NO334120B1 - Fremgangsmåter for sementering av oljebrønner eller lignende - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår sementeringsteknikker som anvendes i ingeniørteknikk, i bygningsindustrien og mer spesielt i boring av oljebrønner eller lignende. Nærmere bestemt angår oppfinnelsen sementeringsblandinger med svært lav densitet.

Det finnes mange formål hvor en lett sement vil være egnet. I ingeniørtek-nikken og bygningsindustrien kan en sement med lav densitet muliggjøre produksjon av understrukturer som er mindre omfangsrike, og som ikke må forsterkes for å bære vekten av sementen. Dagens tilgjengelige lette sementer har imidlertid egenskaper som generelt er dårligere, spesielt når det gjelder trykkfasthet, og permeabiliteten er for høy, og de kan derfor bare en sjelden gang være substitutt for ordinær sement, spesielt når det gjelder å garantere arbeidet for den ønskede brukstiden.

I oljebrønner vil valg av oppslemmingsdensitet avhenge av en rekke krite-rier. Hovedformålet med sementen anbrakt mellom foringsrøret og brønnveggen er å isolere de forskjellige geologiske sjikt som gjennomtrenges og for å styrke foringsrøret mekanisk. Sementen beskytter også stålet i foringsrøret mot korro-sjon, ved at det passiviseres. For å unngå enhver risiko for en blow-out, så må densiteten for sementen justeres slik at trykket på bunnen av brønnen er minst lik poretrykket i de geologiske formasjonene som gjennomtrenges. Det er klart at jo lengre kolonnen er, jo lavere densitet må sementoppslemmingen ha.

I tillegg til denne lavere grense, er der en øvre grense for densiteten. Trykket som utøves på berget (på grunn av det hydrostatiske trykket generert av sementkolonnen og trykkfallet forbundet med sirkulasjonen av fluid under pumping) må være lavere enn det trykket som berget kan tolerere uten frakturering. Dette trykket øker med lengden av sementkolonnen. Generelt vil lengden av den sementerte seksjonen således være begrenset av densiteten av sementoppslemmingen som kan anvendes.

Ettersom sementen må ha et minimum av densitet for å ha akseptable mekaniske egenskaper, så er lengden av den sementerte seksjonen svært ofte begrenset av fraktureringstrykket om den ikke er begrenset av andre grunner så som trykkinversjoner mellom geologiske sjikt. Hver ny seksjon må bores med en mindre diameter enn den forutgående seksjonen for å muliggjøre at boreverktøyet og foringsrøret kan senkes gjennom seksjoner som allerede er utstyrt med et foringsrør; en seksjon som er for smal til å være tilpasset kompletteringsverktøy ville være ubrukelig. Derfor må boring, dersom antallet seksjoner er høyt, påbe-gynnes under anvendelse av seksjoner med stor diameter ved toppen av brøn-nen, noe som fører til høye ekstrakostnader på grunn av en økning i volumet av berg som skal bores og foringsrørseksjonenes større vekt på grunn av den økede diameteren. Det er selvsagt kjent at en seksjon kan sementeres i en rekke trinn for å forhindre at brønnen trekker seg sammen. Denne teknikken omfatter høye tilleggskostnader, og utstyret som kreves for flertrinnssementering er ofte ikke særlig pålitelig.

US 5 806 594 A beskriver skummede sementoppslemmingssammen-setninger og en prosess eller metode for sementering av brønnforingsrør eller rør som benytter slike sammensetninger, idet sammensetningene erkarakterisert vedkritiske forhold for særlig faste og flytende komponenter.

En sement med redusert densitet ville derfor være ønskelig, for å øke lengden av hver seksjon samtidig som de mekaniske egenskapene for den stivnede sementen er tilstrekkelig til å sikre langsiktig isolering.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer spesielt lette sementeringsformule-ringer med gode mekaniske egenskaper, egenskaper for ugjennomtrengelighet og adhesivegenskaper.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører således en fremgangsmåte for sementering av en oljebrønn eller lignende, omfattende: a) dannelse av en sementoppslemming som omfatter: i) en fast fraksjon som omfatter (1) 35 til 65 volum% partikler med en gjennomsnittlig diameter i området 200 \ im til 600 \ im, (2) 20 til 45 volum% Portland-sement, og (3) 5 til 25 volum% partikler med en gjennomsnittlig diameter i området 0,5^m til 5^m, ii) et overflateaktivt middel, og iii) vann; b) injisering av oppslemmingen i brønnen, og c) skumming av oppslemmingen ved innføring av gass og å la den få stivne, kjennetegnet ved at vanninnholdet i oppslemmingen er mindre enn 50 volum% før skumming.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører også en fremgangsmåte for sementering av en oljebrønn eller lignende, omfattende: a) dannelse av en oppslemming som omfatter: i) en fast fraksjon av (1) 50 til 75 volum% av en mikro-sement med en maksimum partikkelstørrelse i området 6^m til 12^m, med en midlere partikkeldiameter på noen få jam, og et spesifikt overflateareale pr. vektenhet, bestemt ved luftpermeabilitetstesten [Blaine Fineness] på mer enn 0,6 m<2>/g, (2) 15 til 40 volum% partikler med en gjennomsnittlig diameter i området 0,05 mikrometer til 0,5 mikrometer, og (3) 0 til 20 volum% partikler med en gjennomsnittlig dimensjon i området 3 nanometer til 60 nanometer, ii) et overflateaktivt middel, og iii) vann; b) injisering av oppslemmingen inn i brønnen, og c) skumming av oppslemmingen ved innføring av en gass og å la den få stivne, kjennetegnet ved at vanninnholdet i oppslemmingen før skumming er mindre enn 72 volum%.

