NO331786B1 - Lagringsdyktige sammensetninger samt anvendelse av samme for sementering av olje- og gassbronner - Google Patents

Abstract

Lagringsdyktige sammensetninger av slurryer for sementering av olje- og gassbrønner er beskrevet som innbefatter masovnslagg i tillegg til additiversom er vanlige ved sementering. Sammensetningene og slurryene er ikke-tilstrekkelig aktivert (eller aktiveres umiddelbart før tilsetning av dem til brønnen), slik at de kan lagres i minst 72 timer (alternativt kan de lagres ubegrenset) uten herding av sammensetningen og deretter tilsettes aktiveringsinitiatorer. Anvendelsen av sammensetningene og slurryene ved sementering av olje- og gassbrønner er også beskrevet.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår sammensetninger og slurrier for sementering av olje- og gassbrønner så vel som anvendelsen av slike slurrier i disse brønnene, og spesifikt sammensetninger og slurrier som inneholder masovnslagg for anvendelse i vannbaserte fluider og hydrauliske materialer, under fravær av herdeinhibitorer, hvor slike slurrier kan lagres ved omgivelsestemperatur.

Den vanlige fremgangsmåten for å bore en olje- og gassbrønn innbefatter boring av brønnen ved anvendelse av et borefluid. Deretter blir et foringsrør introdusert i brønnen og en sementholdig slurry plasseres i rørrommet mellom den ytre delen av foringsrøret og borehullveggen. Formålet med den sementholdige slurryen er å herde og tilveiebringe tilstrekkelig forsegling mellom foringsrøret og brønnen. Det ytre skjellet av herdet sement forsinker eller hindrer fluidkommunikasjon blant de forskjellige formasjonene penetrert av brønnen. I tillegg til å tilveiebringe isolasjon blant sonene, kontakter sementen foringsrøret og gir mekanisk støtte og styrke til aksial bevegelse ved adheransen utviklet mellom grenseflaten mellom sement og foringsrør så vel som mellom grenseflaten mellom sement og formasjonen.

I tillegg til tilfredsstillende adheranse mellom sementen og foringsrøret og mellom sementen og formasjonen, kompatibilitet mellom sementslurryen og borefluidet, sammenpresningsstyrken og de reologiske egenskapene, er et annet viktig trekk herdetiden av slurrysammensetningene. Normalt inneholder slurryer additiver for kontroll av herdetiden (aktivatorer og retardanter) og reologimodifiserende additiver.

De herdeaktiverende additivene anvendes i sementholdige slurryer for å hjelpe til å unngå lange ventetider (opp til ca. 24 timer) til slurryen herder, etter at slurryen er plassert på det ønskede stedet i rørrommet til brønnen.

Patentlitteraturen har mange publikasjoner som angår anvendelse av masovnslagg sammen med vannbaserte borefluider.

Således beskriver US-patent nr. 5.058.679 in situ størkning av vannbaserte fluider ved tilsetning av masovnslagg, additiver for kontrollering av herdetiden, så vel som reologiske modifikatorer. Etter tilsetning av for eksempel 50 til 400 lb/bbl slagg, blir borefluidet tilsatt rørrommet og herder. Herdetiden til borefluidet behandlet med slagg kan variere i henhold til temperaturbetingelsene så vel som brønnen og kravene for anbringelsestiden. Herdetiden kontrolleres mellom ca. en time og opp til flere dager for temperaturer mellom 40 og 400°F (4 og 204°C).

US-patent nr. 5.409.064 beskriver en sammensetning og fremgangsmåte for sementering av en brønn ved å kombinere ingredienser som innbefatter vann og masovnslagg med partikkelstørrelse 2.000 cm<2>/g og 15.000 cm<2>/g (200 mVkg og 1.500 mVkg, foretrukket mellom 4.000 cm<2>/g og 6.500 cm<2>/g (400 mVkg og 650 m<2>/kg) og en aktivator som innbefatter natriumpyrofosfat for å danne en sementholdig slurry; anbringe sementslurryen i brønnen og tillate at den sementholdige slurryen herder.

US-patent nr. 5.447.197 beskriver sementholdige slurryer som kan lagres fremstilt fra sementering av hydraulisk aktivt materiale, som kan lagres i flytende tilstand. Slurryen aktiveres ved behov for sementering. Etter pumping av den aktiverte slurryen til interiøret av brønnen, er egenskapene til den forherdede sementen egnet for brønnsementering. Sammensetningen inneholder en herderetardant som hjelper til med å opprettholde slurryen i flytende tilstand under lagring og en aktivator for å snu retarderingen forårsaket av retarderingsmidlet.

US-patent nr. 5.547.506 beskriver flytende sementholdige slurryer som kan lagres fremstilt fra hydraulisk aktivt sementholdig materiale, en herdeinhibitor for å muliggjøre lagring av slurryen og en aktivator for å aktivere slurryen.

En publikasjon publisert av "the Society of the Petroleum Engineers (SPE)" nr. 36973, oktober 1996, beskriver en ny teknologi for sementering av slanke brønner ved hjelp av "Liquid Cement Premix (LCP)", hvor slik teknologi har fordelen ved å tilveiebringe slurryer som har en mer enhetlig tetthet ved påfylling ved anvendelse av kostbare blandere i felten.

Begrepsmessig er LCP en sementslurry som kan lagres ubegrenset i flytende tilstand slik at herdingen kan bestemmes ved behov. Slurryen er en forhåndsblandet Portland-sement eller et hvilket som helst annet hydraulisk materiale som inneholder herdeinhibitorer og andre additiver. Slike systemer krever anvendelse av en aktivator som tilsettes umiddelbart før pumping av slurryen til brønnen. Aktivatoren tar tilbake hydreringen og muliggjør at slurryen herder og utvikler sammenpresningsstyrke. LCP-egenskapene kan justeres ved hjelp av additivene som anvendes i vanlige sementeringsoperasjoner. Slurryen er kompatibel med alle vanlige sementadditiver. LCP oppnår vanlige tettheter. Verdiene på sammenpresningsstyrke utviklet etter ca. 3 timer er egnet for brønnsementering. Området for anvendelige temperaturer strekker seg fra omgivelsestemperaturer til 450°F (230C).

