NO333357B1

NO333357B1 - Lettvekts sementoppslemming

Info

Publication number: NO333357B1
Application number: NO20014877A
Authority: NO
Inventors: Alain Rivereau; Christine Noik; Annie Audibert Hayet
Original assignee: Inst Francais Du Petrole
Priority date: 2000-10-09
Filing date: 2001-10-08
Publication date: 2013-05-13
Also published as: EP1195362A1; NO20014877L; CA2358655C; CA2358655A1; US20020062764A1; NO20014877D0; EP1195362B1; ATE293090T1; DE60110012D1; FR2815029A1; FR2815029B1; US6656263B2; DE60110012T2

Abstract

Foreliggende oppfinnelse angår sementeringen av en brønn, spesielt en oljebrønn, ved hjelp av en injiseringsmørtel med lav densitet. Oppslemmingen omfatter sement, minst ett mineralfyllstoff. vann, en bestemt mengde av en harpiks av akrylisk type og eventuelt en dispergeringspolymer og som fortrinnsvis er av hydrofil/hydrofob type.

Description

I

Foreliggende oppfinnelse angår spesielt operasjoner som gjennomføres for å utvikle undergrunnsreservoarer som inneholder hydrokarboner. Det å sementere krever generelt injisering ved å pumpe en sementoppslemming som sirkule-rer i rør fra overflaten. Formålet er å sementere ringrommet som er avgrenset mellom utsiden av foringsrøret og brønnhullet.

Konvensjonelle sementoppslemminger har generelt en densitet som er over 1800 kg/m<3>. Spesifikke operasjoner så som dypvannsboring krever høy-ytel-sesinjiseringsmørtel med en lav densitet. Den mest konvensjonelle metode for å gjøre oppslemmingen lettere består i å øke vann/sement-forholdet (angitt som E/C i den følgende beskrivelsen), noe som imidlertid går på bekostning av de me-kaniske egenskapene til det engang stivnede materialet. Minimumsdensiteten for en oppslemming som kan oppnås ved å øke E/C-forholdet, uten kohesjonstap for sementmatriksen, er ifølge forfatterne i området mellom 1260 kg/m3 og 1450 kg/m<3>. En annen måte å gjøre sementinjiseringsmørtler lettere består i å tilsette lavdensitetsmaterialer til en konvensjonell oppslemmingsformulering, så som kull-støv, gilsonitt, valnøttskall,...

Dokument US-5 252 128 beskriver en blanding av sement, styren/butadien-harpiks og alkylfenol-overflateaktivt middel, inneholdende 5 til 30 vekt% harpiks i forhold til sementen, hvilket gir god regulering av filtreringsegenskapene til oppslemmingen.

Dokument US-4 721 160 beskriver en blanding av sement og styren/buta-dien-harpiks som inneholder en svært høy andel vann (70%), som gjør det mulig å oppnå en lettere sement hvis densitet er i området mellom 1,2 og 1,6.

Det har også blitt vist at en optimalisering av kornstørrelsen av de forskjellige bestanddelene gjør det mulig å oppnå blandinger med et bredt densitets-område.

Patent WO-99/23 046 beskriver en oljebrønnsement med svært lav perme-abilitet og høy mekanisk styrke basert på sement, silika og mikrosilika. De således oppnådde oppslemmingene har en densitet på ca. 2,3.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en lettvekts sementoppslemning som omfatter sement, minst ett mineralfyllstoff, vann og et kjemisk inert fyllstoff av harpikspartikler (VASA) som er oppnådd ved polymerisasjon av vinylaromatiske monomerer, alkylakrylatmonomerer og monomerer av akrylisk type, mer eller mindre tverrbundet.

Harpikspartiklene har en densitet nær 1,03, og en kornstørrelse som er under 100 ujti (80% av partiklene er i området mellom 0,1 og 100 ujti).

Denne VASA harpiksen er organisk løselig, dvs. partiklene løser seg ikke i oppslemmingsvannet, men de forblir i form av en dispersjon blandet med de andre partiklene. VASA harpiksen er spesielt karakterisert ved:

en glassovergangstemperatur over 55°C,

når harpiksen er i løsning i xylen ved 10%, så har løsningen en Brookfield-viskositet over 80 Pa s.

I henhold til oppfinnelsen virker VASA harpiksen som et partikkelformig fyllstoff som er kjemisk inert i forhold til andre bestanddeler i oppslemmingen: binde-midler, additiver, fyllstoffer, vann.