Ytterligere utførelsesformer av fremgangsmåtene i henhold til den foreliggende oppfinnelse fremgår av de uselvstendige patentkrav.

For oljebrønn-sementer består teknikken som oftest anvendes for å redu-sere densiteten for en sementoppslemming av tilsetning av en større mengde vann og ekstendere som er ment å forhindre partikler fra å separere ut og/eller forhindre dannelsen av fritt vann på overflaten av oppslemmingen. En slik teknikk reduserer i stor grad sementens trykkfasthet, øker dens permeabilitet og reduserer sementens evne til å klebe seg til bærere. Disse årsakene gjør at teknikken ikke kan anvendes for å produsere densiteter som er mindre enn en størrelsesor-den på 1300 kg/m<3>og holde de geologiske lagene isolert, samt tilveiebringe en tilstrekkelig foringsrørstyrke.

En ytterligere rutinemessig teknikk for å gjøre en sement lettere består av formulering av en oppslemming som inneholder et overflateaktivt middel, og inn-føring av en gass så som luft eller nitrogen i sementen før den stivner. Mengden av tilsatt gass er slik at den krevde densiteten oppnås. Mengden kan være slik at det dannes skummede sementer. En "skumkvalitet" kan defineres for slike systemer som forholdet av volumet av gass til volumet av skummet produkt, også "svellingen" som forholdet av økningen av volum på grunn av skumming til skummets volum. Denne teknikken er litt mindre kraftig enn den tidligere teknikk, ettersom densiteten for gass er lavere enn densiteten for vann og således må det tilsettes mindre. Densiteten er imidlertid i praksis begrenset til densiteter på over 1100 kg/m<3>for formål i oljeindustrien, selv når utgangspunktet er en oppslemming som først har blitt gjort lettere med vann. Over en bestemt "skumkvalitet" minsker skummets stabilitet svært hurtig, trykkfastheten for det stivnede skummet blir for lav og dets permeabilitet blir for høy, noe som går på bekostning av dets brukstid i varmt vandig medium inkludert ioner som er aggressive mot sementen i større eller mindre grad. I dette henseende bør US-patent US-A-5 696 059 konsulteres, ettersom det her beskrives en skummet sement med en densitet på 1170 kg/m<3>, oppnådd med en skumkvalitet i området 30% til 35% og som etter 24 timer har en trykkfasthet på bare 4,2 MPa mens stivnetemperaturen er over 100°C, og syste-met omfatter en mikro-sement og silika.

Forfatterne av foreliggende oppfinnelse har oppdaget at det oppnås svært lett skum av utmerket kvalitet ved sterk skumming av oppslemminger med høy densitet og med et svært lavt vanninnhold som gir god mekanisk ytelse og svært lav permeabilitet, i motsetning til nåværende praksis og til det som ved første øye-kast ser ut til å være det mest rasjonelle, nemlig å anvende oppslemminger som allerede har lav densitet, fortynnet med vann. Disse oppslemmingene med høyere densitet understøtter høyere "skummingskvaliteter" samtidig som det dannes sta-bile skum. Endelig, for en identisk skumdensitet, er de mekaniske egenskapene til skummet i henhold til oppfinnelsen bedre, med lavere permeabilitet, og sementens evne til å henge fast på foringsrøret og på geologiske formasjoner er forbedret.

I en første variasjon gjennomføres oppfinnelsen med oppslemminger basert på ordinær sement, før skumming, idet utgangsoppslemmingen må omfatte et overflateaktivt middel for å stabilisere skummet, og erkarakterisert vedet lavt vanninnhold: generelt må utgangsvanninnholdet ikke overskride 50 volum% av den ikke-skummede oppslemmingen, og er fortrinnsvis mindre enn 45%, mer foretrukket ca. 40%. I enkelte tilfeller kan vanninnholdet reduseres igjen, men generelt anvendes ikke en oppslemming med et vanninnhold på mindre enn 33% ettersom det da blir svært vanskelig å oppnå den korrekte reologien. Fluidandelen av additivene, når de er flytende, eller faste additiver som er løselige, regnes som del av væskevolumet sammen med blandevannet. Dersom flytende additiver derimot omfatter uløselige partikler i suspensjon, regnes volumet av disse partiklene som del av de andre faststoffene.