Således beskriver litteraturen sementeringsslurryer som anvender vannbaserte borefluider og masovnslagg som hydraulisk materiale, hvor slurryene pumpes til brønnen raskt etter at de fremstilles. Sementslurryene ifølge teknikkens stand innbefatter nødvendigvis anvendelse av retardenter/aktivatorer, hvor dette representerer flere reagenser i sammensetningen i tillegg til høyere kostnader. Således trenger teknikken fremdeles sammensetninger og sementslurryer som kan lagres for brønnsementering som kan lagres ved omgivelsestemperatur og fylles ved anvendelse av inhibitorer/aktivatorer, hvor slike sammensetninger og slurryer er tilveiebrakt ved den foreliggende oppfinnelsen.

Sammensetningene av sementholdige slurryer for olje- og gassbrønner ifølge oppfinnelsen som kan lagres baseres på tilstedeværelsen av masovnslagg som det hydrauliske materialet så vel som spesifikke mengder av andre komponenter i sammensetningen hvor sammensetningene og slurryene er uten herderetardenter.

De lagringsdyktige sammensetningene av sementholdige slurryer ifølge oppfinnelsen innbefatter: Fra 200 til 500 lb masovnslagg/fat slurry (570 til 1428 kg masovnslagg/m<3>slurry); Fra 0,01 til 13 vekt-% aktivatorer basert på vekten av masovnslagget;

Balansen er satt opp i forhold til vannbasert fluid.

Sammensetningen kan også inneholde andre vanlige additiver for sementering og borefluider for olje- og gassbrønner.

I motsetning til de lagringsdyktige sammensetningene av sementholdig slurry ifølge teknikkens stand, er de lagringsdyktige sammensetningene ifølge oppfinnelsen formulert under fravær av herderetardenter.

Med hensyn til konsentrasjon er sammensetningene definert som: masovnslagg, kg/m<3>, aktivatorer, vekt-% basert på vekten av masovnslagg og mulige additiver, vekt-% basert på vekten av masovnslagg eller kg/m<3>.

Vann eller et vannbasert borefluid eller en blanding av samme utgjør det kontinuerlige mediet.

En annen sammensetning av sementholdig slurry ifølge oppfinnelsen inneholder null prosent aktivator ved fremstilling, og aktivatorene tilsettes umiddelbart før pumping av slurryen i borehullet.

Enda en annen sammensetning av sementholdig slurry ifølge oppfinnelsen inneholder en del av aktivatorene ved fremstilling og resten av aktivatorene tilsettes umiddelbart før pumping av slurryen til borehullet.

I lys av disse tre parametrene som kontrollerer herdetiden til de slaginneholdende sementholdige slurryene: Fysiske og kjemiske egenskaper (overflateareal, forglassingsgrad og kjemisk

sammensetning) og konsentrasjon av masovnslagget;

Type og konsentrasjon av kjemiske aktivatorer;

Borehulltemperatur.

Prinsippet for å gjøre sammensetningene ifølge oppfinnelsen lagringsdyktige ved omgivelsestemperatur under fravær av herderetardanter angår kontrollen av masovnslagget og de kjemiske aktivatorene.

Det er å forstå at temperaturen i borehullet hvor slurryene skal anvendes varierer innenfor brede grenser og at slike parametre ikke kan kontrolleres.

I tillegg kan sammensetningene og de lagringsdyktige slurryene ifølge oppfinnelsen anses som ikke- tilstrekkelig aktivert slik at herdingen ikke finner sted på overflaten (ut av brønnen). Aktiveringen vil kun finne sted når sammensetningene og de sementholdige slurryene er kjemisk og termisk aktivert som skjer ved tilsetning av aktivatorer og ved den indre temperaturen i borehullet. Således, uten behov for herderetardanter ifølge teknikkens stand, blir flytende slurryer oppnådd som er lagringsdyktige ved omgivelsestemperatur i lengre perioder, for eksempel 72 timer eller mer.

Foreliggende oppfinnelse omfatter lagringsdyktig sammensetning egnet for sementering av en olje- og gassbrønn, kjennetegnet ved at den omfatter masovnslagg som hydraulisk materiale og en vandig kontinuerlig fase som danner en sementholdig slurry, hvori mengden av aktivatorer i nevnte sammensetning ikke er tilstrekkelig til å bevirke herding av sammensetningen i løpet av 72 timer, ved omgivelsestemperatur, mens det tilveiebringes en effektiv herdetid på opp til 24 timer i et borehull ved borehullstemperaturer, der sammensetningen ikke omfatter herdeinhibitor, og omfatter: (a) fra 570 til 1428 kg masovnslagg pr. m<3>slurry som skal fremstilles; (b) fra 0,01 til 13 vekt-% aktivator, basert på vekten av nevnte slagg; og (c) balansen av sammensetningen omfatter vannbasert kontinuerlig fase, og eventuelt additiver.

Videre omfatter foreliggende oppfinnelsen anvendelse av en av sammensetningene ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, for pumping til et olje- eller gassborehull og sementering av olje- eller gassbrønn.

Således tilveiebringer den foreliggende oppfinnelsen sammensetninger og sementholdige slurryer som er lagringsdyktige ved omgivelsestemperatur for å kunne anvendes i olje- og gassbrønner, vertikale, avvikende og horisontale brønner, hvor nevnte slurryer er formulert basert på masovnslagg som hydraulisk materiale, aktivatorer, vannbasert borefluid eller vann, eller en blanding av samme, så vel som vanlige additiver for borefluid og sementholdige slurryer.

Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer ytterligere anvendelse av sammensetninger og sementholdige slurryer lagringsdyktige ved omgivelsestemperatur, hvor slurryen er fullstendig fri for aktivator, hvor aktivatoren tilsettes umiddelbart før slurryen pumpes til borehullet.

Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer også anvendelse av sammensetninger og sementholdige slurryer lagringsdyktige ved omgivelsestemperatur, hvor slurryen inneholder en del av aktivatoren som kreves for å herde, mens en annen del av aktivatoren tilsettes umiddelbart før slurryen pumpes til brønnen.

Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer også sammensetninger og sementholdige slurryer lagringsdyktige ved omgivelsestemperatur hvor den korrekte mengden av aktivatorparametre gjør at slurryen holdes i flytende tilstand i lengre perioder på 72 timer eller mer, og blandes med retardanter spesifikt designet for å retardere herdingen av slurrysammensetningene så vel som aktivatorer for å reversere effekten av retardanten. 1 tillegg tilveiebringer den foreliggende oppfinnelsen en forbedring ved operering av olje- og gassbrønnsementering ved homogeniteten av den slagginneholdende slurryen, som oppnås uten risiko for herding på overflaten, så vel som ved operasjonens enkelhet, og dette gir mindre fare for operasjonssvikt og kortere operasjonsperiode.

Den foretrukne utførelsesformen beskrevet nedenfor sammen med de vedlagte eksemplene illustrerer prinsippene ifølge oppfinnelsen.

Ifølge den foreliggende beskrivelsen og kravene er herderetardant eller retardant alle additiver som anvendes i slurryen for å hindre herding av slurryen før nevnte slurry pumpes ned i brønnringrommet, og herdeinhibitor eller inhibitor er alle additiver som anvendes i slurryen for å muliggjøre lagring av samme i flytende tilstand for lengere perioder, for eksempel 72 timer eller mer.

Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer fordelaktig sammensetninger og lagringsdyktige slurryer for brønnsementering som kan fremstilles på forhånd, lagres, transporteres og tas til anvendelsesstedet på et passende tidspunkt, uten behovet for umiddelbar anvendelse som er vanlig i slurryer ifølge teknikkens stand. En slik fordel oppnås eksklusivt ved å justere de relative mengdene av slurrybestanddeler, blandet med herdeinhibitorer og aktivatorer for å reversere virkningen av inhibitorene, slik som er godt kjent for vanlige slurryer.

Sementeringsoperasjoner ifølge teknikkens stand krever at slurryen anbringes til borehullet, idet det hydrauliske materialet blandes med blandevannet (vann pluss additiver) for å hindre at herding finner sted i tanker og sementrør eller fremdeles inne i foringsrøret. En hvilken som helst av disse situasjonene utgjør en operasjonsulempe, i tillegg til skader på grunn av tapt materiale, arbeidstid og bortkastet riggtid, og til og med i ytterste konsekvens, ødeleggelse av brønnen. Denne måten å utføre sementeringsoperasjonen, ved å blande hydraulisk materiale og blandevann, fulgt av plassering i borehullet forårsaker en variasjon i konsentrasjon av hydraulisk materiale i slurryen, som i sin tur medfører en variasjon i fysiske egenskaper, tetthet, sammenpresningsstyrke etc.) som derfor fører til at lavkvalitetssement blir korrigert ved pressing, med den konsekvensen at kostnadene øker.

En måte å unngå oscillasjon i konsentrasjon av hydraulisk materiale er å anvende en blander i stand til å fremstille hele den påkrevde mengden for sementeringsoperasjonen i en enkel batch (en såkalt batch-mikser). Imidlertid øker slurryene fremstilt ved anvendelse av denne typen blander kostnadene ved sementeringsoperasjonen av olje- og gassbrønner.

Vanligvis innbefatter sementholdige slurryer sement, fersk- eller saltvann og forskjellige andre additiver slik som drøyemidler, styrketilbakegangskontrollører, akseleratorer og retardanter, fluidtapsadditiver, dispergeringsmidler og vektmidler.

For at de sementholdige slurryene skal vise de ønskede egenskapene, anvendes et antall additiver. Eksempler er bentonitt, silika, kalsiumklorid, lignosulfat og relaterte produkter, borsyre, hydroksyetylcellulose, karboksymetylcellulose og andre cellulosederivater, vinsyre, sitronsyre og andre karboksylsyrer, naftalensulfonsyresalt, baritt og hematitt.

I den foreliggende beskrivelsen og kravene betyr begrepet "vannbasert fluid" et fluid hvori den kontinuerlige fasen er vann. Eksempler er ferskvann, salt, sjøvann eller andre vandige fluider isolert eller kombinert, slik som vannbaserte borefluider.

Vannbaserte borefluider innbefatter typisk vann og forskjellige andre additiver slik som viskosefremmere, fluidtapsadditiver, dispergeringsmidler, oppløste salter, alkaliske midler, faststoff fra den perforerte formasjonen, vektmidler, formasjonsstabilisatorer, smøremidler for borefluid og anti-skummemidler.

For at borefluidene skal vise de ønskede egenskapene, har forskjellige additiver blitt anvendt. Eksempler er bentonitt, polyakrylamid, guargummi, xantangummi, karboksymetylcellulose, stivelse, tanninforbindelser, lignosulfonat, polyakrylat, natriumklorid, kaliumklorid, kalsiumkloritt, natriumhydroksid, kaliumhydroksid, kalsiumhydroksid, leiretyper, bariumsulfat eller baritt, jernoksid, kalsiumkarbonat, smøreolje, oktylalkohol og aluminiumstearat.