Den kan fortrinnsvis være en "Pliolite"™-type harpiks markedsført av Good Year. Denne harpiksen anvendes i eksemplene beskrevet i det følgende.

Minst ett dispergeringspolymerderivat eller spesielt et dispergeringspoly-meradditiv av hydrofil/hydrofob type tas også fortrinnsvis med. Dette tillater at blandingen gjøres lettere, samt gir en perfekt dispersjon av de organofile partiklene i de andre partiklene, og god regulering av blandingsreologien.

Polymeren som dispergeres kan være en polymer med hydrofile (Hy) og hydrofobe (Hb) enheter i vandig løsning, idet de hydrofobe enhetene (Hb) inneholder C1 til C30 alkyl-, aryl-, alkyl-aryl-grupper og polymeren har følgende struktur: -(Hb)-Hy)- med en statistisk fordeling, og

- Hy har følgende form

hvor R5 er H eller CH3, Z1 er COOH eller CONH2 eller CONHR1S03" eller CONHR"1, R"1 erCH3;

- Hb har følgende form

hvor R'5 er H eller CH3, og Z2 er COOR7, C6H4S03H, COOR'1, CONR1 R'1

eller C0NR1R7, idet R7 er et ikke-ionisk overflateaktivt middel bestående av en alkylpolyoksyetylenkjede, R1 er H eller et C1-C30 alkyl-, aryl- eller alkyl-aryl-radikal, og R'1 er et C1-C30 alkyl, aryl- eller alkyl-aryl-radikal.

I henhold til én variant kan polymeren ha en molekylær masse i området mellom 10<4> og 5 106 dalton og en andel av hydrofobe enheter Hb i området mellom 0,5 og 60%.

Dispergeringsolymeren kan velges fra gruppen som består av

HMPAM, hvor R5 er H og Z1 er CONH2, R'5 = CH3, Z2 er COOR'1 med

R'1 = C9H19,

S1, hvor R5 er H og Z1 er CONH2, R'5 = H og Z2 er C6H4S03H,

HB1, hvor R5 er H, Z1 er COON, R'5 er H og Z2 er COOR'1 hvor R'1 er C4.

Spesielt kan polymeren kalt HMPAM ha en molekylær masse i området mellom 5 10<5> og 2 106 dalton, og en andel av hydrofobe enheter (Hb) i området mellom 0,5 og 3%.

Polymer S1, en akrylamid (Hy)/styrensulfonat (Hb) -kopolymer, forgrenet eller ikke, i henhold til beskrivelsen i det foregående, kan ha et molforhold på ca. 50/50 og en molar masse i området mellom 5 10<5> og 5 106 dalton. Dersom den ikke er forgrenet, angis den som S2. Det anvendte forgreningsmidlet i dette tilfel-let kan være N,N'-metylen-bis-akrylamid (MBA).

Polymer HB1, en akrylat (Hy)/butylakrylat (Hb) -kopolymer, hvor R5 er H, Z1 er COOH, R'5 er H og Z2 er COOR'1 hvor R'1 er C4, kan omfatte ca. 80% akrylatenheter, og den molekylære masse kan være i området mellom 10<4> og 5 10<4> dalton.

Oppslemmingen i henhold til oppfinnelsen kan ha følgende sammensetning: 10 til 20% silika, 10 til 15% mikrosilika, 30 til 60% VASA harpiks, 0,5 til 5% hydrofob polymer, 30 til 50% vann, idet disse prosentandelene uttrykkes i forhold til sementens vekt.

Fortrinnsvis kan oppslemmingen omfatte ca. 15% silika, 12% mikrosilika, 50 VASA harpiks, 1 til 3% hydrofob polymer og 40 til 45% vann.

I én variant kan oppslemmingen ha følgende sammensetning: 10 til 20% silika, 10 til 15% mikrosilika, 30 til 60% VASA harpiks, 80 til 95% vann, og ingen dispergeringspolymer.

Andre trekk og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil tydeliggjøres ved lesing av beskrivelsen av de ikke-begrensende eksemplene i det følgende, med referanse til de medfølgende tegningene hvor - figurer 1,2, 3 viser de reologiske kurvene for forskjellige sementoppslem-mingsformuleringer som er gjort lettere.

I de følgende testene tørrblandes de faste fyllstoffene; de flytende additi-vene fremstilles i vandig løsning og blandingen derav homogeniseres i en blander i noen minutter ved lav hastighet, deretter i 35 sekunder ved høy hastighet. Alt etter blandingstyper kan sistnevnte homogeniseres ved lav hastighet i ca. 20 minutter.