Uttrykket "ordinær sement" betyr en sement med en gjennomsnittlig partikkeldiameter som generelt er nær 20 \ im, med en maksimal partikkelstørrelse som kan komme opp i 100^m og et spesifikt overflateareale pr. vektenhet, bestemt ved hjelp av luftpermeabilitetstesten [Blaine Fineness] typisk i området 0,2 m<2>/g til 0,4 m<2>/g. Alle kommersielle tilgjengelige Portland-sementer for oljebrønnformål (kategorier A til H) kan anvendes, men sementer av klasse G er foretrukket i foreliggende oppfinnelse.

Formålet med et lavt vanninnhold kombinert med god reologi kan oppnås ved å tilsette grove partikler; idet uttrykket "grove partikler" betyr partikler med en størrelse typisk i området 5 til 50 ganger størrelsen til den ordinære Portland-sementen anvendt i sementer for oljebrønner, eller med andre ord partikler med en størrelse i området 100^m til 1 mm. Slike grove partikler er fortrinnsvis lette partikler, så som hule sfærer eller partikler produsert av et plastmateriale eller et elastisk materiale. For å oppnå et skum med en densitet på mer enn 900 kg/m<3>, er det av økonomiske årsaker og bedre trykkfasthet imidlertid mulig å anvende faste grove partikler med sub-millimeter-dimensjoner bestående f.eks. av silika eller karbonater av naturlig kalk eller ethvert annet mineralprodukt med lav løse-lighet, som kan, men behøver ikke, være reaktivt i vannet i oppslemmingen.

Høy-ytelsesoppslemminger med høy densitet og med et redusert vanninnhold, men som likevel har tilstrekkelig fluiditet til å kunne pumpes uten et stort trykkfall, oppnås fortrinnsvis som beskrevet i europeisk patent EP-A-621 247 eller PCT-søknad PCT/FR98/02429 og som, i tillegg til sement, omfatter en gruppe av "grove" partikler med en typisk diameter i området 200^m til 800^m, og en gruppe "fine" partikler, med en typisk diameter i området 0,5^m til 5^m, og eventuelt andre grovere eller finere grupper av partikler, idet hver partikkelgruppe har et område av kornstørrelser som er forskjellig fra de andre gruppene, med en gjennomsnittlig partikkeldiameter som avviker med en faktor på 5 til 20, og de respektive andelene av partikler fra de forskjellige gruppene er slik at blandingens kompakthet er et maksimum eller minst nær dens teoretiske maksimum.

Typisk vil den faste fraksjonen av en slik oppslemming med redusert vanninnhold utgjøres av 35% til 65 volum% av grove partikler, 20% til 45% av Portland-sement, og 5% til 25% av mikropartikler. I en mer spesielt foretrukken utfø-relse vil den faste fraksjonen utgjøres av 55% fin sand med en gjennomsnittlig størrelse på 300^m, 35% Portland-sement, og 10% fin silika.

Det er også mulig å starte med multi-modale oppslemminger som er ana-loge til de som er beskrevet i EP-A-621 247, uten partiklene med en størrelse som overskrider sementpartiklene, idet funksjonen til de "grove" partiklene gjennomfø-res ved hjelp av boblene i skummet.

I en andre variasjon i henhold til oppfinnelsen oppnås oppslemmingene med høy densitet fortrinnsvis som beskrevet in EP-A-0 748 782 eller fransk pa- tentsøknad FR-98 15570. Disse oppslemmingene, som er spesielt egnet for pres-seoperasjoner, for plugging eller for styrking av dårlig konsoliderte geologiske formasjoner, er basert på en mikrosement og ikke på en ordinær sement.

Betegnelsen "mikro-sement" betyr en sement med en maksimum partikkel-størrelse i området 6^m til 12^m, fortrinnsvis i området 8^m til 11^m, med en midlere partikkeldiameter på noen få mikrometer, typisk 4 \ im for de kommersielt tilgjengelige mikrosementene testet, og et spesifikt overflateareale pr. vektenhet, bestemt ved luftpermeabilitetstesten [Blaine Fineness] på mer enn 0,6 m<2>/g, fortrinnsvis mer enn 0,7 m<2>/g og mer foretrukket nær 0,8000 m<2>/g.

