklet sammensetninger som er basert på spesifikke sementer. De er hovedsa-kelig delt opp i to klasser: sammensetninger basert på gips og sammensetninger basert på aluminium oksidsementer. Sammensetninger basert på gips, eller mer nøyaktig en gips behøves det Portland sementblanding, er generelt særlig bestemt for logistikk formål; yteevnen for aluminium og oksidholdige sementer er alvorlig påvirket når de blir forurenset med Portlandsement og de må derfor lagres i separate siloer.

I tillegg er sjøbunnen ofte sandholdig med dårlig konsolidering. Lav-densitetsementslurryer må således anvendes med en densitet i området 1,32 g/cm<3> til 1,56 g/cm<3>. Generelt blir en sementslurry gjort lettere ved å øke mengden av vann og - for å unngå at væske og faststoff-faser separerer - ved å tilsette forbindelser som for eksempel bentonitt eller natrium silikat for å danne geler. Mens vektforholdet vann/faststoffer for en ordinær sement normalt er i område 38% til 46%, vil tilsvarende for en slurry med slik lav densitet rutinemessig være større enn 50%, eller endog større enn 60%. Slik vannmengde retarderer utviklingen av trykkstyrken og størkningstiden vil således bli forlenget.

En slurry kan også overføres lettere ved å tilsette lette materialer som for eksempel silikatstøv (fransk patentskrift FR-A-2 463 104) eller hule keramiske eller glass kuler (US patentskrifter US-A-3 804 058; US-A-3 902 911 eller US-A-4 252 193). Slike materialer kan redusere, men ikke sløyfe mengden av tilleggs-vann tilsatt til sementslurryen for å gjøre den lettere slik at trykkstyrkeutviklingen blir mindre retardert. Den nødvendige vannmengde forblir høy og etter 24 timer forblir trykkstyrken meget lav, generelt på ikke over 4136 kPa.

En slurry kan også gjøres lettere ved på injisere gass eller luft. T. Smith, R. Lukay og J. Delorey, i World Oil, mai 1984, foreslo bruken av slike oppskummede sementer for sement lederør i dypvannshull. US-A-5 484 019 viser også bruken av en slurry for slike oppskummede sementer, omfattende 1 % til 30 % mikrosement. Det prinsipale mål for US-A-5 484 019 er å tilveiebringe en slurry som er i stand til hurtig å danne en gel som er tilstrekkelig sterk til å hindre inntrengning av vann, ikke å tilveiebringe en hurtig størknende slurry, spesielt fra det synspunkt og utvikle trykkstyrke.

I en hvilken som helst sammenlikning med eksisterende systemer er det viktig å bemerke at temperaturen i sjøbunnen avhenger både av deres dybde og deres lokalisering. Mens temperaturen utenfor Shetlandsøyene således ikke er mer en 5°C fra en dybde på 500m, er den ved samme dybde utenfor Malaysia omtrent 10°C og 5°C nås bare i en dybde på 1000m. Videre avhenger temperaturen av sementslurryen av temperaturen av sjøbunnen og forekomsten av under-sjøiske strømmer. I en varm region av planeten, med få strømmer, kan i praksis slurrytemperaturen være så høy som 15°C selv når sjøbunnen befinner seg ved 4°C. I motsetning til dette, i en kald region som er utsatt for vesentlige strømmer kan slurrytemperaturen være nesten identisk med vanntemperaturen. I oljebrønn-industrien betegnes enhver operasjon ved en temperatur lavere enn 30°C som en lavtemperaturoppgave. Den foreliggende oppfinnelse tar sikte på anvendelser ved temperaturer som mer spesielt er i området 4°C til 10°C.

Den foreliggende oppfinnelse tar sikte på å tilveiebringe nye lavdensitet og meget lavtemperatur sementeringssammensetninger som hurtig kan utvikle trykkstyrke.

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører et sementeringsprodukt for en ol-jebrønn eller liknende, med et forhold væskefraksjonsvolum over totalvolum på mindre enn 50 %, og en fast fase som utgjøres av 35 % til 65 % (på volumbasis) hule mikrokuler, 20% til 45% (på volumbasis) Klasse G Portlandsement, og 5% til 25% (på volumbasis) klasse G Portland mikrosement.

Oppfinnelsen vedrører også en anvendelse av sementeringsproduktet i henhold til oppfinnelsen for sementering av et lederør for en oljebrønn eller liknende lokalisert i en arktisk sone eller i et dypvannsborehull.

