NO344261B1

NO344261B1 - Sementblanding med fleksible korn og fremgangsmåte ved sementering i en underjordisk formasjon.

Info

Publication number: NO344261B1
Application number: NO20053778A
Authority: NO
Inventors: Krishna M Ravi; Raghava B Reddy; Michael J Szymanski
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2003-01-24
Filing date: 2005-08-09
Publication date: 2019-10-21
Also published as: AR042918A1; US20050061206A1; EP1590308B1; WO2004065321A1; CA2513561C; EP1590308A1; US7543642B2; NO20053778L; EP3012238B1; EP3012238A1; CA2513561A1; US20040144537A1

Description

Sementblanding med fleksible korn og fremgangsmåte ved sementering i underjordiske formasjoner

Oppfinnelsens område

Oppfinnelsen angår generelt sementering av underjordiske formasjoner penetrert av borehull. Mer spesifikt angår oppfinnelsen sementblandinger omfattende fleksible, kompressible korn og fremgangsmåter for å lage slike blandinger.

Oppfinnelsens bakgrunn

Brønnsementering er en prosess som benyttes ved penetrering av underjordiske soner (også kalt underjordiske formasjoner) for å utvinne underjordiske ressurser så som gass, olje, mineraler og vann. Sirkulasjon av borevæske blir så terminert og en rørstreng, for eksempel et foringsrør, blir så ført inn i borehullet. Borevæsken i brønnen blir kondisjonert ved å sirkulere den ned gjennom det indre av røret og opp gjennom ringrommet som befinner seg mellom utsiden av røret og borehullets vegger. Deretter utføres primær sementering hvorved et slam (en slurry) av sement og vann blir plassert i ringrommet og gitt anledning til å stivne til en hard masse (det vil si en kappe) for derved å feste rørstrengen til veggene av borehullet og tette ringrommet.

Sement med lav tetthet, eller lettvekts sement, blir ofte benyttet i brønner som strekker seg gjennom svake underjordiske formasjoner for å redusere det hydrostatiske trykket som påføres den svake formasjon fra sementkolonnen. Konvensjonelle lettvekts sementblandinger lages ved å tilsette mer vann for å redusere slurryens tetthet. Andre materialer, så som bentonitt, diatoméjord og natrium metasilikat kan bli tilsatt for å hindre faststoffer i slurryen fra å bli separert ut når vannet tilsettes. Dessverre har denne metoden den svakhet at tilsetning av mer vann øker herdetiden og reduserer styrken av den resulterende sement.

Lettvekts sementblandinger inneholdende hule kuler er blitt utviklet som et bedre alternativ til sementblandinger inneholdende store mengder vann. De hule kuler er typisk cenosfærer, hule glasskuler, eller keramiske, hule kuler. Cenosfærer er hule kuler som primært inneholder silika (SiO2) og alumina (Al2O3) og som er fylt med gass. Cenosfærer er et naturlig forekommende biprodukt av en kullfyrt kraftstasjon. Størrelsen kan variere fra omtrent 10 til 350 µm. Disse hule kuler reduserer tettheten til sementblandingen slik at mindre vann kreves for å danne sementblandingen. Herdetiden for sementblandingen blir derfor redusert. Videre har den resulterende sementen overlegne mekaniske egenskaper sammenlignet med sement dannet ved å tilsette mer vann. For eksempel er strekkfastheten og trykkfastheten av sementen høyere.

I løpet av levetiden for brønnen blir sementkappen utsatt for skadelig syklisk belastning som følge av endringer i trykk og temperatur som følger av operasjoner som trykktesting, boring, frakturering, sementering og utbedrende operasjoner. Konvensjonelle, hule kuler lider av den ulempe at de er sprø og skjøre og ofte ikke er i stand til å motstå slike sykliske belastninger. Som et resultat utvikler sementkappen sprekker og svikter derved med hensyn til å danne isolasjon mellom ulike soner for hele levetiden av brønnen. Det er således et behov for å utvikle en mindre skjør sement som har egenskaper som gjør det mulig for den å motstå fluktuasjoner i trykk og temperatur gjennom brønnens levetid. Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer sementblandinger som kan motstå sykliske belastninger som forekommer i løpet av levetiden for en brønn.

Fra GB patent nr.2354236 A er det kjent sementblandinger som inneholder elastiske partikler for å tillate sementen å bli trykket sammen til et redusert volum når den utsettes for trykk slik tilfellet vil være nede i en oljebrønn eller lignende. Det elastiske materialet som benyttes kan for eksempel være poly (styren – divinylbenzen) eller andre to-komponent elastiske partikler. Andre lettvekts partikler kan også inngå i sementblandingene så vel som beskyttende polymerbelegg.

US patent nr.4057 526 omhandler en prosess for å lage frostbestandig betong som omfatter hule, gassinneholdende polymerkuler.

