NO334970B1 - Sementsammensetninger - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en sementsammensetning for sementering av olje- og gassbrønner. Sammensetningen omfatter kalsiumaluminatsement hvor andelen av Al2O3 er minst 50 vekt%, dispergeringsmiddel, microsilica, mineralpartikler, vann og eventuelt et retarderende middel.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører sementsammensetninger basert på kalsiumaiuminatsement.

Ved boring av brønner så som olje- eller gassbrenner bores det en brønn som åpner formasjoner med forskjellig trykk slik at det blir kommunikasjon av fluider mellom formasjonene. Under borefasen blir det benyttet en borevæske eller "mud" med en tetthet høy nok til å hindre kommunikasjon mellom de forskjellige sonene. Når den nødvendige lengde er nådd settes det ned et foringsrør av stål i brønnen og dette sementeres i posisjon. Flytende sement pumpes nedover i foringsrøret og opp gjennom hulrommet mellom utsiden av foringsrøret og brannveggen hvor sementen får sette seg. Setteprosessen tak betraktelig tid, for eksempel mange timer, typisk 24 timer eller mer. Mens sementen setter seg kan det ikke foretas noe arbeid i borehullet for å unngå at foringsrøret beveger seg.

Mange andre oljebrønnsementeirngsoperasjoner slik som setting av sementplugger, "kick-off' plugger eller sement "squeezes" foretas hver dag med sementslurrysystemer lignende de som benyttes for sementering av foringsrør. Tradisjonelle sementsystemer basert på Portland sement benyttes. Forskjellige kvaliteter av Portland sement har over tid blitt utviklet for å ivareta de forskjellige krav for oljebrønnsementering og særlig temperatur og trykkeffekter under settingen av sementen og dens virkning når den er på plass. De mest typiske sementkvalitetene er referert til som A, G eller H typer i henhold til American Petroleum Institute (API).

Boreoperasjoner er kontinuerlige og kostbare og foregår 24 timer i døgnet. Dette er spesielt tilfelle ved offshore plattformer eller dypvannsoperasjoner hvor det er meget høye daglige kostnader. Mens boringen foregår kontinuerlig krever sementeringsprosessene tid for å sementen skal sette seg og dette kalles "wait on cement" (WOC) tid for at sementen skal sette seg og bli herdet etter at den er plassert i brønnen. Vanligvis er det god praksis å forsøke å minimalisere WOC tiden så mye som mulig. Det er derfor et kryssende hensyn mellom nødvendigheten av og ønsket om å retardere settingen av sementen tilstrekkelig til at den trygt kan plasseres i flytende tilstand i brønnen slik at den får riktig posisjon og nødvendigheten av og ønsket om å vente så kort tid som mulig på at sementen skai sette seg.

Portland sementsystemer har vist seg å være effektive for de fleste olj ebrønnsementeringsoperasj oner. Portland sement har likevel noen begrensninger i enkelte spesielle tilfeller hvor de resulterende meget lange WOC tidene gjør det vanskelig å plassere sementen og likevel herde (sette) langs hele kolonnen innen en akseptabel tid. Noen ganger er temperaturdifferansen mellom toppen av sementkolonnen og bunnen av sementkolonnen slik at sementen ikke setter seg ved toppen av kolonnen. Reperasjonsementjobber må da foretas på bekostning av ytterligere tid og penger.

Portland sement har som det er vel kjent begrenset ytelse når det gjelder mekaniske egenskaper for set-sement. Ikke alle olje-eller gassbrønner oppviser like egenskaper fra brannveggen til foringsrøret og sementplaten som er festet til disse varierer. Noen ganger er sementen ikke hard nok. Denne egenskapen er relatert til trykkstyrken av sementen. I andre brønnkonfigurasjoner er ikke sementen duktil nok til å absorbere trykkendringer i løpet av brønnens levetid og kunne derfomeres uten å feile, dvs. utvikle sprekker. I de sistnevnte tilfellene har industrien forsøkt å forbedre duktiliteten av set sement ved å redusere sementens Young's Modul eller å modifisere dens Poisson forhold.