Pumpbarhetstiden defineres som den tid det tar for en sementoppslemming å stivne i en brønn ved sirkulering. Pumpbarhetstiden må være minst to timer.

Belastning x skjærkraft y -kurvene oppnås ved en temperatur T (°C).

Trykkfastheten måles ved en temperatur T (°C) på prøver aldret ved en gitt temperatur (°C) i et bestemt antall dager.

Det filtrerte volumet, angitt i milliliter, måles i henhold til API (American Petroleum Institute) -standardene. Standardene som er i bruk er API SPEC 10-88, avsnitt 5 (fremstiling av oppslemming), avsnitt 9 (konsistometermåling), appen-diks F - filtrering.

Anvendte additiver

CFR 3: dispergeringsadditiv markedsført av firma Halliburton;

HR 15: modifisert lignosulfonat (additiv for stivningsretarderingsadditiver markedsført av firma Halliburton);

Disal: polynaftalensulfonat (dispergeringsadditiv markedsført av firma Handy Chemicals);

HB1 : hydrofilt/hydrofobt dispergeringsadditiv av kopolymer-type.

De assosierte mineralfyllstoffene kan være silica C4 (Sifraco Company) med en kornstørrelse i området mellom 5 og 200 ujti (D50 ca. 33 ujti), silica MST (mikrosilika) med en kornstørrelse i området mellom 1 og 50 ^m (D50 ~ 7 ^m).

En anvendt harpiks kan være en vinylakrylat-, styrenakrylat-type harpiks, mer eller mindre tverrbundet, med densitet 1,03, med en kornstørrelse under 100 \ im. Den anvendes i form av tverrbundne sfæriske partikler, og den tilveiebringes ved polymerisasjon i emulsjon av vinylaromatiske monomerer, alkylakrylatmonomerer, monomerer av akrylisk type, eventuelt med tilsetning av en difunksjonell monomer som virker som et tverrbindemiddel.

Oppslemming 1: 100 g sement av klasse G,

20 g silika C4,

24 g silica fume MST,

1,75 g Disal,

30 ml demineralisert vann,

densitet = 2,17,

E/C = 0,27.

Oppslemming 1 har en konvensjonell densitet (d = 2,17), tilsetning av hydrofil/hydrofob kopolymer HB1 gjør det mulig å forbedre dispersjonen av blandingen og å redusere det filtrerte volumet.

Basisen av denne oppslemming 1 tas under tilsetning av en viss andel av VASA harpiks med en minimumsmengde vann, slik at det oppnås den laveste densiteten.

Oppslemming 2 : 100 g sement av klasse G,

15 g silica C4,

12 g silica fume MST,

50 g VASA resin,

x g Disal,

ygHB1,

42,5 cm<3> demineralisert vann,

d = 1,56,

E/C = 0,43.

hvor x og y er vekten av de aktive substansene.

Figurer 1, 2 og 3 viser de reologiske kurvene av oppslemminger 2 i sam-svar med forskjellige temperaturbetingelser og sammensetninger (x og y).

Disse reologiske kurvene viser at disse blandingene har for høye reolo-gier for en sementoppslemming, spesielt for lave skjærkrefter.

Det skal bemerkes at tilsetningen av en mengde HB1 til formuleringen av oppslemming 2 gjør det mulig å oppnå en aksepterbar reologi for en sementoppslemming.

Anvendelse av HB1 gjør det mulig å optimalisere reologien for blandingen og således oppfylle kravene. De optimale egenskapene oppnås med ca. 3% HB1.

(ved omgivelsestemperatur)

HP/HT-filtrering ved 90°C:

HP/HT-volum filtrert i løpet av 30 minutter: 3,5 ml.

Sammenligningsvis har en konvensjonell blanding basert på sement av klasse G og mikrosilika, med et høyt vanninnhold (E/C = 0,94), under de samme betingelsene, en trykkfasthet på 65 bar, et filtrert volum på 25 ml i løpet av 30 minutter, men fremfor alt et fritt vannvolum på 1,5%, noe som indikerer en stor risiko for sedimentering.

En blanding av sement av klasse G og bentonitt med et høyt vanninnhold (E/C = 0,94) har en lav trykkfasthet (i størrelsesorden 30 bar) målt under de samme betingelsene.

Oppslemming 3 : 100 g sement av klasse G,

15 g silica C4,

10 g silica fume MST,

50 g VASA harpiks,

0 g Disal,

90 ml demineralisert vann,

d = 1,47,

E/C = 0,9.