Mesteparten av oljeindustriformålene hvor det benyttes en mikro-sement anvender forbindelser dannet av slagg som omfatter 45% kalk, 30% silika, 10% alumina, 1% jernoksyder og 5%-6% manganoksyd (bare de viktigste oksydene er nevnt her; disse mengdene kan selvsagt variere noe avhengig av leverandøren). Mikro-sementer med en sammensetning som er en sammensetning av en Portland-sement av klasse G, er også kommersielt tilgjengelige; de omfatter typisk ca. 65% kalk, 22% silika, 4% alumina, 4% jernoksyder og mindre enn 1 % manganoksyd. De to materialetypene, eller blandinger av de to, kan anvendes i denne andre varianten av oppfinnelsen.

For oppslemminger basert på mikro-sement er den mengde vann som anvendes nødvendigvis høyere enn for en oppslemming basert på en ordinær sement. For oppslemmingene i henhold til oppfinnelsen vil volumet av vann derfor være mindre enn 72%, fortrinnsvis i området 58% til 70%. Et overflateaktivt middel kan selvsagt også settes for å stabilisere skummet. Dette vanninnholdet er betydelig høyere enn i tilfellet av en oppslemming basert på ordinær sement, men volumet av væske er likevel usedvanlig lavt om det sammenlignes med det som normalt anvendes for oppslemminger basert på mikro-sement normalt anvendt for trykkoperasjoner, spesielt for injisering i sprekker, og som har et vanninnhold på mer enn 75% (idet tilsatt mengde av vann er et minimum på 100% av vekten av sement), og vanligvis nær 80 volum%. Dette utgjør det oppfinneriske trinnet i henhold til oppfinnelsen, nemlig skumming av en oppslemming "med høy densitet".

For oppslemminger basert på en mikro-sement, fremstilt som beskrevet i europeisk patentsøknad EP-A-0 748 782 eller i fransk patentsøknad FR-98 15570 (densitet 1650 kg/m<3>til 1800 kg/m<3>, sammenlignet med 1400 kg/m<3>for konvensjo nelle trykke-oppslemminger), har skummet i tillegg til punktene beskrevet i det foregående, den fordelen at det ikke penetrerer inn i svært porøse media så som reservoarfjell. Mest overraskende har forfatterne av foreliggende oppfinnelse fun-net at til tross for en høyere flytegrense på grunn av skummingen, så har disse skummene en mye større evne til å penetrere inn i porøse sprekker sammenlignet med konvensjonelle ikke-skummede presse-oppslemminger, og bare i svært liten grad mindre enn de ikke-skummede oppslemmingene beskrevet i patentsøknader EP-A-621 247 og FR-98 15570.

Slike oppslemminger består av et vannbasert fluid, et dispergeringsmiddel i løsning i den vandige fase og eventuelt andre flytende additiver, en mikro-sement, dvs. en sement bestående av partikler med mikrostørrelser, og et første additiv bestående av partikler 5 til 100 ganger, fortrinnsvis i størrelsesorden 10 ganger mindre enn mikrosementpartikler. Typisk er den gjennomsnittlige partikkeldiame-teren således i området 0,05 til 0,5^m, så som en lateks, et silikakondensat av silikarøktype, et kondensat av oksyder av mangan i pigmentrøk, visse fine sot-typer, kjønrøk eller visse mikrogeler av polymerer så som en tetningstilsats; og eventuelt et andre additiv som består av ultra-fine partikler, 5 til 100 ganger, fortrinnsvis i størrelsesorden 10 ganger mindre enn partiklene i det første additivet, så som dispergerte kolloidale silisiumdioksyder eller aluminiumoksyder (gjennomsnittlig dimensjon 3-60 nanometer, fortrinnsvis 15-40 nanometer) eller en nanolateks.

De foretrukne blandingene kjent fra EP-A-621 247 omfatter fortrinnsvis 10% til 40% av det første additivet og 5% til 30% av "ultra-fine" partikler, idet prosentandelen angis i forhold til det samlede volumet av faste partikler i blandingen. Mer spesielt foretrukket er blandinger som omfatter 50% til 75% mikro-sement, 15% til 40% "svært fine" partikler og 5% til 20% "ultra-fine" partikler.

De foretrukne blandingene kjent fra FR-98 15570 omfatter en vandig fase, en mikro-sement og en vandig suspensjon omfattende en polymer av vinylacetat-type oppnådd ved kjemisk tverrbinding, i en reaksjon med regulert omrøring, en polyvinylforbindelse (PVA) i løsning med bi- eller flerfunksjonene tverrbindemidler som tverrbinder alkoholgruppene (primære, sekundære eller tertiære), idet den molare konsentrasjonen av nevnte tverrbindemiddel med hensyn til PVA-mono-merrestene er i området 0,1% til 0,5%, en nanolateks og et anionisk overflateaktivt middel med et blakningspunkt på mer enn 80°C.