Norsk patentsøknad nr.20040328 beskriver sementblandinger for bruk i olje- og gassbrønner som inneholder et ekspanderbart materiale i form av polymerinnkapslet isobutan eller isopentan.

Kort om oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse angår sementblandinger som inneholder fleksible, kompressible korn, en fremgangsmåte for å tilberede slike sementblandinger og fremgangsmåter for å sementere i en underjordisk formasjon ved bruk av slike sementblandinger.

Konkret omhandler foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte ved sementering i en underjordisk formasjon som angitt ved patentkrav 1 og en sementblanding som angitt i patentkrav 18. Foretrukne utførelsesformer fremgår av de uselvstendige patentkrav.

En eller flere fleksible, kompressible korn blir blandet med sementen før sementslurryen pumpes inn i brønnen. De fleksible, kompressible korn består av et elastomert materiale så som en kopolymer av metylmetakrylat og akrylonitril, en terpolymer av metylmetakrylat, akrylonitril og vinyliden diklorid, fenoliske harpikser, en styren-divinylbenzen kopolymer og polystyren. De fleksible, kompressible korn blir varmet for å ekspandere kornene før de blir blandet med sementen for derved å sikre at sementen får en ønsket tetthet. Ikke-fleksible kuler, så som hule glasskuler, cenosfærer og hule keramiske kuler kan også bli tilsatt sementen.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

I henhold til foreliggende oppfinnelse blir det dannet relativt lettvekts sementblandinger ved å kombinere fleksible, kompressible korn med en hydraulisk sement og en væske så som vann.

Fleksible korn som omtales her, er korn som ved endringer i trykk og/ eller temperatur er i stand til å utvide seg og trekke seg sammen uten på negativ måte å endre strukturen av kornene. De fleksible, kompressible korn er hule objekter som er fylt med et fluid (fortrinnsvis gass), fortrinnsvis sfæriske eller i tilnærmet sfæriske av form og med en elastomer ytre vegg.

Foretrukne, fleksible, kompressible korn har en diameter på omtrent 6 til 150 µm ved 25 °C og atmosfærisk trykk. Fortrinnsvis er fluidet inne i de fleksible, kompressible korn luft, karbondioksid, en inert gass så som nitrogen eller en organisk væske med et lavt kokepunkt, så som n-butan, isobutan eller pentan. Fortrinnsvis har de fleksible, kompressible korn en hovedsakelig uniform, fleksibel ytre vegg og består av en eller flere elastomere materialer. Temperaturen ved hvilken det elastomere materiale smelter eller blir så mykt at det mister sin evne til å holde på fluidet og/ eller ekspandere og trekke seg sammen, er hensiktsmessig høyere enn temperaturen i brønnensom kan variere mellom omtrent 49 °C og 205 °C. Det elastomere materiale er fortrinnsvis en styrenisk polymer, mer foretrukket en kopolymer av metylmetakrylat og akrylonitril eller en terpolymer av metylmetakrylat, akrylonitril og vinyliden diklorid. Fleksible, kompressible korn bestående av denne kopolymer og denne terpolymer er kommersielt tilgjengelige fra Akzo Nobel Inc., i Duluth, Georgia under handelsnavnet EXPANCEL. Flere kornstørrelser av EXPANCEL korn er tilgjengelige og kan bli valgt i avhengighet av ekspansjonsgrad, fysikalsk tilstand og et temperaturområde for en gitt anvendelse. Andre egnede materialer som kan bli benyttet for å danne den fleksible vegg inkluderer, men er ikke begrenset til, en styren-divinylbenzen kopolymer og polystyren. Hule polystyren kuler er tilgjengelige fra mange leverandører av polystyren, så som Huntsman Corporation fra Houston, Texas, (solgt som Grade 27, Grade 51 eller Grade 55) og BASF Corporation fra North Mount Olive, New Jersey (solgt under handelsnavnet STYROPOR). De fleksible, kompressible korn blir inkorporert i sementen i en konsentrasjon som fortrinnsvis er fra omtrent 1 til omtrent 200 vekt-% av vekten av sementen (bwoc), mer foretrukket fra omtrent 2 til omtrent 100 vekt-% og mest foretrukket fra omtrent 5 til omtrent 50 vekt-%.