Størkning av et borefluid kan oppnås ved å tilsette masovnslagg som hydraulisk materiale sammen med additiver for å kontrollere herdetiden og de reologiske egenskapene til fluidet, som er blitt slaggbehandlet.

Masovnslagg er et ikke-metallisk produkt, som består i det vesentlige av kalsiumsilikater og kalsiumaluminosilikater, og andre baser, og blir produsert i smeltet tilstand simultant med jern i en masovn. Masovnslagg er derfor et biprodukt ved produksjonen av jern og stammer fra kombinasjonen av materialer fra residuet fra jernmalm, kullasker og fra kalk anvendt som smelter. Idet tettheten til slagg er lavere enn jern, blir slagget helt i smeiten som den øvre fasen ved temperaturer vanligvis mellom 2250°C og 2900°C. En slik blanding blir deretter raskt avkjølt for å oppnå glassaktig og pulverisert materiale, i stand til å utvikle hydraulisk aktivitet.

Masovnslagg (eller slagg) viser de samme forbindelsene som sement, imidlertid ved forskjellige konsentrasjoner. Tabell 1 nedenfor illustrerer den typiske kjemiske sammensetningen av masovnslagg og Portland-sement klasse G, begge fremstilt i Brasil.

Hydratiseringsprosessen til slagg omfatter oppløsning av de vannfrie forbindelsene, fulgt av presipitering av de hydratiserte forbindelsene. Agglomereringsegenskapene til slagget avhenger av tilfredsstillende aktivering.

Således anses slagg som en latent hydraulisk forbindelse, siden den trenger aktivering for å herde. Den påkrevde aktiveringen kan tilveiebringes ved termisk energi, kjemiske aktivatorer eller ved mekanisk energi. Aktiveringen øker løseligheten av slagg og/eller favoriserer presipiteringen av de hydratiserte forbindelsene.

Den mekaniske aktiveringen oppnås ved maling av slagg: dess høyere overflateareal, dess større oppløsning av slagg. Partikkelreduksjon i størrelse øker overflatearealet og derfor kontaktarealet og dette øker hydratiseringshastighetene.

Termisk aktivering oppnås ved å øke temperaturen på slagget, og dette øker også løseligheten av slagget i løsning.

Kjemisk aktivering finner sted ved kombinasjonen av to parametre: øke oppløsningshastigheten av slagg forårsaket av en økning i pH, og bevirke presipitering av de hydratiserte forbindelsene ved økning i konsentrasjonen av ioner i løsning eller å forandre løseligheten av slaggforbindelsene.

Den høye pHen til den slagginneholdende løsningen øker slaggløseligheten og som en konsekvens av dette dens hydratisering, siden oppløsningen av samme bevirkes ved et hydroksylangrep (dvs. angrep av OH-ioner), mens oppløsningen av sementklinkeren finner sted ved et hydrolytisk angrep (dvs. virkningen av vannmolekyler). Hydroksylioner kan tilveiebringes enten ved sterke baser, slik som natriumhydroksid; natriumsilikat av lav Si02/Na20-forhold eller ved svake baser, slik som natriumkarbonat, eller natriumsilikat med høyt SiC^/TSføO-forhold.

Reaktiviteten til slagget avhenger av forskjellige parametre, slik som graden av forglassing, kjemisk og mineralsk sammensetning og finhet.

Graden av forglassing øker dramatisk reaktiviteten: krystallinsk slagg, oppnådd ved langsom avkjøling, hydratiseres ikke. Dess raskere avkjøling, dess høyere grad av forglassing av slagget og derfor større hydraulisk potensial av slagget. Eksperimentelle data indikerer tilstedeværelsen av 3 til 5 vekt-% krystaller i slagget for å forbedre deres reaktivitet.

Den kjemiske sammensetningen av slagg er relatert til mengden av jernmalm, så vel som beskaffenheten av smeiten, anvendelsen av kull eller trekull som drivstoff, reduksjonsaktivator etc. Generelt er et basisk slagg mer reaktivt enn et surt.

Avhengig av finheten som kan evalueres ved å bestemme overflatearealet, vil høyere overflateareal gi større reaktivitet. Analogt, dess høyere temperaturen er, dess høyere er reaktiviteten til prøven av

slagg.

Til tross for det faktum at flere typer slagg kan anvendes for formålet ifølge oppfinnelsen, er et foretrukket slagg et masovnslagg, et biprodukt ved fremstilling av masjern, som har en forglassingsgrad høyere enn 90 vekt-% og et overflateareal mellom 200 og 600 mVkg.

De reologiske egenskapene til borefluid koblet med slagg kan modifiseres ved hjelp av vanlige kjemiske dispergeringsmidler for vannbaserte borefluider, slik som lignosulfonater, naftalensulfonater, fenolsulfonater, fosfater, fosfonater, sulfonert styrenmaleinsyreanhydrid, polyakrylat, polymetakrylater, blandinger av polyakrylater og polymetakrylater, akrylsyre-akrylamidkopolymerer, eller blandinger av noen av disse klassene forutsatt at forbindelsene er kjemisk kompatible ved at de ved blanding opprettholder deres evne til å dispergere partikler i borefluidet.

I lys av det faktum at slagget er et latent hydraulisk materiale, er aktivering påkrevet for å oppnå en slurry med anvendelige egenskaper. Aktiveringen av det slagginneholdende borefluidet krever vanligvis anvendelsen av kjemiske aktivatorer ved siden av termisk aktivering. I sammensetningene beskrevet i litteraturen blir kjemiske aktivatorer anvendt i en mengde slik at de bevirker herding i løpet av relativt kort tid, fra noen minutter til noen timer.