I noen andre konfigurasjoner ble de vist at svikt i sementplaten under brønnens levetid kunne skyldes strekkrefter på sementplaten. Portland sementsystemer oppviser tilstrekkelig høy trykkstyrke i de fleste tilfeller til å være et passende material for buk i oljebrønner, men er ikke funnet tilfredsstillende når det gjelder strekkstyrke eller Young's Modul, Poisson forhold osv.

Fra US patentsøknad 2006/0289163 er det kjent en sementslurry inneholdenende aluminatsement med et aluminat innhold på mindre 30vekt %, microsilica i en mengde av mindre enn 35 vekt% basert på vekten av sement, mineralpartikler i en mengde av mindre enn 35 vekt% basert på vekten av sement, en vannløselig ftuidiseirngsmiddel i en mengde av 0,2 til 3 vekt% basert på vekten av sement og vann i en mengde av maksimum 40% basert på sement Det er i denne publikasjonen angitt at sementen har en meget god bestandighet i agressive medier, særlig ved meget lave pH verdier. Det er imidlertid i US patentsøknad 2006/0289163 angitt noe om settetid og eller WOC tid for sementsystemet.

Det er derfor et behov for å frembringe sementsystemer som oppviser bedre mekaniske egenskaper for setsement og som ikke feiler under levetiden av brønnen. Det vil også være fordelaktig å benytte systemer som trenger kortere WOC tider. Dette er spesielt tilfelle for anvendelse som sementplugger og Kick-off plugger hvor kortere WOC tid er meget viktig ettersom det kan være nødvendig å gjenta sementeringsprosessen. Det er vel kjent at suksessrate ved setting av for eksempel en sement kick-off plug er mindre enn 1 av 2. Mislykkede kick-off plugger er ofte blitt tillagt mangel på trykkstyrke for sementen som plasseres i brønnen. Et sementsystem som kan forbedre suksessraten ved at det utvikler en forbedret tidlig trykkstyrke vil ha betraktelige fordeler både når det gjelder virkning og økonomi.

Mislykket plassering av sement for å fremskaffe isolering av soner er noen ganger relatert til vanskeligheter med å retardere sementslurrien tilstrekkelig og på same tid oppnå tilstrekkelig trykkstyrke. Konvensjonelle Portland sementsystemer kan være spesielt sensitive for temperaturvariasjoner i visse temperaturområder i området 90-130°C. Når et sementsystem retarderes for temperatur i området 120-130°C har den vanskelig for å sette ved for eksempel, 90°C. Denne overretardeirngseffekten er ødeleggende for soneisolering og trenger noen ganger reparasjon etter den primære sementeringsoperasjonen. Det er derfor et behov for et sementsystem som har redusert sensivitet for temperaturvariasjoner sammenlignet med tradisjonelle Portland sementer. I de tidligere kjente systemer er det også vanskeligheter i forbindelse med fremstilling av sementslurryene på plassen. Dette har typisk omfattet blanding av korrekt forhold mellom tørr sement og en premix av vann inneholdende forskjellige kjemikalier som retarderende midler, dispergeringsmidler etc. Å oppnå korrekt tetthet gjennom hele sementeringsoperasjonen er en utfordring når man betrakter den irregulære pneumatiske flyt av sementblandingen eller andre driftsforhold. Det er derfor et behov for et sementsystem som oppviser mindre sensivitet av tetthetsvariasjoner enn Portland sementsystemer.

I de tidligere kjent systemer er stort væsketap i brønnen ofte erfart, og selv ved bruk av et middel for å redusere væsketap, kan sementeringsjobben mislykkes på grunn av feilestimering av omgivelsene nede i brønnen. Det er derfor behov for et sementsystem med god inherent væsketapsreduserende mekanisme, dvs. tett pakkede partikler som danner en tett filterkake som hindrer væsketap.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er det fremskaffet en sementsammensetning omfattende 35-50% basert på vekt av tørre komponenter av kalsiumaluminatsement som inneholder minst 50 vekt% AI2O3, 20-35% basert på vekten av tørre komponenter av microsilica, et dispergeringsmiddel, 5-30% basert på vekt av tørre komponenter av mineralpartikler, vann og eventuelt et retarderende middel.