De fleksible, kompressible korn blir ekspandert før blanding med sementen, ved å varme de fleksible, kompressible korn for å mykne veggen av kornene og for å øke trykket av fluidet (for eksempel gassen) i kornene. Foretrukne, fleksible, kompressible korn er i stand til å ekspandere opp til 8 ganger deres opprinnelige diameter (det vil si diameteren ved 25 °C og atmosfærisk trykk). For eksempel kan EXPANCEL korn med en diameter i området fra 6 til 40 µm etter oppvarming øke diameteren til 20 til 150 µm. Når de blir utsatt for varme, kan kornene ekspandere opp til førti ganger deres opprinnelige volumer. Ekspansjonen av korn blir generelt målt som reduksjon i spesifikk tetthet for det ekspanderte materiale. Såldes, for eksempel når EXPANCEL korn blir varmet til over 100 °C, reduseres tettheten fra 1000 g/ liter for uekspanderte korn til omtrent 30 g/ liter for de ekspanderte korn. Temperaturen til hvilken de fleksible, kompressible korn blir varmet avhenger av polymerens sammensetning i kornveggene og den ønskede tetthet av sementblandingen, som typisk er i området fra omtrent 0,7 til omtrent 2,8 kg/ liter. De fleksible, kompressible korn kan bli tilsatt til sementblandingen ved tørrblanding med sementen før tilsetning av væske så som vann, ved å tilsettes væsken som skal blandes med sementen eller ved å blandes med sementslurryen samtidig med eller etter tilsetning av væsken. Kornene kan på forhånd være suspendert i vann og bli injisert i væsken som skal blandes med sementen eller i sementslurryen som en vandig slurry.

Tensider kan bli tilsatt blandingen for å vannfukte overflaten av kornene slik at de vil forbli suspendert i den vandige fase selv om tettheten til kornene er mindre enn tettheten til vannet. Tensidene er fortrinnsvis ikkeioniske med en hydrofil-lipofil balanse i området 9-18. Tensidets evne til å emulgere to ikke blandbare væsker, så som olje og vann, blir ofte beskrevet i form av verdier for hydrofil-lipofil balanse (HLB). Disse verdier kan variere mellom 0 og 40 og indikerer tensidets evne til å emulgere og har sammenheng med balansen mellom hydrofile og lipofile deler av molekylet. Generelt er tensider med høy HLB verdi mer hydrofile enn de med lav HLB verdi. Som sådan er de mer løselige i vann og blir benyttet i applikasjoner hvor vann utgjør den største eller den eksterne fase mens en mindre polar væske utgjør en mindre eller intern fase. Såldes er for eksempel tensider med HLB verdier i området 3-6 egnet for å lage vann-i-olje emulsjoner, mens de med HLB verdier i området 8-18 er egnet til å lage olje-i-vann emulsjoner. En vanlig benyttet formel for å beregne HLB verdier for ikkeioniske tensider er gitt nedenfor:

HLB = 20 ∙ MH/(MH ML)

hvor MH er formelvekt for den hydrofile del av molekylet og ML er formelvekt av den lipofile del av molekylet.

Når blandinger av tender blir benyttet, blir den samlede HLB verdi for blandingen regnet ut ved å summere HLB bidrag fra forskjellige tensider som vist ved ligningen nedenfor:

HLB = (φ1∙HLB1 φ2∙HLB2 ….. ….. etc.)

hvor φ1∙er vektfraksjon av tensid nr.1 i den totale blanding, HLB1 er den beregnede HLB verdi for tensid nr.1, φ2 er vektfraksjon av tensid nr.2 i den totale blanding, HLB2 er den beregnede HLB verdi for tensid nr.2, og så videre.

Det er blitt observert at en blanding av et foretrukket oljeløselig tensid og et foretrukket vannløselig tensid gir bedre og mer stabile emulsjoner. Spesielt gjelder dette ikkeioniske, etoksylerte tensidblandinger inneholdende fra omtrent 4 til omtrent 14 mol etylenoksid. HLB forholdet for et enkelt tensid eller en tensidblanding som benyttes i henhold til foreliggende oppfinnelse, er fortrinnsvis i området fra omtrent 7 til omtrent 20, mer foretrukket fra omtrent 8 til omtrent 18.

Ved en utførelsesform blir en slurry som har fått økt tetthet gjennom bruk av mindre vann, blir gjort lettere til en ønsket tetthet ved å tilsette ikke ekspanderte eller forhåndsekspanderte, fleksible, kompressible korn for å gjøre den resulterende sement mindre sprø.

Ved en annen utførelsesform blir hule, ikke-fleksible korn blandet med sementen og de fleksible, kompressible korn. Spesielt egnede ikke-fleksible korn er cenosfærer som er kommersielt tilgjengelige fra for eksempel PQ Corporation av Valley Forge, Philadelphia under varenavnet EXTENDOSPHERES, fra Halliburton Energy Services Inc, under varenavnet SPHERLITE og fra Trelleborg Fillite Inc i Atlanta, Georgia under varenavnet FILLITE. Alternativt kan de ikke-fleksible korn være glasskorn eller keramiske korn. De ikke-fleksible korn, spesielt det industrielle avfallsprodukt av type cenosfære, er relativt billige sammenlignet med de fleksible, kompressible korn. Imidlertid har de ikke-fleksible korn større tilbøyelighet til å bli knust når de blir utsatt for nedihulls temperatur- og trykkendringer, og fører til sprø sementblandinger.