Som kjemiske aktivatorer kan syrer og baser anvendes, da slike forbindelser øker pHen til den flytende delen av en blanding av vannbasert fluid/masovnslagg. I lys av det faktum at den termiske energien bidrar til den totale aktiveringsenergien, kan typen kjemiske aktivatorer og mengden av samme variere. Sterke baser blir vanligvis anvendt ved lave temperaturer, mens svake baser kan anvendes når temperaturen er høyere.

Aktivatoren kan utgjøres av en blanding av baser og baser kombinert med chelatinerings-, komplekserings- eller sekvesteringsmidler.

Ved lave temperaturer er det fordelaktig å anvende hydroksider av alkali- og jordalkalimetaller slike som litiumhydroksid, natriumhydroksid, kaliumhydroksid, kalsiumhydroksid, magnesiumhydroksid og bariumhydroksid. De mer løselige hydroksidene er mer egnede aktivatorer for lave temperaturer. Det er antatt at den høyere løseligheten i vann ved lave temperaturer er hovedgrunnen til den bedre ytelsen til disse aktivatorene ved lave temperaturer. Dette er grunnen til at de vanligst anvendte hydroksidene ved lave temperaturer er natriumhydroksid, kaliumhydroksid, litiumhydroksid og bariumhydroksid. Disse hydroksidene har er mer uttalt effekt på herdetiden av den slagginneholdende sementslurryen.

De vanlige konsentrasjonene av slike hydroksider er mellom 0,01 og 5 vekt-% basert på vekten av slagg i sammensetningen. Foretrukne konsentrasjoner er mellom 0,5 og 5 vekt-% basert på vekten av slagg, og den mer foretrukne konsentrasjonen er mellom 1 og 2 vekt-% basert på vekten av slagg av sammensetningen av sementholdig slurry.

Videre kan sammensetningen ifølge oppfinnelsen også inneholde en svakere alkalimetallbase som del av aktivatormidlet, for eksempel en karbonat- eller fosfatgruppeinneholdende svakere base.

Spesielt fremviser karbonationet en fordelaktig effekt på utviklingen av sammenpresningsstyrke og sluttsammenpresningsstyrke på den slagginneholdende blandingen. Noen anioniske forbindelser kan delvis erstatte karbonatet i aktivatoren og dette forårsaker en betydelig effekt på sammenpresningsstyrken. Alkalimetaller og jordalkalimetallkarbonater blir vanligvis anvendt som en komponent i den totale aktivatoren som innbefatter litiumkarbonat, natriumkarbonat, kaliumkarbonat, kalsiumkarbonat, magnesiumkarbonat, bariumkarbonat og natrium og kaliumkarbonat. På samme måte som med de alkaliinneholdende hydroksylgruppene tilveiebringer høyere løselighet sterkere effekt. Mer vanlig anvendte forbindelser som anvendes i sammensetningen ifølge oppfinnelsen innbefatter natriumkarbonat, kalsiumkarbonat og natrium og kalsiumkarbonat. Konsentrasjonen av disse forbindelsene anvendt i sammensetningene ifølge oppfinnelsen innbefatter 0,01 og 8 vekt-% basert på vekten av slagg i sammensetningen, hvor den foretrukne sammensetningen er mellom 0,5 og 6 vekt-% basert på vekten av slagg i sammensetningen, og det maksimale innholdet er mellom 1,5 og 2,5 vekt-% basert på vekten av slagg tilstede i sammensetningen.

Derfor innbefatter en typisk sammensetning ifølge oppfinnelsen en totalmengde aktivatorer mellom 0,01 vekt-% og 13 vekt-% basert på vekten av slagg, en sterk base slik som NaOH som innbefatter mellom 0,01 og 5 vekt-% basert på vekten av slagg i sammensetningen, mens den svake basen slik som Na2C03er tilstede i en mengde mellom 0,01 og 8 vekt-% basert på vekten av slagg.

Analogt med karbonationet, er fosfationet en anionisk kjemisk forbindelse som kan bidra til sammenpresningsstyrken. Imidlertid tenderer de fosfationeinneholdende forbindelsene til å retardere hydratiseringen av slagg sterkere enn karbonationet. Basiske fosfater slike som natriumpyrofosfat, natriumheksametafosfat og tetranatriumpolyfosfat finner anvendelse i formuleringer for kontrollering av herdetiden og bidrar til utviklingen av sammenpresningsstyrken. Blant disse viser natriumpyrofosfat størst potensial. Typiske konsentrasjoner er mellom 0,01% og 15 vekt-% basert på vekten av slagg, foretrukket mellom 0,5 og 8 vekt-% basert på vekten av slagg.

Citration kan også bidra til sammenpresningsstyrken. Alkali- og jordalkalimetallsalter av sitronsyre slik som natriumcitrat, kalsiumcitrat og kaliumcitrat er godt kjente.

Som for de reologiske egenskapene av slurryen, er citrat- og fosfatinneholdende forbindelser fordelaktige sammenlignet med karbonat eller hydroksylforbindelser. Citrat- og fosfatinneholdende forbindelser er effektive dispergeringsmidler for slagg og leire i borefluidformuleringer. Således gjør nevnte forbindelser det mulig med slurrysammensetninger med lavere vanninnhold eller bedre reologiske egenskaper.

Andre aktivatorkomponenter innbefatter et chelatinerings-, komplekserings- eller sekvesteringsmiddel. Slike forbindelser innbefatter fosfatet og citrationet beskrevet tidligere. Andre komponenter er etylendiamintetraeddiksyre (EDTA) og deres salter, fosforsyrer og deres salter, glutamsyre og deres salter etc. Det er foretrukket å anvende salter siden syreformene reagerer med tilsatte baser for den kjemiske aktiveringen. Løselige salter er foretrukket, slik som natrium- og kaliumsalter.