Uansett variasjon, skal det bemerkes at nærværet av svært fine partikler, som beskrevet i ovennevnte patenter, bidrar til å stabilisere skummet og kan gjøre at det oppnås høyere "kvaliteter" enn med konvensjonelle skummingsadditiver og skumstabiliseringsadditiver. Det er også mulig å starte med oppslemminger produsert ved hjelp av en suspensjon av faste partikler (mineralpartikler, sementer, mikro-sementer, organiske partikler så som latekser eller polymer-mikrogeler), for hvilken den grafiske fremstillingen av størrelsesfordelingen til partikkelblandingen som viser logaritmen til partiklenes kumulative frekvens som en funksjon av logaritmen til partikkelstørrelsen er i hovedsak lineær, under forutsetning av at de inneholder mikropartikler, selv om de er mindre foretrukket enn de foregående forbindelsene fordi den faste fraksjons "kompakthet" er lavere, dvs. minimumsvo-lumet som den faste fraksjon opptar av oppslemmingen er høyere enn i det forutgående tilfellet, noe som betyr at det anvendes en større vannmengde.

Det kan således oppnås skum med en densitet på mindre enn 660 kg/m<3>som har mekaniske egenskaper, impermeabilitetsegenskaper og adhesjonsegen-skaper egnet for oljeindustriformål. De varmeisolerende egenskapene til disse skummene med en svært høy skummings-"kvalitet" er også i høy grad forbedret på grunn av den større inkorporeringen av gass (idet luft eller nitrogen generelt er foretrukket på grunn av den lettere anvendelse i terrenget og kostnadene), samt i høy grad redusert varmefrigivning under stivning på grunn av den lille mengden av sement og fortynningen med gassen, et spesielt fordelaktig fenomen når det sementeres i soner av permafrosttype. De gode varmeisolerende egenskapene er også fordelaktig i tilfellet av svært dype brønner, spesielt når de seksjonene av brønnen som er nærmest overflaten ikke er sementert med sementer som omfatter silika og likevel må tåle en rå sirkulering ved høy temperatur.

Kjente overflateaktive midler tilsettes for å danne og stabilisere sement-skummene. Andre additiver kan tilsettes, så som hvilke som helst av vanlige sementer, mørteltyper og betongadditiver, unntatt selvsagt anti-skummingsadditiver. Eksempler er dispergeringsmidler (også kjent som supermyknere), antigelerings-midler, vanntilbakeholdingsmidler, retarderingsmidler (med regulering av stivnetiden ved temperaturer på mer enn 60°C som formål) eller akseleratorer (med regulering av stivnetiden ved lave temperaturer som formål).

Teknikkene for fremstilling av skummet, og som også er velkjente, utgjør ikke del av oppfinnelsen i henhold til kravene. Det anvendes eksisterende teknik- ker. Skummets "kvalitet" justeres som en funksjon av densiteten til utgangsoppslemmingen for å oppnå den ønskede skumdensiteten. Skummets kvalitet bør imidlertid ikke overstige 65%; over denne grense forringes skummets stabilitet og egenskaper hurtig, og blir for lav (trykkfasthet, impermeabilitet). Driftbetingelsene for apparatet som genererer skummet og mengden overflateaktivt middel justeres slik at boblestørrelsen ikke overstiger 7 millimeter, fortrinnsvis ikke 3 millimeter.

Foreliggende oppfinnelse illustreres ved hjelp av følgende eksempler.

EKSEMPEL 1

Egenskapene til fire oppslemminger ble sammenlignet.

Oppslemming A (i henhold til oppfinnelsen):

En blanding av pulvere ble fremstilt, omfattende 55 volum% fin sand med en gjennomsnittlig størrelse på 300^m, 35 volum% Portland-sement av klasse G og 10 volum% fin silika med en gjennomsnittlig størrelse på 3 \ im. Vann og additiver (retardingsmiddel basert på rensede lignosulfonater (D801, solgt av Schlumberger Dowell) i en mengde på 4,5 ml/kg av fast blanding (0,05 gallon pr. sekk av blanding, dvs. 3,785 liter pr. sekk med 42,637 kg blanding, med andre ord 1 gps = 0,0888 liter additiv pr. kilo blanding), AMPS-polymerbasert vanntilbakeholdingsmiddel (D158, solgt av Schlumberger Dowell) i en mengde på 13,3 ml/kg av fast blanding (0,15 gps) og en polynaftalensulfonatbasert supermykner (D80, solgt av Schlumberger Dowell) i en mengde på 1,8 ml/kg av fast blanding (0,02 gps) ble blandet med dette pulveret slik at det prosentvise volumet av væske i oppslemmingen var 40%.