Nærværet av fleksible, kompressible korn i sementblandingen gir flere fordeler. For eksempel beskytter de fleksible, kompressible korn den resulterende stivnede sement fra å svikte på grunn av sprøhet i løpet av levetiden til en brønn selv omenkelte av de ikke-fleksible korn måtte kollapse. Det vil si at de fleksible korn og gassen inne i hvert korn trekker seg sammen under trykk og ekspanderer tilbake til opprinnelig volum når trykket fjernes, slik at sementen har evne til å absorbere den påførte belastning. Absorpsjon av energi av de fleksible vegger er antatt å redusere brekkasje av de mer sprø korn når slike blandinger blir brukt. Den fleksible vegg og den innelukkede væske ekspanderer også når temperaturen i brønnen øker, og de trekker seg sammen når temperaturen avtar.

Videre forbedrer de fleksible, kompressible korn de mekaniske egenskaper av den følgende sement, så som dens duktilitet og elastisitet. Sement inneholdende fleksible, kompressible korn oppnår de følgende, fordelaktige egenskaper sammenlignet med den samme sement uten de fleksible, kompressible korn: lavere elastisk (Youngs) modul, høyere plastisk deformasjon, økt strekkfasthet og lavere Poissons forholdstall uten vesentlig å redusere andre ønskede egenskaper så som trykkfasthet.

Ved bestemmelse av relative andeler av fleksible, kompressible korn og ikke-fleksible korn som skal tilsettes sementen for å redusere dens tetthet, bør de ytterligere kostnader som påføres ved å bruke de fleksible, kompressible korn veies mot fordelene som tilveiebringes ved bruk av de samme korn. For eksempel kan mengden av fleksible, kompressible korn som tilsettes sementen være i området fra omtrent 2 % bwoc til omtrent 20% bwoc , mens mengden av ikke-fleksible korn i sementen kan være fra omtrent 10 % bwoc til omtrent 100 % bwoc.

Enhver kjent hydraulisk sement kan bli benyttet ved følgende oppfinnelse, inkludert sement omfattende kalsium, aluminium, silisium, oksygen og/ eller svovel og som stivner og blir hard gjennom reaksjon med vann. Eksempler på egnede hydrauliske sementer er Portland sementer, pozzolane sementer, gipssementer, sementer med høyt aluminiuminnhold, silikasementer og høyalkaliske sementer. Sementen er fortrinnsvis en Portland sement, mer foretrukket en klasse A, C, G eller H Portland sement og mest foretrukket en klasse A, G eller H Portland sement. En tilstrekkelig mengde væske blir også tilsatt sementen i form av en pumpbar, sementholdig slurry. Væsken er fortrinnsvis ferskvann eller saltvann, det vil si en umettet vandig saltløsning eller en mettet vandig saltløsning så som saltlake eller sjøvann. Mengden av vann til stede kan variere og er fortrinnsvis valgt for å tilveiebringe en sementslurry som har ønsket tetthet. Mengden vann i sementslurryen er fortrinnsvis i området fra omtrent 30 % bwoc til omtrent 120 % bwoc, og mer foretrukket i området fra omtrent 36 % bwoc til omtrent 54 % bwoc.

I henhold til hva som anses hensiktsmessig for en fagmann på området, kan ytterligere tilsetningsmidler bli tilsatt til sementblandingen for å forbedre eller endre egenskapene av den resulterende, stivnede sement. Eksempler å slike tilsetningsmidler inkluderer, men er ikke begrenset til, stivneretarderende midler så som lignosulfonater, væsketapsreduserende midler, skumdempende midler, dispergeringsmidler, stivneakseleratorer samt formasjonsbehandlende midler. Andre tilsetningsmidler som kan bli innført i sementblandingen for å hindre sementpartikler fra å avsettes på bunnen av væsken, er for eksempel bentonitt og mikrosilika, som er kommersielt tilgjengelig fra Halliburton Energy Services, Inc under varenavnet SILICALITE.

Videre kan et salt så som natriumklorid bli tilsatt til sementblandingen når boresonen har et høyt saltinnhold.

I foretrukne utførelsesformer blir en prosess for brønnsementering gjennomført ved bruk av sementblandingen inneholdende de fleksible, kompressible korn. Brønnsementeringsprosessen inkluderer boring av en brønn ned til den underjordiske sone mens det sirkuleres en borevæske gjennom brønnen. En rørstreng, for eksempel et foringsrør, blir så ført inn i brønnen. Borevæsken blir deretter kondisjonert ved å sirkulere den ned gjennom det indre av røret og opp gjennom ringrommet som finnes mellom rørets utside og veggene av borebrønnen. Sementblandingen inneholdende fleksible, kompressible korn blir så fortrengt ned gjennom røret og opp gjennom ringrommet hvor den gis anledning til å stivne til en hard masse. Ved alternative utførelsesformer blir sementblandingen benyttet til andre prosjekter så som murerarbeid eller

bygningskonstruksjon.