Konsentrasjonen av aktivatorer er vanligvis valgt slik at det gir maksimal sammenpresningsstyrke for en gitt konsentrasjon i slagg. Den totale optimale konsentrasjonen refereres til basert på slagget som anvendes i sammensetningen. Dette velges ut for å oppnå et optimalt forhold mellom aktivatorer og slagg. Det optimale vektforholdet av aktivatorer i forhold til slagg reduseres med økningen i temperatur. Optimale forhold kan også variere avhengig av forbindelsene som anvendes som aktivatorer.

I den foreliggende oppfinnelsen, i utførelsesformen hvor sammensetningene er ikke-fullstendig aktivert, blir forholdet mellom aktivatorer basert på slagg valgt slik at slagget blir ufullstendig aktivert slik at slaggslurryene holdes flytende ved omgivelsestemperatur for lengre perioder, for eksempel 72 timer eller mer. Således består mengden for eksempel av natriumhydroksid (NaOH) og natriumkarbonat (Na2C03) mellom 0,01 og 13 vekt-% basert på vekten av slagg tilstede i sammensetningen, foretrukket mellom 1,0 og 10 vekt-% og mer foretrukket mellom 1,5 og 4,5 vekt-%.

I utførelsesformen hvor sammensetningen holdes fri for aktivatorer opp til umiddelbart før sammensetningen pumpes inn i borehullet, kan forholdet mellom aktivatorene være et hvilket som helst, forutsatt at mengden av aktivatorer fører til herding etter plassering av slurryen i borehullet. Det er godt kjent for eksempel at overskudd av aktivatorer hindrer herding av slurryen.

I utførelsesformen ifølge oppfinnelsen hvor en del av den påkrevde mengden av aktivatorer tilsettes i en mengde på 0,01 til 13 vekt-% basert på vekten av slagg i sammensetningen av slurry, og umiddelbart før pumping av slurryen til borehullet, blir en annen porsjon av aktivatorene tilsatt, hvor en slik mengde kan være en hvilken som helst forutsatt at slurryen herder i borehullet.

Ifølge oppfinnelsen menes omgivelsestemperatur den temperatur hvorved slurryen blir behandlet, opp til vanlig omgivelsestemperatur, for eksempel 25 til 30°C. For land med omgivelsestemperaturer høyere enn 30°C bør mengden aktivatorer tilpasses til lavere grenser, siden det vil være en viss overflateaktivering på grunn av høyere omgivelsestemperaturer.

I motsetning til publikasjonene i litteraturen og en måte som ikke er sitert eller foreslått som gjør den foreliggende oppfinnelsen patenterbar og forskjellig fra alle publiserte artikler, anvender ikke oppfinnelsen herdeinitiatorer (retardanter). Dette betyr, slik det er inngående forklart i de refererte publikasjoner, at det kreves inhibitorer for at slurrysammensetningen skal aktiveres, og ytterligere anvendelse av aktivatorer for å nøytralisere effekten av inhibitorer. Det er helt klart at slike ytterligere kjemiske reagenser og etterfølgende operasjoner av blandinger og menneskeinnsats øker kostnadene ved sementeringsoperasjonen slik det er beskrevet i litteraturen.

I motsetning til dette, i en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen, blir slurryen som ikke er tilstrekkelig aktivert med kjemiske aktivatorer ikke herdet raskt ved omgivelsestemperatur, imidlertid tilstrekkelig aktivert slik at herdingen finner raskt sted i borehullet.

I en annen utførelsesform blir slurryen ikke aktivert slik at den ikke herder ved omgivelsestemperatur, imidlertid blir kjemiske aktivatorer tilsatt umiddelbart før slurryen pumpes inn i borehullet slik at slurryen herder raskt ved temperaturen i borehullet. Dette trekket gjør det mulig at slurryen kan fremstilles på forhånd, som forbedrer kvaliteten som et resultat av at sammensetningen er enhetlig og også reduserer operasjonstiden, siden det kun er nødvendig å anbringe slurryen i borehullet.

For to formuleringer av slurryer ifølge oppfinnelsen som har opimaliserte slaggmengder og aktivatorer, vil den mest dispergerte formuleringen som sådan utvikle bedre sammenpresningsstyrke etter herding. Flere komplekserings-, sekvesterings- eller chelatineringsmidler nevnt ovenfor er gode dispergeringsmidler for slagg i borefluider.

Generelt i laboratoriet kan de lagringsdyktige sammensetningene ifølge oppfinnelsen fremstilles ved å blande masovnslagg, additivene i riktig mengder og den vandige kontinuerlige fasen. Rekkefølgen ved tilsetning av bestanddelene er ikke kritisk, imidlertid er det foretrukket å tilsette først de vannbaserte fluidene, fulgt av sementerings- og boreadditiver, aktivatorer og slagg.

Blandingen blir fremstilt under røring med kontrollert rotasjonshastighet slik som en Waring-blander. Bestanddelene innveies på en skala som har en presisjon på 0,01 g. Etter innveiing blir de vannbaserte fluidene (vannbasert borefluid, ferskvann, saltvann etc.) tilsatt til blandingskoppen og rørt under en rotasjonshastighet på 4.000 rpm, i løpet av 15 sekunder. De faste bestanddelene blir tilsatt til væskeblandingen én etter én under en rotasjonshastighet på 4.000 rpm i løpet av en tid tilstrekkelig til at alle bestanddelene blir dispergert eller oppløst i slurryen som fremstilles. I løpet av tilsetningen av slagg ved slutten av innblandingen, blir rotasjonen generelt økt til 12.000 rpm for å forbedre og lette dispergeringen i slurryen. Blandingstiden kan ta fra noen få sekunder til noen få minutter. Generelt blir additivene og aktivatorene rørt i ca. 50 sekunder, mens slagget kan røres i noen minutter.