Sementsammensetningen i henhold til oppfinnelsen er spesielt anvendbar for sementplugger, brønner som trenger meget høy trykkstyrke og også når den er modifisert for større fleksibilitet, brønner som krever meget høy strekkstyrke og lavere Young Modul. Da systemet er på basert kalsiumaluminatsement er det i stand til å sette ved meget lave temperaturer hvilket gjør systemet anvendbart for dypvannsforhold eller under kalde forhold som kan finnes i kalde land som for eksempel Canada. Ettersom systemet er kalsiumaluminatbasert er det også mer motstandsdyktig mot H2S og/eller CO2tilstedeværelse eller injeksjon og viser også god motstand overfor svake syrer (organiske syrer, så som eddiksyre og maursyre). Sementen i henhold til den foreliggende oppfinnelse kan sette ved en temperatur i området -2 til 200°C hvilket gjør at den er anvendbar for bruk ved en rekke forskjellige omgivelser. Ved den lavere ende av dette temperaturområdet vil det være nødvendig å tilsette en herdeakselerator til systemet før sementen tømmes og bringes på plass. Akseleratoren (når den er tilstede) kan velges fra gruppen av forbindelser bestående av litiumhydroksid, litiumkarbonat, litiumsulfat, litium- klorid, litiumnitrat, kalsiumhydroksid, kaliumhydroksid, kaliumkarbonat, natriumhydroksid, natriumkarbonat, natriumsulfat og meget fortynnet svovelsyre. Akseleratoren kan være tilstede i en konsentrasjon i området 0,01-1 vekt%.

Sementsammensetningen kan benyttes for alle typer oljefeltsementeringsoperasjoner (primær, reparasjon etc.) men er spesielt egnet for bruk ved de følgende forhold: Sementplugger (kick-off og avstengningsplugger ("plug og abandonement", P&A), sideforgreninger, dypvannsbrønner og i kalde omgivelser, syremotstand, CO2og H2S tilstedeværelse, og termisk sementering. Disse sementsammensetningene kan også anvendes utenfor oljefelt i tilfeller hvor en rask settetid er ønskelig slik som reparasjon av rullebaner på flyplasser eller injeksjon eller reparasjon av ildfaste materialer i øser og lignende.

Dispergeringsmiddelet kan velges fra gruppen bestående av natriumfosfatsalter. Mer spesielt kan dispergeringsmiddelet velges blant natriumheksametafosfat (SHMP), natriumtripolyfosfat (STPP) og natriumtrimetafosfat (STMP), eller kombinasjoner av disse. Bruk av SHMP er foretrukket. Dispergeringsmiddelet kan være tilstede i en konsentrasjon i området 0,05-0,5%

(eller 0,2-0,5%) basert på vekten av tørre komponenter.

Uttrykket "microsHica" som benyttes i beskrivelsen og kravene foreliggende søknad er partikkelformet, amorf Si02 utvunnet fra en prosess hvor silika (kvarts) reduseres til SiO-gass og hvor reduksjonsproduktet oksideres i gassfase for å danne amorf silika. Microsilica kan inneholde minst 70 vekt % silika (SiC^) og har en spesifikk vekt av 2,1-2,3 g/cm<3>og et overflateareal av 15-40 m<2>/g (BET). Primærartiklene er i det vesentlige sfæriske og har en gjennomsnittlig størrelse på 0,15 um. Microsilica oppnås fortrinnsvis som et koprodukt ved fremstilling av silisium eller silisiumlegeringer i elektriske reduksjonsovner. I disse prosessene dannes det store mengder microsilica. Microsilica gjenvinnes på konvensjonell måte ved bruk av posefiltre eller andre oppsamlingsapparater. Microsilica som anvendes i den foreliggende oppfinnelse kan være MS grade 971 eller MS grade 968 som selges av Elkem AS. Alternativt kan amorf silica fra smelting av zirkonsand også anvendes. Slik silica har en lignende morfologi som microsilica, men kan ha et noe lavere spesifikt overflateareal, for eksempel. 5-15m<2>/g (BET).

Bruk av microsilica forbedrer pakkingen av partiklene som igjen fører til gode mekansiske egenskaper i den tørre sementen. Slurryen som dannes når sementen blandes med vann har forbedrede reologiske egenskaper sammenlignet med kjente sementslurryer.