Eksempler

Oppfinnelsen har blitt generelt beskrevet, mens de følgende eksempler er gitt som spesifikke utførelseseksempler av oppfinnelsen for å vise oppfinnelsens anvendelser og fordeler. Det skal forstås at eksemplene er gitt som en illustrasjon og ikke skal forstås som noen begrensning av beskrivelsen eller kravene som følger.

Eksempel 1

Sementslurry inneholdende EXPANCEL fleksible, kompressible korn ifølge foreliggende oppfinnelse ble laget ved å blande sammen de følgende komponenter i henhold til prosedyren beskrevet i American Petroleum Institute (API) spesifikasjon 10, 5. utgave, 1. juli 1990: Klasse H sement, vann (117,2 % bwoc), SILICALITE mikroslika (16,9 % bwoc), bentonitt (4,0 % bwoc), HALAD-344 væsketapsreduserende middel tilgjenglig fra Halliburton Energy Services, Inc (0,5 % bwoc), SCR-100 stivneretarderende middel fra Halliburton Energy Services, Inc (0,3 % bwoc), natriumklorid (18 % bwoc) og skumdemper (0,095l/sk). En tørr blanding av SPHERLITE cenosfærer tilgjengelige fra Halliburton Energy Services, Inc (55 % bwoc) og EXPANCEL 53 WU korn (10 % bwoc) som består av en kopolymer av metylmetakrylat og akrylonitril med en mykningstemperatur over 93 °C, ble tilsatt til slurryen under langsom omrøring. Slurryen ble utsatt for trykk på 276 bar i en autoklav for å simulere beskadigelse av cenosfærer under brønnbetingelser. Tetthetsverdier for slurryen før og etter trykkbelastning er angitt i tabell 1 nedenfor. En del av sementslurryen ble så helt over i kubiske messing støpeformer på 2 x 2 x 2 tommer (5,1 x 5,1 x 5,1 cm) og herdet ved 57 °C i et trykkammer under et trykk på 359 bar. En annen del av slurryen ble helt inn i 1” x 2” syllindriske stål støpeformer og herdet ved samme temperatur. trykkfastheten ble målt på 2 x 2 x 2 blokkene ved bruk av testutstyr fremstilt av Tinius Olsen i Willow Grove, Pennsylvania i henhold til ASTM (American Society for Testing and Materials) prosedyre C190-97. En belastning/ forskyvningsstudie ble gjennomført på 1 x 2 sylindrene ved bruk av et MTS belastningsramme-instrument fremstilt av MTS Systems Corporation i Eden Prairie, Minnesota, uten bruk av noe begrensendetrykk (vist nedenfor i tabellene 2 og 3).

Eksempel 2

Prosedyren fra Eksempel 1 ble fulgt bortsett fra at EXPANCEL 53 korn ble erstattet av EXPANCEL 820 WU korn, som består av en terpolymer av metylmetakrylat, vinyliden diklorid og akrylonitril, med en mykningstemperatur høyere enn 75 °C.

Eksempel 3

Prosedyren fra Eksempel 1 ble fulgt bortsett fra at EXPANCEL 53 korn ble erstattet av EXPANCEL 551 WU korn, som består av en terpolymer av metylmetakrylat, vinyliden diklorid og akrylonitril, med en mykningstemperatur høyere enn 93 °C.

Sammenligningseksempel 1

Konvensjonell sementslurry inneholdende SPHERLITE ikke-fleksible korn og ingen fleksible, kompressible korn ble laget ved å blande sammen følgende komponenter, klasse H sement, vann (117,2 % bwoc), SILICALITE mikrosilika (16,9 % bwoc), bentonitt (4,0 % bwoc), HALAD-344 væsketapsreduserende middel (0,5 % bwoc), SCR-100 sement stivneretardator (0,3 % bwoc), natriumklorid (18 % bwoc), skumdemper (0,095 l/sk) og SPHERLITE korn (65 % bwoc).

Sementslurryen ble herdet på samme måte som beskrevet i Eksempel 1. Trykkfastheten og belastning/ forskyvning analyse ble også utført som beskrevet i Eksempel 1. Bemerk at tetthetsverdien for slurryene i eksemplene 1-3 og den for den slurryen i sammenligningseksempelet er i hovedsak identiske, tatt i betraktning det eksperimentelle feil ved målemetoden (se tabell 1).

Tabell 1

De bulkmekaniske egenskaper av sementen i eksemplene og sammenligningseksempler er vist nedenfor i tabell 2.

Tabell 2

Som vist i tabell 2 er den trykkfastheten av sementen inneholdende bade fleksible, kompressible og ikke-fleksible korn (eksempler 1-3) større enn trykkfastheten av sementen som bare inneholder ikke-fleksible korn (sammenligningseksempel 1). Verdiene for Youngs modul for sementen i eksempler 1-3 er lavere enn verdien for Youngs modul for sammenligningseksempel 1, hvilket indikerer at å erstatte en del av de ikke-fleksible korn med fleksible, kompressible korn reduserer sprøheten og forbedrer elastisiteten av blandingen. Youngs modul måler de interpartikulære krefter og derved stivheten av materialet. Som sådan er sementene i eksemplene 1-3 mindre stive enn sementen i sammenligningseksempel 1 som ikke inneholder noen fleksible, kompressible korn, samtidig som den forblir elastisk opp til høyere belastningsnivåer.