I laboratoriet blir bedømmingen av egenskapene til slurryen utført ved tester slik som sammenpresningsstyrke, fortykningstid, reologi, filtrat (fluidtap), tetthet og fritt vann. Disse testene utføres ifølge Spesifikasjon 10 til "the American Petroleum Institute

(API)".

Før lagring av slurryen for å bestemme lagringstiden, blir egenskapene til sammensetningen målt for å forsikre om dens egnethet i olje- og gassbrønner. Idet egnetheten til slurryen er bestemt, blir slurryen fremstilt, de reologiske parametrene (plastisk viskositet, flytegrense og geler) målt og slurryen lagres i flasker med hette for å unngå tap av vann. De reologiske parametrene blir periodisk målt ved 27°C for å overvåke hvordan egenskapene til slurryen har blitt modifisert. Når slurryen er for viskøs og gelaktig, er den vanskelig å pumpe og derfor er ikke dens egenskaper lenger egnet og herdingen oppnås i løpet av noen timer. Ved starting av herdingen av slurryen (set), blir testen avsluttet og lagringstiden oppmålt som antallet dager mellom fremstillingen av slurryen og dagen før herdingen.

På feltet blir de lagringsdyktige sammensetningene ifølge oppfinnelsen fremstilt i en blandetank på riggen eller en sementeringsenhet (dette er en tan tilveiebrakt med mekanisk røring og/eller hydraulisk resirkulasjon). Bestanddelene blir innveid på en skala med 1 kg presisjon. Etter innveiing blir de vannbaserte fluidene (vannbasert borefluid, rent vann, saltvann etc.) tilsatt til blandetanken og rørt i noen minutter. De faste bestanddelene blir tilsatt til den flytende blandingen én etter én i løpet av en tilstrekkelig tid til at bestanddelene dispergerer eller løses opp i slurryen, som fremstilles. Normalt kreves noen timer å fremstille en slurry.

Den foreliggende oppfinnelsen vil nå bli illustrert ved følgende eksempler.

EKSEMPEL 1

I løpet av sementeringsoperasjonen av foringsrøret som har 9 5/8" diameter (0,244 m) av en brønn fra Parana-bassenget, kommune i Pitangas, Brasil, blir en prøve av slurryene fremstilt i sementeringsenheten samlet opp før den ble plassert i brønnen. To slurryer ble anvendt i brønnen. Den første, kalt utvidet, ble plassert over den andre slurryen, kalt normal, som ble plassert nær skoen til foringsrøret.

Tabell 2 viser sammensetningen til den utvidede slurryen anvendt i brønnen under studien. En prøve av en slik slurry ble lagret i 3 dager ved omgivelsestemperatur (rundt 24°C) og herdingen (størkning) fant ikke sted. Umiddelbart etter oppsamling av prøven ble sammenpresningsstyrken bestemt, hvoretter herding i 24 timer ved 55°C (131°F, statisk temperatur i brønnen) var 1220 psi (8.412 MPa). Den oppnådde verdien er egnet for sementering av foringsrøret. CBL/VDL/CET-logging av brønnen indikerer at slurryen har oppfylt målene for en sementeringsoperasjon.

Tabell 3 nedenfor viser sammensetningen av den normale slurryen som ble anvendt i brønnen under studien. En prøve av nevnte slurry ble lagret i 16 dager ved omgivelsestemperatur, rundt 24°C, og ingen størkning fant sted. Sammenpresningsstyrken ved 8 timers lagring ved en temperatur på 84°C (184°F, bunnhull statisk temperatur) målt 3 og 16 dager etter pumping av slurryen, var respektivt 1.017 psi (7,012 Mpa) og 1.000 psi (6,895 Mpa). Disse verdiene er egnet for formålet med å sementere foringsrøret.

Tabell 4 nedenfor viser at de reologiske egenskapene til slurryen gjennomgår små forandringer med lagring. Sementloggingen av brønnen indikerer en god sementkvalitet.

EKSEMPEL 2

En prøve av slurryen ble satt tilside umiddelbart etter fremstilling, før anbringelse i en brønn i "the Northeast Production Area", Rio Grande do Norte, Brasil. Tabell 5 nedenfor viser sammensetningen av slurryen anvendt ved sementering av foringsrøret i produksjonsbrønnen som ble studert. Prøven ble lagret i 24 dager ved omgivelsestemperatur (rundt 24°C) uten størkning. Sammenpresningsverdien ved 24 timers herdetid ved 73°C (164°F, bunnhull statisk temperatur) som målt umiddelbart etter slurryen ble fremstilt og 6 dager senere, var respektivt 1900 psi (13,10 Mpa) og 1.810 psi (12,84 Mpa).

Tabell 6 nedenfor viser ytterligere egenskaper til nevnte slurry. Disse verdiene er egnet for sementering av produksjonsforingsrøret.

Tabell 7 nedenfor viser at de reologiske parametrene til slurryen gjennomgår kun små forandringer med lagringstiden. Sementloggingen av brønnen indikerte en egnet sementeringsytelse.

YTTERLIGERE EKSEMPLER

Tabell 8 nedenfor viser formuleringer A opp til H som er eksempler på slaggslurry som holdt seg flytende ved omgivelsestemperatur i minst 7 dager, og størknet i løpet av få timer ved brønntemperaturen.

Formulering i Tabell 9 er formulering F i tabell 8 uten tilsetning av aktivatorene NaOH og Na2CC<3. Formulering I ble holdt flytende i mer enn 27 dager. Ved tilsetning av aktivatorer etter 28 dager ble slurryen gjort til gjenstand for herdetemperaturer tilsvarende formulering F, 80°C, som viste den høyeste sammenpresningsstyrken, 1.626 psi (11,21 Mpa), som er egnet for sementering av oljebrønner.