Microsilica kan være tilstede i området 20-35% basert på vekten av tørre komponenter.

Mineralpartikler med en partikkelstørrelse mindre enn 500 um kan tilsettes som et fyllstoff, hvilket også ytterligere forbedrer partikkelpakkingen og de mekaniske egenskapene. Disse partiklene kan velges blant silikamel (malt krystallinsk silika), aluminiumoksid fines med en partikkelstørrelse av ca. 25 nm. Mineralpartiklene som anvendes i den foreliggende oppfinnelse kan være tilstede i området 5-30% basert på vekten av tørre komponenter. Kombinasjonen av partikler med forskjellige størrelser av sement, mineralpartikler og microsilica vil resultere i tettest mulig pakning og derved gi sementsystemet en god innebygget væsketap kontroll og samtidig forbedrede mekaniske egenskaper.

Det retarderende middelet kan velges fra gruppen bestående av hydroksykarboksylsyrer slik som sitronsyre, vinsyre, gluconsyre og deres salter, borsyre og dets salter, natriumklorid natriumnitrat, etylendiamin, tetraaceticdinatriumsalt, kaliumsulfat og kaliumklorid. Bruk av sitronsyre er foretrukket. Det retarderende middelet kan være tilstede i området 0-1% (eller 0,001-1%) basert på vekten av tørre komponenter.

Sementsammensetningen i henhold til den foreliggende oppfinnelse kan også inneholde hule mikrokuler. Disse kan tilsettes for å kontrollere tettheten av sementen og gjøre denne lettere. Tilsats av hule mikrokuler øker porøsiteten av sementen og påvirker derved styrken (både trykkstyrke og strekkstyrke av den herdede sementen. De hule mikrokulene kan utgjøres av glassmikrokuler som de som selges under varemerket 3M~Scotchlite» fra 3M, eller av Cenosphere. De hule mikrokulene kan være tilstede i området 0-30% (eller 15-25%) basert på vekten av tørre komponenter.

Sementsammensetningen kan alternativt eller i tillegg omfatte en eller flere fibre. Disse kan også påvirke de endelige egenskapene av den herdede sementen. Fibrene kan være plastfibre eller cellulosefibre. Eksempler på plastfibre som kan benyttes inkluderer polypropylen, polyvinylacetat og polyetylen. Fibrene kan være tilstede i området 0-5% (eller 1-3%) basert på vekten av tørre komponenter.

Sammensetningen kan også i tillegg inneholde vektmaterialer. Disse kan tilsettes for å kontrollere tettheten av sementen. Eksempler på passende vektmaterialer inkluderer: baritt, hematitt, sideritt, dolomitt, manganomanganioksid, ilmenitt og kalsiumkarbonat. Vektmaterialene kan være tilstede i området 0-70% (eller 0-5%) basert på vekten av tørre komponenter.

I noen tilfeller er det ønskelig at sementen har en viss duktilitet for å kunne absorbere trykkendringer under levetiden av brønnen og at den kan deformeres uten å sprekke, når væsker med forskjellig tetthet "swappes" i brønnen eller når man produserer hydrokarboner. I disse tilfellene kan sementsammensetningen i tillegg inkludere et elastomert pulver. Eksempler på elastomere pulvere som kan anvendes er Ecorr RNM45(RTM) og Eliokem XRP-046(RTM). Det elastomere pulveret kan være tilstede i området 0-6% (eller 0,15-0,3%) basert på vekten av de tørre komponentene.

I noen operasjoner slik som P&A (plug and abandonment) sementplugger, er det i mesteparten av tiden nødvendig å anbringe en sementblandingsenhet på plattformen for å utføre operasjonen. Ettersom systemet ifølge oppfinnelsen oppviser en "sovende" periode på opp til flere uker kan man forvente at P&A operasjonene (så vel som andre sementeringsoperasjoner kan forbedre vesentlig rent logistisk ettersom det ikke er nødvendig med blanding på stedet. Ferdig blandet sementslurry kan transporteres som en premix i flytende form til plattformen og pumpes ved hjelp av en eneste pumpe. Kvaliteten av sementslurryen vil også garanteres ved det nye systemet ettersom slurryen kan fremstilles i kontrollerte omgivelser hvor den kan underkastes kvalitetskontroll før den sendes til sluttbrukerstedet.