En mikrosement anvendt for produktene i følge oppfinnelsen er en hoved-sakelig ren mikrosement, det vil si som utgjøres av mer enn 90 % klasse G Portlandsement. Mikrosementer med maksimum partikkelstørrelse i området 6 jim til 12 (im, foretrukket 8 nm til 11 u.m, er særlig foretrukket.

Mikrokulene anvendt ved oppfinnelsen har lav densitet, foretrukket mindre en 0,8. Siliko-aluminat eller "senokuler", en rest oppnådd fra forbrenning av kull, med den gjennomsnittelige diameter på omtrent 150 jam er særlig egnet. Hule glasskuler med den gjennomsnittelige diameter på 120 |im til 250 nm er også egnet.

Generelt tilsettes et dispergeringsmiddel til produktet så vel som en se-mentstørknet akselerator. Kjente dispergeringsmidler har generelt en retarderende virkning på sementstørkning og denne må det kompenseres for. Andre konven-sjonelle tilsetningsstoffer kan tilsettes, spesielt antiskummidler, kontrollmidler for filtreringstap eller gassvandringskontrollmidler. Produktet til følge oppfinnelsen kan også omfatte en sementstørknende akselerator, spesielt kalsiumklorid, i en meng-de på ikke over 2%, foretrukket 1,5% (vektprosentandel i forhold til vekten av den faste sement/mikrosement/mikro kuleblanding); tilsetning av kalsiumklorid har en skadelig virkning på reologien på en av slurry som øker mengden av dispergeringsmidlet som oppveier virkningen av den sementstørknede akselerator.

Foretrukket er de faste partikler i blandingen i de respektive mengdeforhold slik at kompaktheten av blandingen velges nær dens maksimumsverdi. Tilsetning av fine partikler kan således frembringe en PVF (Pakkende Volum Fraksjon) som foretrukket er mer enn 0,75 og mer foretrukket mer enn 0,8. På denne måte bevir-ker blandingen av sammensetningen ikke noen spesielle problemer selv med po-røsiteter så lave som i tilfellet ifølge oppfinnelse. Videre oppnås meget tilfredsstillende reologier som er gunstige for gode pumpebetingelser spesielt med et nesten fullstendig fravær av sedimentasjon.

Andre fordelaktige detaljer og egenskaper ved oppfinnelsen fremgår av den følgende beskrivelse av tester gjennomført med forskjellige eksempler på tilset-ningsstoffsammensetninger.

EGENSKAPER AV MIKROSEMENTER

Flertallet av oljeindustriopplegg ved anvendelse av en mikrosement bruker forbindelser tildannet fra slagg som omfatter 45 % kalk, 30 % silisiumoksid, 10 % aluminiumoksid, 1 % jernoksider og 56 % manganoksid (bare de prinsipale oksi-der er nevnt her; disse mengder kan selvfølgelig variere litt avhengig av leveran-døren). Denne typen av mikrosement benevnes "mikroslagg" i det følgende.

Klasse G Portlandsement omfatter typiske omtrent 65 % kalk, 22 % silisiumoksid, 4 % aluminiumoksid, 4 % jernoksider og mindre enn 1 % manganoksid. Selvfølgelig varierer produktene avhengig av leverandøren, men kalk/silisiumoksid forholdet er omtrent tre, noe som ikke er tilfellet med det mikroslagg; videre er aluminiumoksid innholdet i klasse G Portlandsement omtrent halvparten av det tilsvarende innhold i mikroslagg. Mikrosement dannet fra klasse G Portlandsement vil i det følgende bli betegnet mikrosement G.

De to typer av mikrosementer som ble testet hadde meget liknende korn-størrelsesegenskaper, med en midlere partikkeldiameter på omtrent 4 u.m, en be-grensende partikkelstørrelse på 12 (im for mikroslagget og 11 (im for mikrosementen G og et spesifikt overflateareal per masseenhet bestemt ved hjelp av luft per-meabilitetstesten (Blair Finhet: 0,8000 m2/g).

De to mikrosementer ble testet ved lav (10°C) og veldig lav (4°C) temperatur. For hver testet slurry ble det initiat kontrollert at systemet kunne pumpes fra overflaten og innjusteres ned i brønne, et kriterium som betraktes som tilfredsstillende når reologien i slurryen, ved laboratoriet temperatur og ved 10°C, er slik at den plastiske viskositet av slurryen er mindre enn 250 mPa.s og dens flytepunkt er i området 0 til 9,5 Pa, foretrukket i området 0 til 7 Pa.