Denne oppslemmingen inneholder en høyere andel av vann og ikke noe dispergeringsmiddel. Den sedimenterer imidlertid ikke på grunn av partiklenes natur, men sementen har når den er herdet en trykkfasthet på 42 bar etter 2 dager ved 20°C, noe som er relativt lavt.

Oppslemming 4 : 100 g sement av klasse G,

15 g silica C4,

10 g silica fume MST,

50 g VASA harpiks,

1,8 g Disal,

90 ml demineralisert vann,

d = 1,48,

E/C = 0,9.

Denne blandingen dekanterer nesten umiddelbart. Dispergeringsmidlet av Disal-type er inkompatibelt med en slik formulering.

Disse forskjellige testene viser såleds at den kombinerte anvendelse av harpiks og dispergeringsprodukt i egnede andeler gjør det mulig å oppnå sementoppslemminger med et lavt vanninnhold, som ikke sedimenterer og som etter at de er herdet har en tilfredsstillende trykkfasthet.

Claims

1. Lettvekts sementoppslemming, karakterisert ved at den omfatter sement, minst ett mineralfyllstoff, vann og et kjemisk inert fyllstoff av harpikspartikler (VASA) som er oppnådd ved polymerisasjon av vinylaromatiske monomerer, alkylakrylatmonomerer og monomerer av akrylisk type, mer eller mindre tverrbundet.

2. Oppslemming ifølge krav 1, karakterisert ved at harpikspartiklene har en densitet nær 1,03 og en kornstørrelse som er under 100 um

3. Oppslemming ifølge krav 2, karakterisert ved at nevnte harpikspartikler har en kornstørrelse som er slik at 80% av partiklene er i området mellom 0,1 og 100 um

4. Oppslemming ifølge hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det tilsettes en hydrofil/hydrofob dispergeringspolymer.

5. Oppslemming ifølge krav 4, karakterisert ved at nevnte polymer er en polymer med hydrofile (Hy) og hydrofobe (Hb) enheter i vandig løsning, idet de hydrofobe enhetene (Hb) inneholder C1-C30 alkyl-, aryl- eller alkyl-aryl-grupper, hvor polymeren har følgende struktur: -(Hb)-(Hy)- med en statistisk fordeling, og - Hy har følgende form hvor R5 er H eller CH3, og Z1 er COOH eller CONH2 eller CONHR1S03", eller CONHR"1, R"1 erCH3; Hb har følgende form hvor R'5 er H eller CH3 og Z2 er COOR7, C6H4S03H, COOR'1, CONR1 R'1 eller CONR1R7, idet R7 er et ikke-ionisk overflateaktivt middel bestående av en alkylpolyoksyetylenkjede, R1 er H eller et C1-C30 alkyl-, aryl- eller alkyl-aryl-radikal, og R'1 er et C1-C30 alkyl-, aryl- eller alkyl-aryl-radikal.

6. Oppslemming ifølge krav 5, karakterisert ved at polymeren kan ha en molekylær masse i området mellom 10<4> og 5 10<6> dalton og en andel av hydrofobe enheter Hb i området mellom 0,5 og 60%.

7. Oppslemming ifølge hvilke som helst av kravene 5 eller 6, karakterisert ved at dispergeringspolymeren kan velges fra gruppen som består av: HMPAM, hvor R5 er H og Z1 er CONH2, R'5 = CH3 og Z2 er COOR'1 med R'1 = C9H19, S1, hvor R5 er H og Z1 er CONH2, R'5 = H og Z2 er C6H4S03H, HB1, hvor R5 er H, Z1 er COOH, R'5 er H og Z2 er COOR'1, idet R'1 er C4.

8. Oppslemming ifølge hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den omfatter følgende sammensetning: 10 til 20% silika, 10 til 15% mikrosilika, 30 til 60% VASA harpiks, 0,5 til 5% hydrofob polymer, 30 til 50% vann, idet prosentandelen uttrykkes i forhold sementens vekt.

9. Oppslemming ifølge krav 8, karakterisert ved at den omfatter ca. 15% silika, 12% mikrosilika,

50% VASA harpiks, 1 til 3% hydrofob polymer, 40 til 45% vann.

10. Oppslemming ifølge hvilke som helst av kravene 1 til 3, karakterisert ved at den omfatter følgende blanding: 10 til 20% silika, 10 til 15% mikrosilika, 30 til 60% VASA harpiks, 80 til 95% vann, ingen dispergeringspolymer.