Oppfinnelsen vil i det etterfølgende bli nærmere beskrevet under henvisning til ikke-begrensende eksempler og til tegningene.

Eksempler

Det ble fremstilt tre forskjellige typer sementsammensetninger i henhold til den foreliggende oppfinnelse, en for høystyrke anvendelser, en for bruk når en "fleksibel" sement trenges og en for situasjoner hvor der er nødvendig å benytte et lettvektsement, for eksempel med en spesifikk vekt av 1,46 eller mindre. Eksempler på sammensetninger av hver av disse tre sammensetningene er vist i tabell 1 nedenfor.

Hver av de tre sementsammensetningene ble fremstilt og deretter testet for reologiske egenskaper inkludert plastisk viskositet (PV), Yield Point (YP) og flyt ved forskjellige rpm. Sementsammensetningene må ha egenskaper som gjør at de kan helles som en slurry til ønsket sted og deretter være i stand til å sette så raskt som mulig. Pumpetiden kan være mellom 2 og 5 timer ved temperaturer fra for eksempel 25-130 °C. For å være effektiv er det ønskelig at de har en PV på 300cP eller mindre og et YP på SOlb/lOOft<2>eller mindre ved et faststoffinnhold på ca. 60% vol. Detaljer for hver av de tre sementsammensetningene er gitt i tabell 2 nedenfor.

En vesentlig egenskap ved sementsammensetningene i henhold til oppfinnelsen er settetiden og særlig Wait-On-Cement tid (WOC). Disse bør begge være så korte som mulig uten å gå på akkord med styrken av den dannede sementpluggen. Settetiden er definert som tiden det tar fra fullført støping av sementslurryen til den har oppnådd en styrke på 0,34 MPa. WOC tiden er tidsperioden fra fullført støping av sementslurryen til sementen har oppnådd en styrke på 3,45 MPa. Tabell 3 viser detaljer for settetid og WOC samt utvikling av trykkstyrken for de tre sementslurryene ifølge oppfinnelsen målt med en SGSA (Static Gel Strength Analyzer).

Figur 1 viser et diagram for utvikling av trykkstyrke med tiden for de tre eksemplene av sementsammensetninger.

En sammenligning av høystyrkesementen i henhold til den foreliggende oppfinnelse med to kommersielt tilgjengelige sementplugger basert på Portland sement er vist i tabell 4.

Figur 2 viser effekten på WOC tiden av varierende mengde av retarderende middel i sementsammensetningene (sitronsyre i disse eksemplene). En høystyrkesement ble benyttet for forsøkene. Som det kan ses fra figur 2 vil tilsats av retarderende middel i en mengde over ca 0,5 vekt% basert på den tørre blandingen vesentlig øke WOC tiden. For tilsats under 0,5 vekt% er imidlertid WOC tiden mindre enn 10 timer hvilket er en vesentlig forbedring i forhold til tidligere kjente sementer.

Tabell 5 nedenfor viser resultatene for test av mekaniske egenskaper for de forskjellige sementsetningene i henhold til oppfinnelsen og spesielt styrke (både strekk og trykk) såvel som Young's Modul. I noen tilfeller er det nødvendig at sementen har både tilstrekkelig høy strekkstyrke og trykkstyrke.

Som det kan ses av resultatene over resulterer tilsats av fiber til en høystyrkesement en forbedring av Young's Modul samtidig som styrkeegenskapene opprettholdes.

Detaljer for trykkstyrketestprosedyren er som følger.

Sementslunyer i henhold til oppfinnelsen ble fremstilt og før støping ble slurryen inneholdt i en container ristet for hand. Sammensetningen av sementslurryene er vist i tabell 6. Testprøvene ble støpt i plastsylindre (5x1 Ocm) utstyrt med lokk. Sylindrene ble plassert i en vannfylt stålsylinder ved et trykk på -210 bar (3000psi) i et varmeskap. Temperaturen ble innstilt på 80°C og prøvene ble herdet i 5 dager. En uniform temperatur ble oppnådd i varmeskapet etter~6 timer. Før testing ble prøvene kuttet i begge ender for å oppnå plane flater.