Densiteten for denne oppslemmingen var 2115 kg/m<3>. Reologien for en oppslemming erkarakterisert vedden plastiske viskositet PV (i mPa-s), idet om-regningsfaktoren er 1) og flytegrensen Ty (verdiene er omregnet til Pascal ved å multiplisere med 0,478803), forutsatt at oppslemmingen var et Bingham-fluid. For oppslemming A var flytegrensen 5,3 Pa og den plastiske viskositet var 159 mPa-s. Fortykningstiden ved 85°C var 5 timer 40 minutter. Det var hverken fritt vann eller sedimentering under anvendelse av standard API-tester (American Petroleum Institute).

Oppslemming B (i henhold til oppfinnelsen):

En blanding av pulvere ble fremstilt. Den bestod av 55 volum% hule sfærer fra cenosfærer med en gjennomsnittlig størrelse på 170^m, 35 volum% Portland-sement av klasse G og 10 volum% fin silika med en gjennomsnittlig størrelse på 3^m. Vann og additiver (AMPS-polymerbasert vanntilbakeholdingsmiddel (D159, solgt av Schlumberger Dowell) i en mengde på 8 ml/kg blanding og en polynaftalensulfonatbasert supermykner (S80) i en mengde på 4,5 ml/kg blanding ble blandet med dette pulveret slik at det prosentmessige volumet av væske i oppslemmingen var 40%.

Densiteten for denne oppslemmingen var 1465 kg/m<3>. Det var hverken fritt vann eller sedimentering ved anvendelse av standard API-tester.

Oppslemming C (sammenligningseksempel):

Dette eksemplet tilsvarer nåværende teknologi for medium densiteter. Vann og additiver (retarderingsmiddel basert på rensede lignosulfater (D801) i en mengde på 4,5 ml/kg sement, AMPS-polymerbasert vanntilbakeholdingsmiddel (D158) i en mengde på 13,5 ml/kg blanding og en polynaftalensulfonatbasert supermykner (D80) i en mengde på 1,78 ml/kg blanding ble blandet med Portland-sement av klasse G slik at densiteten for denne oppslemmingen var 1900 kg/m<3>, dvs. en 58 volum% væskefraksjon.

Oppslemming D (sammenligningseksempel):

Denne oppslemmingen tilsvarer den nåværende teknologien for lave densiteter. En blanding av pulvere ble fremstilt. Den omfattet en sement av klasse G med tilsatt bentonitt som utgjorde 10 vekt% av sementen. Vann ble satt til den ovennevnte blandingen av pulvere slik at densiteten for oppslemmingen var 1575 kg/m<3>, dvs. en 73,8 volum% væskefraksjon. For å skumme disse oppslemmingene ble konvensjonelle overflateaktive midler, solgt av Schlumberger Dowell med referanse D139 (en vandig løsning av alkoksylater, metanol og polyglykoler) og F052.1 (et overflateaktivt middel basert på etanol, propylenglykol og fettalkoholsulfat-ammoniumsalter) tilsatt i andeler på 1:1. Mengden avhenger av skummets kvalitet. Det ble tilsatt mer for å oppnå en høyere skummingskvalitet. 7,46 ml pr. kilo fast blanding ble anvendt for å oppnå en 50% skumkvalitet.

Densitetene uttrykkes i kg/m<3>. Q betegner skummets kvalitet, uttrykt i volum%. CS betegner trykkfastheten etter 24 timer stivning, uttrykt i megaPascal. P betegner permeabiliteten forden stivnede sementen, uttrykt i mikroDarcy.

Den kan sees at for skummede oppslemminger i henhold til foreliggende oppfinnelse, så var trykkfastheten i hovedsak høyere og permeabiliteten var betydelig lavere enn for konvensjonelle skummede oppslemminger med en lik oppslemmingsdensitet.

EKSEMPEL 2

I dette eksemplet ble sub-mikronpartikler innført i oppslemmingen, i dette tilfellet partikler av latekstype inneholdende 50 volum% partikler med 150 nanometer i suspensjon i vann. Det skal bemerkes at lateksen kan erstattes med mineralpartikler (silikarøk eller pigmentrøk i suspensjon) eller bestå av mikrogeler av en tverrbundet polymer som beskrevet i patent EP-A-0 705 850 eller internasjonal søknad WO 98/35918.

Oppslemming F:

Blandingen av pulvere var nøyaktig den samme som for oppslemming A. Vann, lateks i en mengde på 35,5 ml/kg blanding, og additiver (retarderingsmiddel basert på rensede lignosulfonater (D800) i en mengde på 0,15 vekt% av den faste blandingen og en polynaftalensulfonatbasert supermykner (D80) i en mengde på 0,12 vekt% av den faste blandingen) ble blandet med dette pulveret slik at det prosentmessige volumet av væske i oppslemmingen var 40%.