Claims (19)

1. Lagringsdyktig sammensetning egnet for sementering av en olje- og gassbrønn,karakterisert vedat den omfatter masovnslagg som hydraulisk materiale og en vandig kontinuerlig fase som danner en sementholdig slurry, hvori mengden av aktivatorer i nevnte sammensetning ikke er tilstrekkelig til å bevirke herding av sammensetningen i løpet av 72 timer, ved omgivelsestemperatur, mens det tilveiebringes en effektiv herdetid på opp til 24 timer i et borehull ved borehullstemperaturer, der sammensetningen ikke omfatter herdeinhibitor, og omfatter: (a) fra 570 til 1428 kg masovnslagg pr. m<3>slurry som skal fremstilles; (b) fra 0,01 til 13 vekt-% aktivator, basert på vekten av nevnte slagg; og (c) balansen av sammensetningen omfatter vannbasert kontinuerlig fase, og eventuelt additiver.

2. Lagringsdyktig sammensetning ifølge krav 1,karakterisertved at masovnslagget er et biprodukt fra smeltingen av jernmalm.

3. Lagringsdyktig sammensetning ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat aktivatoren innbefatter en eller flere alkaliforbindelser, isolert eller i blanding, kombinert med eller ikke kombinert med chelatinerings-, komplekserings- eller sekvesteringsmidler.

4. Lagringsdyktig sammensetning ifølge krav 3,karakterisertv e d at alkaliforbind eisene er valgt fra litiumhydroksid, natriumhydroksid, kaliumhydroksid, kalsiumhydroksid, magnesiumhydroksid, bariumhydroksid, litiumkarbonat, natriumkarbonat, kaliumkarbonat, kalsiumkarbonat, magnesiumkarbonat, bariumkarbonat, natrium- og kaliumkarbonat, natriumpyrofosfat, natriumheksametafosfat og tetranatriumpolyfosfat.

5. Lagringsdyktig sammensetning ifølge krav 4,karakterisertv e d at aktivatorene er natriumhydroksid og natriumkarbonat.

6. Lagringsdyktig sammensetning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat den foretrukne mengden av aktivator er mellom 0,1 og 10 vekt-%, og den mest foretrukne mengden er mellom 1,5 og 4,5 vekt-%, basert på vekten av nevnte slagg.

7. Lagringsdyktig sammensetning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat aktivatoren inneholder en sterk alkali som bærer et hydroksylion.

8. Lagringsdyktig sammensetning ifølge krav 7,karakterisertv e d at nevnte alkali er natriumhydroksid, kaliumhydroksid eller en blanding av samme, nevnte alkali er tilstede i en mengde på 0,01 til 5 vekt-%, foretrukket mellom 0,5 og 4 vekt-%, og enda mer foretrukket mellom 1 og 2 vekt-% basert på mengden av nevnte slagg.

9. Lagringsdyktig sammensetning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat aktivatoren inneholder en svak alkali.

10. Lagringsdyktig sammensetning ifølge krav 9,karakterisertv e d at den svake alkalien innbefatter et karbonat og/eller et fosfat.

11. Lagringsdyktig sammensetning ifølge krav 10,karakterisertved at karbonatet er et natriumkarbonat, kaliumkarbonat eller en blanding av samme, i en mengde på 0,01 til 8 vekt-%, foretrukket mellom 0,5 og 2,5 vekt-%, og enda mer foretrukket mellom 1,5 og 2,5 vekt-% basert på vekten av nevnte slagg.

12. Lagringsdyktig sammensetning ifølge krav 10,karakterisertog 8,0 vekt-%, basert på vekten av nevnte slagg.

13. Lagringsdyktig sammensetning ifølge krav 3,karakterisertv e d at chelatinerings-, sekvesterings- eller komplekseringsmidlene innbefatter fosfater, citrater, etylendiamintetraeddiksyre eller dets salter, fosforsyrer eller deres salter, glutamsyre eller deres salter i en mengde mellom 0,01 vekt-% og 15 vekt-%, mer foretrukket mellom 0,5 vekt-% og 8 vekt-%, basert på vekten av nevnte slagg.

14. Lagringsdyktig sammensetning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat den vannkontinuelige fasen innbefatter vanlig ferskvann, saltvann, sjøvann, isolert eller i blanding i en hvilken som helst mengde, eller et hvilket som helst annet vannbasert borefluid.

15. Lagringsdyktig sammensetning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat den er fremstilt ved sammenblanding av bestanddelene i påkrevde mengder ved omgivelsestemperatur i en tank tilveiebrakt med mekanisk og/eller hydraulisk sirkulasjonsrører, de faste bestanddelene tilsettes separat til en blanding av vannbaserte fluider i løpet av en tilstrekkelig tid slik at nevnte faste stoffer dispergeres eller løses i den flytende fasen, og slurryen som oppnås, holdes som et fluid i minst 72 timer.

16. Lagringsdyktig sammensetning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat additivene er valgt fra drøyemidler, styrketilbakegangskontrollører, akseleratorer, fluidtapsadditiver, dispergeringsmidler og vektmidler.

17. Anvendelse av en av sammensetningene ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, for pumping til et olje- eller gassborehull og sementering av olje- eller gassbrønn.

18. Anvendelse av en sammensetning ifølge krav 17, der den effektive mengden av aktivator tilsettes umiddelbart før pumping av slurryen til brønnen, mens en effektiv herdetid tilveiebringes i borehullet.

19. Anvendelse av en sammensetning ifølge krav 17, der den effektive mengden av aktivator tilsettes i to porsjonstrinn: (a) en tilstrekkelig mengde tilsettes for å holde den sementholdige slurrysammensetningen suspendert ved romtemperatur, og (b) en komplementerende mengde tilsettes umiddelbart før pumping av den sementholdige slurryen til brønnen, mens en effektiv herdetid tilveiebringes i borehullet.