For disse systemer som anses å være "pumpebare" ble utviklingen av trykkstyrke under sementherding bedømt ved hjelp av ultralyd ("Ultrasonic Cement Analyzer"), i det temperaturen i målecellen ble kontrollert ved bruk av en kjølekrets som utgjøres av en rørkveil hvori en vann/antifryseblanding sirkulerte, avkjølt ved hjelp av en kryostat. Disse målinger målte til å bestemme størkningstiden nødven-dig for å oppnå en gitt styrke, og også trykkstyrken Rt oppnådd etter en gitt tid (24 eller 48 timer) ved et trykk på 20,7 MPa.

Videre, for disse "pumpebare" systemer, ble fortykningstiden TT målt, som var et mål på sementpumpbarhetsperioden for disse tester og tilsvarte den periode som var nødvendig for å utvikle en konsistens på 100 Bc (dimensjonløse Bear-den enheter); dette mål ble med mindre annet er angitt foretatt ved et trykk på 6,9 Mpa. Generelt var et system tilfredsstillende hvis fortykningstiden var i område 3 timer til 6 timer. Tester gjennomført ved andre trykk (mellom 3,4 Mpa og 13,8 Mpa) har vist at resultatene varierte lite som en funksjon av trykkvariasjonene.

SAMMENLIKNINGSEKSEMPEL 1: MIKROSLAGG I FERSKVANN

En serie av slurryer ble fremstilt med en fast sement/"senokuler"/mikro-slaggblanding i volummengde forholdet 35:55:10. Slurry porøsiteten ble innstilt ved 42 %. Tilsetningsvannet var en blanding av vannledningsvann, 2,5 liter av et antiskummiddel per tonn fast sement/"senokuler"/mikrosement og en rekke forskjellige tilsetningsstoffer vist i den følgende tabell hvor i mengdene angitt for dispergeringsmidler, filtreringstapskontrollmidlet og natriumsilikatet (akseleratet) er i liter per tonn fast sementTsenokulerVrnikrosementblanding. Visse produkter omfatter kalsiumklorid som en akselerator (den angitte prosentandel var da vektpro-sentandelen av den faste sement/"senokuler"/mikrosement blanding).

Filtreringstapskontrollmidlet anvendt her var et tilsetningsstoff som var særlig egnet for lave temperatursementering, i dette tilfellet en suspensjon av en mikrogel oppnådd ved kjemisk tverrbinding av en polyvinyl alkohol, ved omsettet polyvinyl alkoholen i oppløsning med glutaraldehyd ved en pH i området 2 til 3, i det den molare konsentrasjon av tverrbindingsmidlet med hensyn til de monomere PVA andeler var i området omtrent 0,1 % til 0,5 % i nærvær av 3,5 % polyvinylpyr-rolidon. Dette tilsetningsstoff er blitt detaljert beskrevet i fransk patentsøknad FR-A-2 759 364 i det innhold i dette innlemmes herved som referanse.

Dispergeringsmidlet var et sulfonert formaldehyd melamin kondensat, et dispergeringsmiddel kjent for sin lave retarderende virkning på størkningstiden.

Slurryreologien ble målt ved laboratoriet temperatur(reologi etter blanding) eller etter 10 minutters kondisjonering ved 10°C.

Den følgende tabell viser at for en gitt slurry kunne tørkningstiden dobles når temperaturen ble senket fra 10°C til 4°C. Dispergeringsmidlet hadde en meget stor retarderende virkning ved meget lav temperatur, i det denne virkning ikke ble iakttatt ved 10°C: økningen i mengden kalsiumklorid (tester #4 og #5) var således uten virkning ved 4°C på grunn av økningen i mengden av dispergeringsmidler (for disse tester ble det etterstrebet liknende slurryreologier, selv om kalsiumkloridet hadde en viskositetsøkende virkning som måtte kompenseres for ved å øke mengden av dispergeringsmiddel).

Med sjøvann ble tilfredsstillende reologi bare oppnådd ved sterk økning av mengdene av dispergeringsmiddel og mengden av middel som var nødvendig var høyere ettersom mengden filtreringstap kontrollmiddel ble økt. Den retarderende virkning iakttatt med slurryer fremstilt med vannledningsvann ble ytterligere for-sterket, slik at fortykningstiden for noen av de "pumpbare" slurryer var for lang og selvfølgelig fulgt av meget sakte utvikling av trykkstyrken, som vist ved test #9.

Med hensyn til sjøvannstestene ble den viskositetsøkende virkning tilveie-brakt av kalsiumkloridet på nytt iakttatt, som betød at mengden av dispergeringsmiddel måtte økes, noe som i praksis utliknet den akselererende virkning av kalsiumkloridet.