Densiteten for denne oppslemmingen var 2090 kg/m<3>. Dens reologi var

som følger: flytegrense 15,1 g/cm<2>og plastisk viskositet 68 centiPoise, under anvendelse av en Bingham-fluidmodell. Fortykningstiden ved 102°C var 4 timer 00 minutter. Det var hverken fritt vann eller sedimentering ved anvendelse av standard API-testene.

Enhetene og symbolene er de samme som de som anvendes i det foregående. Det kan sees at trykkfastheten var litt lavere enn i eksempel 1, men fremdeles i høy grad akseptabel. Permeabiliteten derimot var i hovedsak lavere, noe som er fordelaktig med hensyn til sementens motstand mot kjemiske angrep av fluider, f.eks. underjordisk vann, eller sure behandlinger gjennomført i løpet av brønnens brukstid for å øke samlet produksjon.

EKSEMPEL 3

I dette eksemplet tilsvarer basisoppslemmingen en blanding som beskrevet i tidligere patenter og mer spesielt tilpasset sementering ved svært lav temperatur, noe som likevel krever en redusert fortykningstid og hurtig utvikling av trykkfasthet.

Oppslemming F:

Sammensetningen av blandingen av pulvere var den samme som for oppslemming B, med det unntak at den fine silikaen ble erstattet med den samme mengden i volum av Dyckerhoff Mikrodur PU mikro-sement, nemlig 10 volum%. Vann, tverrbundne polymermikrogeler i en mengde på 8,88 ml/kg blanding og additiver (en supermykner basert på polymelaminsulfonat (D145A) i en mengde på 13,3 ml/kg av fast blanding) ble blandet med dette pulveret slik at det prosentmessige volumet av væske i oppslemmingen var 42%.

Oppslemmingsdensiteten var 1480 kg/m<3>. Fortykningstiden ved 10°C var 5 timer 20 min. Det var ikke noe fritt vann eller sedimentering ved anvendelse av standard API-tester.

Enhetene og symbolene var de samme som de som ble anvendt i det for-anstående eksemplet. Trykkfastheten ble registrert ved 24 timer, 48 timer og 89 timer. Målingene av trykkfasthet ble gjennomført ved 10°C.

Utviklingen av trykkfasthet var mye langsommere enn i de ovenstående eksemplene. Dette skyldtes den svært lave temperaturen som reduserte sementens hydratiseringshastighet og de ekstremt lave densitetene for sementen.

Disse oppslemmingene er spesielt egnet for sementering på svært dypt vann hvor temperaturen er svært lav og de geologiske formasjonene på sjøbunnen er svært ustabile. Densiteten for sementen for boring på svært dypt vann må være enda lavere enn for andre brønner, ettersom dybden av sjøbunnen betyr at det er en stor dybde av sementoppslemming i foringsrøret og at trykket som utø-ves på bunnen på dårlig konsoliderte formasjoner derfor er høyt. Det kan sees at til tross for alt var trykkfastheten etter 24 timer akseptabel, noe som betyr at bore-verktøyet kan innføres på nytt, og trykkfastheten fortsatte å utvikle seg til verdier som ville garantere gode støtte. Det kan også sees at permeabilitetene var svært lave.

EKSEMPEL 4

I dette eksemplet var pulversammensetningen i oppslemming G identisk med pulversammensetningen i oppslemming F. De organiske additivene var for skjellige ettersom den ble underkastet en temperatur på 143°C for å sette den under betingelser sammenlignbare med de i US-A-5 696 059 i eksempel 2, med betegnelsen US'059 i tabellen.

Oppslemming G:

Sammensetningen av pulverblandingen var den samme som for oppslemming F. Et polynaftalensulfonat-dispergeringsmiddel i en mengde på 0,888 ml/kg av fast blanding og et sementstivnings-retarderingsmiddel, D161, i en mengde på 53,3 ml/kg av fast blanding ble tilsatt. Retarderingsmidlet ble tilsatt for å regulere sementstivning ved 143°C. De overflateaktive midlene som ble anvendt for å produsere skummet var de samme som de overflateaktive midlene i alle de foregående eksemplene.

Enhetene og symbolene var de samme som de anvendt i det foregående eksemplet.

Det kan sees at reologien for ikke-skummet oppslemming F i hovedsak var lavere enn reologien for oppslemmingen i US-A-5 696 059, selv om densiteten var høyere. Trykkfastheten etter 24 timer var mye høyere for oppslemming F enn trykkfastheten for oppslemmingen i US-A-5 696 059, selv om sammenligningen ble gjort med en identisk skumkvalitet eller den samme skumdensiteten. Spesielt bør trykkfastheten etter 24 timer for 50% skummet oppslemming F sammenlignes med trykkfastheten for oppslemmingen i US-A-5-696 059. Den var betydelig høy-ere selv om densiteten var lavere, 1040 kg/m<3>i motsetning til 1170 kg/m<3>.