Dette resultatet er overraskende siden normalt når et mykere eller mer fleksibelt (lavere Youngs modul) materiale blir tilsatt et sprøtt materiale, vil den resulterende blanding ha en lavere trykkfasthet så vel som en lavere Youngs modul. I det foreliggende tilfelle, til tross for at Youngs modul ble redusert som forventet, er trykkfastheten økt, hvilket indikerer en synergistisk interaksjon mellom de fleksible, kompressible korn og de ikke-fleksible, sprø korn. Uten å begrense oppfinnelsen til en bestemt teori er det antatt at belastningen som påføres i en kompressiv modus blir effektivt absorbert av de fleksible, kompressive korn, hvilket fører til økte belastningsverdier ved hvilke de sprø korn og derved hele blandingen svikter.

De mekaniske egenskapene ved flytepunktene av sementene dannet i eksemplene 1-3 og sammenligningseksempel 1 ble funnet gjennom belastnings/ forskyvningsanalysen. Disse mekaniske egenskaper er vist i tabell 3 nedenfor.

TABELL 3

Som vist i tabell 3 er de radielle belastningsverdier ved flyt (det vil si elastisk grense) for sementene i eksemplene 1-3 mye lavere enn den radielle belastning ved flyt for sementen i sammenligningseksempel 1, som følge av den kompressive natur av de fleksible, hule korn under trykk. I tillegg er forholdet mellom aksial belastning og radiell belastning for sementen i eksemplene 1-3 høyere enn tilsvarende forhold for sementen i sammenligningseksempel 1.

Derfor, når et aksialt trykk blir påført sementkolonnen i brønnen, er den radielle ekspansjon betydelig lavere for sementen inneholdende både fleksible, kompressible korn og ikke-fleksible korn sammenlignet med sementen inneholdende bare ikke-fleksible korn, på grunn av reduksjonen i volum av sementen inneholdende de kompressible, fleksible korn. En betydelig radiell ekspansjon under aksial belastning er ventet for sementen inneholdende ikke-fleksible korn slik som beskrevet i sammenligningseksempel 1 eller i sementer hvor vann benyttes for å redusere tettheten. Poissons forholdstall og Youngs modulverdier for sementene i eksemplene 1-3 er gjerne lavere enn eller sammenlignbare med de verdier for flyt for sementen i sammenligningseksempel 1, som vist i tabell 2. Det totale areal under en belastnings/ forskyvningskurve gjenspeiler materialets evne til å absorbere påført belastning i retning av forskyvningen. Sammenligning av arealene under de radiale kurver for sementblandingene i eksempel 1-3 med sementblandingen i sammenligningseksempel 1, indikerer den unike fordelen som tilveiebringes ved tilsetning av fleksible, kompressible korn til sementblandingen.

Som følge av deres kompressible natur absorberer kornene den aksiale belastning uten å måtte fordele belastning i radiell retning. Som et resultat av dette er den radielle spredning av påført aksial belastning betydelig lavere for blandingene i eksemplene 1-3 enn for sammenligningseksempel 1. Resultatet viser klart at i løpet av levetiden for en brønn vil de påførte belastning er primært bli absorbert av de fleksible, kompressible korn uten å kreve endrede dimensjoner for sementkolonnene.

Eksempel 4

EXPANCEL 53 WU korn ble suspendert I tre ganger volumet av vann sammenlignet med volumet av kornene, og den resulterende slurry ble matet inn I en sylinder beholder av rustfritt stål, utstyrt med et lokk til hvilket et røreblad var festet. Slurryen fylte 1/4 av det tilgjengelige volum i beholderen etter at lokket var satt på. Beholderen ble deretter ført inn i et varmet vannbad av et HOWCO sement konsistensmåler fremstilt av Halliburton Energy Services.

Motoren i konsistensmåleren ble dreiet slik at metallbeholderen ble rotert mens lokket ble holdt fast. Etter røring på denne måten en stund ved en ønsket temperatur ble beholderen frakoplet og det ekspanderte faststoff i den ble filtrert og tørket i åpen luft ved omgivelsestemperatur. Denne prosedyren ble gjentatt ved forskjellige oppvarmingstemperaturer og tider for å oppnå ekspanderte korn med forskjellige spesifikke tettheter. Spesielt, når EXPANCEL 53 WU korn med spesifikk tetthet 1,1 ble varmet til 77 °C i fire timer, ble deres spesifikke tetthet 0,345, mens når samme materiale ble varmet til 93 °C i fire timer, ble den spesifikke tettheten 0,1.