E-modulene ble målt ved bruk av en Zwick Z020. Dette er et instrument som har en trykkstyrkebegrensning på 20 KN. For E-modulmålinger ble det benyttet en forlast på 50 N. Lasten ble øket til 10 kN. E-modulene som er angitt er beregnet basert på målt kompresjon fra 5 til 10 KN. Lasten ble deretter redusert til 50 N før den igjen ble økt til 20 KN. E-modulene kalt E-hystere ble målt igjen mellom 5 og 10 kN. E- hystereseverdiene ble funnet å være redusert i forhold til E-modulverdiene. De er rapportert å gi en mer nøyaktig verdi enn E-modulene.

For trykkstyrkemålinger ble et benyttet en ToniTechnik med en øvre grense på 3000 KN. Ettersom prøvene ikke gikk i stykker, men kunne ta økende last etter at sprekker startet å utvikle seg, er verdiene angitt i tabell 7 tatt fra kurvene i figure 3 og de er lasten hvor det første tegn på sprekkutbredelse for hver prøve kunne detekteres.

Detaljer ved testing av strekkstyrke er som følger. Dette er også kjent som den brasilianske testmetode.

Blandemetoden og fremstillingsmetoden for prøven var den samme som beskrevet ovenfor i forbindelse med kompresjonstestingen.

Prøvene ble testet i et Zwick Z020 apparat. Selv om prøve 6-3 ble funnet å sprekke ved en last på 10282 N gikk den ikke istykker og kunne fortsatt holde en last på 20 kN. Prøve 7-3 holdt en last på 20 kN og ble også testet i ToniTechnik testeapparatet. Her var den rapporterte last mindre enn 20 KN hvilket kan være forårsaket av at prøvene ble belastet for andre gang.

ToniTechnik resultatene vist i tabell 8 nedenfor ble tatt fra figur 4 og var lasten ved første tegn til sprekkutbredelse for hver prøve.

Konsistometertestine av prøvene 6 og 7:

Som for styrketestene ble sementslurryene fremstilt og ristet for hånd før støping. Slurryene ble plassert i et HTHP-konsistometer ved et trykk på -210 bar og ved omgivelsestemperatur for prøvene 6 and 7-1. For prøve 7-2 ble starttemperaturen for konsistometeret satt til 35 °C. Etter plassering av prøvene ble temperaturen i konsistometeret øket til 80 °C.

Temperaturen som ble målt når sprekkdannelse er funnet å ha startet er vist i tabell 9 nedenfor. Tidsrommene mellom hver logging ble satt til 2 minutter for prøvene 6 and 7-1. På grunn av dette og en meget kort settetid for prøve 7-1 som nesten ble mistet, ble prøve 7-2 kjørt en andre gang med et loggeintervall på 5 sekunder. I løpet av de første 45 minuttene av trykkloggingen og 8 minutter av temperaturloggingen for prøve 7-2 mistet man kommunikasjonen med sensorene. Manuelle loggeverdier ble derfor benyttet og kan sees som rette linjer vist på figurene 5 til 7. Når testbeholderen ble åpnet etter testing av prøvene 7 bie det funnet at fibrene hadde festet seg til bladene på den statiske røreren.

Sementsammensetningene i henhold til den foreliggende oppfinnelse er blitt funnet å være stabile i slurryform med lite eller intet tap av egenskaper når de etterpå ble testet. En prøve av høystyrkesement ble splittet i to og den første prøven ble testet mens den andre prøven ble lagret i en lukket boks i en uke. Den andre prøven ble deretter fjernet og testet og resultatene for test av begge prøvene er vist i tabell 10 nedenfor.

Figur 8 viser grafisk trykkstyrken som funksjon av tiden for de to prøvene og det kan sees at kurvene følger hverandre meget tett.