EKSEMPEL 5

Dette eksemplet dekker anvendelser hvor ingen partikler er grovere enn sementen i oppslemmingen. Skumboblene virket i stedet for dem. For eksemplet valgte vi en oppslemming produsert i overensstemmelse med EP-A-621 247.

Oppslemming H:

Den anvendte sementen var en Spinor A12 mikro-sement. 213 ml/kg sement ble satt til et additiv i samsvar med FR-98 15570. Et dispergeringsmiddel på basis av polymelaminsulfonat (PMS), D145A, ble tilsatt i en mengde på 46,2 ml/kg sement. Additivene som ble anvendt for å skumme oppslemmingen og stabilisere skummet var så som de som er beskrevet i alle de foregående eksemplene, D139 og F052.1, hvorav hvert ble tilsatt i en mengde på 8,88 ml/kg sement. Skummingskvaliteten var 43%.

Enhetene og symbolene var de samme som de som ble anvendt i det foregående eksemplet.

Denne type oppslemming var tiltenkt bl.a. for trykking, blokkering av sprekker, fylling av volumer med en svært liten åpning for injisering og plugging av po-røse vegger for å holde geler på plass i det porøse mediet. Med ikke-skummede oppslemminger, som hadde en forbausende penetreringsevne selv i et permea-belt medium, kan det i enkelte tilfeller være fare for at de også ville penetrere den porøse geologiske formasjon dersom permeabiliteten overskred 1 Darcy og på-føre den skade. Skum er kjent for at de i betydelig grad reduserer penetrering inn i porer på grunn av deres høye flytegrense. Det kunne være fare for at penetrering inn i permeable sprekker også ville bli redusert. Vi benyttet apparatet beskrevet i EP-A-621 247 for å sjekke dette punktet. Høyst overraskende var penetrering ypperlig. Skummet avanserte hele lengden (23 cm) av en 150 \ im spalte for å komme ut ved den andre enden av spalten. Skummet var fremdeles nok ekspan-dert ved utgangen fra spalten og utøvet således et trykk på veggene. Dette feno-menet er ekstremt viktig for å sikre en utmerket forsegling.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for sementering av en oljebrønn eller lignende, omfattende: a) dannelse av en sementoppslemming som omfatter: i) en fast fraksjon som omfatter (1) 35 til 65 volum% partikler med en gjennomsnittlig diameter i området 200 \ im til 600 \ im, (2) 20 til 45 volum% Portland-sement, og (3) 5 til 25 volum% partikler med en gjennomsnittlig diameter i området 0,5 jam til 5 jam, ii) et overflateaktivt middel, og iii) vann; b) injisering av oppslemmingen i brønnen, og c) skumming av oppslemmingen ved innføring av gass og å la den få stivne,karakterisert vedat vanninnholdet i oppslemmingen er mindre enn 50 volum% før skumming.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, som omfatter dannelse av en sementoppslemming med et vanninnhold på 33 til 45 volum% før skumming.

3. Fremgangsmåte for sementering av en oljebrønn eller lignende, omfattende: a) dannelse av en oppslemming som omfatter: i) en fast fraksjon av (1) 50 til 75 volum% av en mikro-sement med en maksimum partikkelstørrelse i området 6 jam til 12 jam, med en midlere partikkeldiameter på noen få^m, og et spesifikt overflateareale pr. vektenhet, bestemt ved luftpermeabilitetstesten [Blaine Fineness] på mer enn 0,6 m<2>/g, (2) 15 til 40 volum% partikler med en gjennomsnittlig diameter i området 0,05 mikrometer til 0,5 mikrometer, og (3) 0 til 20 volum% partikler med en gjennomsnittlig dimensjon i området 3 nanometer til 60 nanometer, ii) et overflateaktivt middel, og iii) vann; b) injisering av oppslemmingen inn i brønnen, og c) skumming av oppslemmingen ved innføring av en gass og å la den få stivne,karakterisert vedat vanninnholdet i oppslemmingen før skumming er mindre enn 72 volum%.

4. Fremgangsmåte ifølge 3, som omfatter dannelse av en oppslemming med et vanninnhold før skumming i området 58 til 70 volum%.

5. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av de foregående krav, som omfatter innføring av gass i oppslemmingen slik at skummingskvaliteten er i området 30 til 65%.

6. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av de foregående krav, som omfatter at det i oppslemmingen inkluderes ett eller flere additiver av følgende typer: et dispergeringsmiddel, et antigeleringsmiddel, et vanntilbakeholdingsmiddel, en sementstivningsakselerator eller -retarde-reringsmiddel, eller en avskummingsstabilisator.