En sementslurry med tetthet på 1,36 kg/l ble tilberedt i henhold til API prosedyre tidligere omtalt ved å blande sement klasse C med vann (57 % bwoc), SILICALITE mikrosilika (15 % bwoc), CFR-3 dispergeringsmiddel levert av Halliburton Energy Services (2 % bwoc), EXPANCEL 53 WU korn med spesifikk tetthet på 0,3 forhåndsekspandert som beskrevet ovenfor (9,8 % bwoc), EXPANCEL 53 WU korn med spesifikk tetthet på 0,1 forhåndsekspandert som beskrevet ovenfor (2,6 % bwoc) og skumdemper (2 % bwoc). Slurryen ble helt opp i sylindriske plastbeholdere med dimensjoner 2” x 4” lukket med lokk og herdet ved romtemperatur i 24 timer inntil sementslurryen hadde stivnet. Plastbeholderne ble overført til et vannbad holdt ved 82 °C i 18 timer og prøvene ble utsatt for syklisk belastning/ forskyvning studier ved bruk av utstyret beskrevet i eksempel 1.

De sykliske belastning/ forskyvningsstudier ble utført ved å måle kraften som krevdes for å bryte en første prøve, fulgt av syklisk endring av belastningen på øvrige prøver mellom 20 % og 90 % av den kraften som krevdes for å knuse den initielle prøve. Når belastningskraften når maksimum eller minimum verdien, ble det benyttet en tosekunders hviletid før neste syklus begynte. De aksiale og radiell fortrengninger ble målt som funksjon av belastningskraft. De initielle trykkfastheter ble målt enten uten begrensende trykk eller med et begrensende trykk på 69 bar. Resultatene er vist i tabell 4.

Sammenligningseksempel 2

Sementprøver ble tilberedt som beskrevet i eksempel 4 bortsett fra at EXPANCEL 53 WU korn ble erstattet med SPHERLITE cenosfærer (25 % bwoc). Tettheten av slurryen var 1,51 kg/l. Prøvene ble utsatt for syklisk belastning/ forskyvning analyse.

Resultatene er vist i tabell 4 (tabell 5).

TABELL 5

Resultatene I tabell 5 viser at blandingen inneholdende de fleksible korn varte lenger under syklisk belastning og avlastning av trykk under begrensende betingelser. Det begrensende trykk blir tilført for å simulere begrensningen på en sementkolonne fra formasjonen eller annet foringsrør.

Sammenligningseksempel 3

En sementslurry med en tetthet på 1,442 kg/l ble tilberedt ved bruk av API prosedyren omtalt i eksempel 1 ved å blande klasse H sement med vann (54 % bwoc), ikke-ekspanderte hule polystyren korn av EPS (ekspanderbar polystyren) type, etoksylert (10 mol) nonylfenol (0,15 l/sekk sement) og en skumdemper. Slurryen ble helt i kubiske former som beskrevet i eksempel 1 og herdet i en autoklav ved 68 °C under et trykk på 207 bar. Trykket ble avlastet og tettheten av slurryen ble målt til 1,48 kg/l. Den målte tetthet av slurryen etter herding under trykk var lik den opprinnelige slurry tetthet, hvilket indikerer av polystyrenkornene var lite kompressible.

Eksempel 5

EPS type hule polystyrenkorn med spesifikk tetthet 1,01 ble varmet i vann til 77 °C i tre timer i henhold til prosedyren beskrevet i eksempel 4. De ekspanderte korn ble filtrert og tørket. Den spesifikke tetthet for de ekspanderte korn var 0,1. En sementslurry med tetthet 1,449 kg/l ble tilberedt som beskrevet i sammenligningseksempel 3 bortsett fra at de ikke ekspanderte, hule polystyren korn ble erstattet av de forhåndsekspanderte polystyrenkorn med spesifikk tetthet 0,1. Slurryen ble herdet under samme betingelser som beskrevet for sammenligningseksempel 3. Tettheten målt etter herding under trykk var 1,79 kg/l, noe som klart indikerer at forhåndsekspansjonen av kornene har gjort dem fleksible og kompressible.

Mens de foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen er blitt vist og beskrevet, kan modifikasjoner av oppfinnelsen bli gjort av fagfolk på området uten å fravike fra oppfinnelsen slik denne er definert av de etterfølgende patentkrav.

Claims

Patentkrav

1. Fremgangsmåte ved sementering i en underjordisk formasjon, omfattende de følgende trinn: tilberede en sementblanding inneholdende hydraulisk sement, vann og ett eller flere fleksible korn, idet de fleksible korn er hule og har en elastomer, fleksibel ytre vegg og er fylt med et fluid, idet fluidet som respons på endring i trykk, temperatur eller begge deler ekspanderer eller trekker seg sammen og fører til at den elastomere, fleksible ytre vegg av kornet likeledes ekspanderer eller trekker seg sammen, samt plassere sementblandingen i en underjordisk formasjon og gi sementblandingen anledning til å stivne, karakterisert ved videre å omfatte å ekspandere kornene før de blir innført i sementblandingen.

2. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at det elastomere materiale er valgt fra gruppen bestående av en kopolymer av metylmetakrylat og akrylonitril, en terpolymer av metylmetakrylat, akrylonitril og vinyliden diklorid, en styren-divinylbenzen kopolymer, fenoliske harpikser og polystyren.

3. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at nevnte ett eller flere fleksible korn er i stand til å ekspandere opp til omtrent 8 ganger sin opprinnelige diameter.

4. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at fluidet er en væske.

5. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at fluidet er en gass.

6. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 5, karakterisert ved at gassen er valgt fra gruppen bestående av luft, karbondioksid, nitrogen, n-butan, isobutan, pentan og kombinasjoner av disse.

7. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at kornene har en diameter i området fra omtrent 6 til omtrent 150 µm ved en temperatur på 25 ºC og atmosfærisk trykk.

8. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at kornene blir innført i sementblandingen i en mengde i området fra omtrent 1 % til omtrent 200 % av vekten av sementen i blandingen.

9. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at kornene blir innført i sementblandingen i en mengde i området fra omtrent 2 % til omtrent 100 % av vekten av sementen i blandingen.

10. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at kornene blir innført i sementblandingen i en mengde i området fra omtrent 5 % til omtrent 50 % av vekten av sementen i blandingen.

11. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at sementblandingen dessuten inneholder i det minste en av ikke-fleksible korn, et tensid, mikrosilika, bentonitt, et væsketapsreduserende middel, natriumklorid og en skumdemper.

12. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at sementblandingen dessuten inneholder i det minste en av keramiske kuler, glasskuler og cenosfærer.

13. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at kornene blir blandet med vann før de blir innført i sementblandingen.

14. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 13, karakterisert ved å blande et tensid eller en blanding av tensider i sementblandingen for derved å bevirke at kornene blir suspendert i en vandig fase.

15. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 14, karakterisert ved at tensidet eller blandingen av tensider har et HLB forhold i området fra omtrent 7 til omtrent 20.

16. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at kornene blir ekspandert ved å bli varmet opp.

17. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at sementblandingen har en tetthet i området fra omtrent 0,72 til omtrent 2,76 kg/l.

18. Sementblanding inneholdende hydraulisk sement, vann og ett eller flere fleksible korn, idet de fleksible korn er hule, har en elastomer fleksibel ytre vegg og er fylt med et fluid, idet fluidet som et svar på endringer i trykk, temperatur eller begge deler, ekspanderer eller trekker seg sammen og derved bevirker at den elastomere, fleksible ytre vegg likeledes ekspanderer eller trekker seg sammen, karakterisert ved at kornene er til stede i ekspandert tilstand i sementblandingen i en mengde i området fra 1 % til 200 % av vekten av sementen..

19. Sementblanding i samsvar med patentkrav 18, karakterisert ved at kornene er i stand til å ekspandere opp til omtrent 8 ganger sin opprinnelige diameter.

20. Sementblanding i samsvar med patentkrav 18, karakterisert ved at kornene omfatter et elastomert materiale valgt fra gruppen bestående av en kopolymer av metylmetakrylat og akrylonitril, en terpolymer av metylmetakrylat, akrylonitril og dikloroetan, en styren-divinylbenzen kopolymer, fenoliske harpikser og polystyren.

21. Sementblanding i samsvar med patentkrav 18, karakterisert ved at kornene inneholder en væske.

22. Sementblanding i samsvar med patentkrav 18, karakterisert ved at kornene inneholder en gass.

23. Sementblanding i samsvar med patentkrav 22, karakterisert ved at gassen er valgt fra gruppen bestående av luft, karbondioksid, nitrogen, n-butan, isobutan, pentan og kombinasjoner av disse.

24. Sementblanding i samsvar med patentkrav 18, karakterisert ved at kornene har en diameter i området fra omtrent 6 til omtrent 150 µm ved en temperatur på 25 ºC og atmosfærisk trykk.

25. Sementblanding i samsvar med patentkrav 18, karakterisert ved at kornene blir innført i sementblandingen i en mengde i området fra omtrent 2 % til omtrent 100 % av vekten av sementen i blandingen.

26. Sementblanding i samsvar med patentkrav 18, karakterisert ved at kornene blir innført i sementblandingen i en mengde i området fra omtrent 5 % til omtrent 50 % av vekten av sementen i blandingen.

27. Sementblanding i samsvar med patentkrav 18, karakterisert ved at sementblandingen dessuten inneholder i det minste en av ikke-fleksible korn, et tensid, mikrosilika, bentonitt, et væsketapsreduserende middel, et stivneretarderende middel, natriumklorid og en skumdemper.

28. Sementblanding i samsvar med patentkrav 18, karakterisert ved at sementblandingen dessuten inneholder i det minste en av keramiske kuler, glasskuler og cenosfærer.