EKSEMPEL 3: MIKROSEMENT G I SJØVANN

Den faste blanding anvendt i eksempel 1 ble anvendt med den samme po-røsitet, men med bruk av sjøvann som blandingsvann.

Størkning ved 10°C og 4°C ble ikke undersøkt i detalj for slurry #17. Denne slurry tilfredsstilte imidlertid kriteriene for oppfinnelsen og størkningstiden og trykkstyrken ble anslått å ligge mellom verdiene mot for slurryer #16 og #18.

Erstatning av mikroslaggen med klasse G mikrosement muliggjorde frem-stilling av slurryer med sjøvann som utviklet bemerkelsesverdi høye trykkstyrker ved lave og meget lave temperaturer.

EKSEMPEL 4: MIKROSEMENT G I FERSKVANN

De to eksempler som følger viser at Portland klasse G sement også kan anvendes i ferskvann, selv i fravær av en spesifikk sementstørknende akselerator.

EKSEMPEL 5

Portlandsement oppdeles i 8 kategorier, A til H, avhengig av dybden, temperatur og trykk som de er utsatt for. Klasser A, B og C er særlig bestemt for lavtemperatur anvendelser. Klasse C sement er ansett å være særlig egnet for anvendelser som nødvendiggjør hurtig trykkstyrkeutvikling og synes således å være en utmerket kandidat for meget lave temperaturanvendelser. Klasse G Portlandsement er den mest rutinemessig anvendte sement for midlere temperaturanvendelser (typisk omtrent 60°C).

Tre sementslurryer ble fremstilt med klasse A, C og G Portland sement. De reologiske egenskaper og størkningsegenskapene ble målt.

Den beste reologi ble utvist av slurryen fremstilt med klasse G sement. Med klasse C sementen ble det oppnådd en for viskøs slurry med et for høyt flytepunkt. Med klasse A sement var reologien mindre tilfredsstillende og på grensen for ak-septerbarhet, men omdannelsestiden (fra 3,57 til 35,7 kg/cm<3>) var nær 9 timer. Videre var fortykningstiden ved vanlig temperatur bare litt over 4 timer, som kunne bevirke problemer hvis pumpeoperasjonen ble forsinket av en eller annen grunn. Det skal også bemerkes at sementen var dårlig dispergert og der var problemer med dannelse av fritt vann i slurryen. Klasse G sementen hadde en omdannelses-tid på mindre enn fem timer og frembrakte en bedre trykkstyrke etter 48 timer.

EKSEMPEL 6

For disse tester, gjennomført med ferskvann, ble mikrosementen G anvendt i det foregående erstattet med andre mikrosementer basert på finere klasse G Portland mikrosement, med en maksimal partikkelstørrelse på 8 \ un henholdsvis 6 fim.

En klasse G Portland type mikrosement finere enn mikrosementen anvendt ovenfor kunne anvendes med fordel, men valg av en meget fin sement bevirket den økning i reologien av slurryen i forhold til mikrosementer med en maksimal partikkelstørrelse i området 7 fim til 12 jim.

Claims (8)

1. Sementeringsprodukt for en oljebrønn eller liknende, karakterisert ved et forhold væskefraksjonsvolum over totalvolum på mindre enn 50 %, og en fast fase som utgjøres av 35 % til 65% (på volumbasis) hule mikrokuler, 20% til 45% (på volumbasis) Klasse G Portlandsement, og 5% til 25% (på volumbasis) klasse G Portland mikrosement.

2. Sementeringsprodukt ifølge krav 1, hvori den maksimale partikkel-størrelse av klasse G portlandtype mikrosement er i området 6 mikrometer til 12 mikrometer.

3. Sementeringsprodukt ifølge krav 1 eller 2, hvori blandingsvannet er sjøvann.

4. Sementeringsprodukt ifølge et av kravene 1 til 3, ytterligere omfattende et dispergeringsmiddel.

5. Sementeringsprodukt ifølge et av kravene 1 til 4, ytterligere omfattende etfiltreringstapskontrollmiddel.

6. Sementeringsprodukt ifølge et av kravene 1 til 5, ytterligere omfattende en sementstørkningsakselerator.

7. Anvendelse av et sementeringsprodukt ifølge hvilket som helst av krav 1 til 6, for sementering av et lederør for en oljebrønn eller liknende lokalisert i en arktisk sone eller i et dypvannsborehull.

8. Anvendelse ifølge krav 7, for sementering ved temperaturer under 10°C.