Sementsammensetningene i henhold til den foreliggende oppfinnelse oppviser signifikant mindre variasjoner som en funksjon av temperatur enn kjente sementsammensetninger. For det første, som vist på figur 9 viser WOC tiden for en sementsammensetning i henhold til den foreliggende oppfinnelse noe variasjon avhengig av temperatur. Imidlertid kan det ses med referanse til figur 10 at variasjonen som funksjon av temperaturen er signifikant mindre enn for de tidligere kjente sementsammensetninger. Videre kan det sees av figur 11 at enhver variasjon i trykkstyrke som oppnås ved forskjellige temperaturer vesentlig reduseres med tiden. Sementsammensetningene i henhold til den foreliggende oppfinnelse som ble testet og hvor resultatene er vist på figurene 9, 10 og 11 hadde samme sammensetning med konstant innhold av retarderende middel slik at de påviste effektene skyldes forskjeller i temperatur.

Lettvektsement

Effekten av å inkludere glasskuler for å redusere tettheten av sementsammensetningene er vist i tabell 11. De reologiske egenskapene, WOC tiden og endelig styrke er alle akseptable for bruk i mange anvendelser. Den endelige styrken på 31,0 MPa eller høyere er meget god og WOC tid på mindre enn 12 timer for alle prøvene samt betydelig lavere i de fleste prøvene utgjør en vesentlig forbedring i forhold til den kjente teknikk.

Fleksibel sement

I en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse tilsettes et elastomert materiale eller gummi til sementblandingen for å gjøre denne mer fleksibel slik at den kan reagere på bevegelser over tid (for eksempel som resultat av temperaturvariasjoner) uten å sprekke og feile. Som det kan sees av resultatene i tabell 12 nedenfor er reologiske egenskaper, WOC tid og sluttrykkstyrke god.

Tykningstid

Sementsammensetningene ifølge den foreliggende oppfinnelse oppviser en meget hurtig økning i styrke etter settetiden. Dette er viktig da det minimaliserer gassmigrasjon ut gjennom sementen mens den settes og potensielt forårsaker svakheter inne i sementen. Som det kan sees fra figure 12 er det en plutselig rett vinkel omkring 8,5 timer (for denne prøven).

Tetthetsvariasjoner

Sementsammensetningene i henhold til den foreliggende oppfinnelse er langt mindre sensitive for variasjoner i tetthet på grunn av mengden av vann som tilsettes til sementblandingen. Tabell 13 viser at varierende mengder av vann i betydelige mengder (opp til 20% mer eller mindre) har en tolererbar effekt på WOC tiden og sluttstyrken for sementen.

En sluttstyrke på mer enn 69 MPa selv med et overskudd av 20% for mye vann er meget bra. Portland sementsystemer er ikke særlig tolerant og varierer betydelig med vanninnholdet.

Væsketap

En test for å måle væsketap egenskapene for sementen over tid kan utføres som følger. En testcelle fremstilles i henhold til API spesifikasjoner. Cellen forvarmes til ønsket temperatur. Når cellen har nådd ønsket temperatur slås varmen av og cellen fylles med ftuidprøven. Etter at cellen er lukket plasseres den tilbake i varmecellen og sikres. Prøven settes under trykk som opprettholdes inntil ønsket temperatur er nådd og har stabilisert seg. Oppvarmingstiden for prøven skal aldri overstige 1 time. Den øvre og nedre grense for trykkdifferansen bestemmes ved testtemperaturen.

Når væsken når ønsket temperatur økes trykket på toppen av prøven til 500psi høyere en tilbaketrykket. En ventil ved bunnen åpnes for å initiere filtrering. Filtratet oppsamles i 30 minutter mens den valgte testtemperaturen opprettholdes på +/- 3°C. Når testen er ferdig lukkes ventilene og cellen forsegles. Systemet avkjøles og all filtrat oppsamles. Toppen av cellen fjernes og prøven kastes og filterkaken tas vare på. Denne skrapes forsiktig av det myke topplaget av filterkaken og tykkelsen måles. En væsketap test av høystyrkesement med en sammensetning som angitt i tabell l ble foretatt uten tilsats av væsketap reduserende middel og med et tilbaketrykk på 6,9 MPa ved 60°C. Resultatet viste 28 ml væsketap, en filterkake på 30 mm og ikke noe fritt vann, hvilket indikerer at sammensetningen har en meget god naturlig væsketap kontroll.

Claims (23)

1. En sementsammensetning omfattende 35-50%, basert på vekt av tørre komponenter av kalsiumaluminatsement inneholdende minst 50 vekt% AI2O3, et dispergeringsmiddel, 20-35% basert på vekt av tørre komponenter av microsilica, 5-30% basert på vekt av tørre komponenter av mineral partikler, vann og eventuelt et retarderende middel.

2. Sementsammensetning ifølge krav, 1, hvor dispergeringsmiddelet er valgt fra gruppen bestående av natriumfosfatsalter.

3. Sementsammensetning ifølge krav 2, hvor dispergeringsmiddelet er valgt fra gruppen bestående av natriumheksametafosfat (SHMP), natriumtripotyfosfat (STPP) og natriumtrimetafosfat (STMP), eller kombinasjoner av disse.

4. Sementsammensetning ifølge hvilket som helst av de foranstående krav, hvor dispergeringsmiddelet er tilstede i en konsentrasjon i området 0,05-0,5% basert på vekten av tørre komponenter.

5. Sementsammensetning ifølge krav 4, hvor dispergeringsmiddelet er tilstede i en konsentrasjon i området 0,2-0,5% basert på vekten av tørre komponenter.

6. Sementsammensetning ifølge hvilket som helst av de foranstående krav, hvor mineralpartiklene er silikamel eller alumina.

7. Sementsammensetning ifølge hvilket som helst av de foranstående krav, hvor det retarderende middelet er valgt fra gruppen bestående av hydroksykarboksylsyrer slik som sitronsyre, vinsyre, gluconsyre og deres salter, borsyre og dets salter, natriumklorid, natriumnitrat, etylendiamin, tetrasitronsyredinatriumsalt, kaliumsulfat og kaliumklorid.

8. Sementsammensetning ifølge krav 7, hvor det retarderende middelet er sitronsyre.

9. Sementsammensetning ifølge hvilket som helst av de foranstående krav, hvor det retarderende middelet er tilstede i området 0-1% basert på vekten av tørre komponenter.

10. Sementsammensetning ifølge krav 9, hvor det retarderende middelet er tilstede i området 0,001-1% basert på vekten av tørre komponenter.

11. Sementsammensetning ifølge hvilket som helst av de foranstående krav, hvor sammensetningen videre inneholder hule mikrokuler.

12. Sementsammensetning ifølge krav 11, hvor de hule mikrokulene er glassmikrokuler eller cenosphere.

13. Sementsammensetning ifølge krav 11, hvor de hule mikrokulene er tilstede i området 0-30%, eller i området 15-25% basert på vekten av tørre komponenter.

14. Sementsammensetning ifølge hvilket som helst av de foranstående krav, hvor sammensetningen videre inneholder fibre.

15. Sementsammensetning ifølge krav 14, hvor fibrene er valgt blant plast eller cellulose.

16. Sementsammensetning ifølge krav 15, hvor plastfiberne er valgt blant polypropylen, polyvinylacetat og polyetylen.

17. Sementsammensetning ifølge krav 14-16, hvor fibrene er tilstede i området 0-5%, eller i området 1-3% basert på vekten av tørre komponenter.

18. Sementsammensetning ifølge hvilket som helst av de foranstående krav, hvor sammensetningen videre inneholder vektmidler.

19. Sementsammensetning ifølge krav 18, hvor vektmidiene er valgt blant baritt, hematitt, sideritt, dolomitt, manganomanganioksid, ilmenitt og kalsiumkarbonat.

20. Sementsammensetning ifølge krav 18 eller 19, hvor vektmidiene er tilstede i området 0-70%, eller i området 0-5% basert på vekten av tørre komponenter.

21. Sementsammensetning ifølge hvilket som helst av de foranstående krav, hvor sammensetningen videre inneholder elastomert pulver.

22. Sementsammensetning ifølge krav 21, hvor det elastomere pulveret er valgt blant Ecorr (RTM) og Eliokem (RTM).

23. Sementsammensetning ifølge krav 21 eller 22, hvor det elastomere pulveret er tilstede i området 0-6%, eller i området 0,15-0,3% basert på vekten av tørre komponenter.