NO845078L - Middel for sementering av borehull som gjennomtrenger saltformasjoner. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår sementering av bore-huller, spesielt oljebrønner.

Brønner som er boret gjennom underjordiske bergarter med sikte på produksjon eller injisering av fluider, må sementeres, bl.a. for opprettholdelse av brønnens helhet og bestandighet og også for opprettholdelse av kontroll med de fluider som injiseres eller produseres.

For produksjon av fluider, f.eks. for produksjon av rå-olje, blir en streng av stålrør, kalt foringsrør, vanligvis ned-senket i borehullet. En sementoppslemning med egnede egenskaper blir så fremstilt på overflaten og injisert i foringsrøret. Denne sementoppslemning blir deretter fortrengt, d.v.s. at et for-trengningsfluidum deretter injiseres opp til noen meter over for-ingsrør-skoen. Nesten hele sementoppslemningen blir deretter presset inn i det ringformede rom mellom foringsrøret og bore-hullets vegg.

Når sementoppslemningen er på plass, tillates den å herdne og å utvikle styrke for å støtte foringsrøret, binde bergartene av forskjellige sammensetninger og isolere de respektive soner fra enhver fluidum-vandring.

Et særdeles stort antall oppslemnings-sammensetninger er kjent, hvorved sementoppslemningens egenskaper (hovedsakelig densiteten, stivnings- eller fortykningstiden, reologiske egenskaper, vanntap, fritt vann, kompresjonsstyrke, permeabilitet og motstand mot kjemisk nedbrytning) kan tilpasses behovene for den enkelte brønn.

En god oppslemning er spesielt nødvendig ved sementering av en brønn boret gjennom saltformasjoner, da betingelsene for likevekt mellom sementen og saltsonene er vanskelig å oppnå.

Hvis disse betingelser ikke oppnås, vil dette føre til oppløs-ning av saltene, vandring av alkaliene inn i sementen og re-sultere i en retardert oppslemning (middelmådig utvikling av styrke) og en middelmådig binding mellom sementen og de gjennomtrengte formasjoner.

Den foreliggende oppfinnelse angår en ny oppslemnings-sammensetning som overraskende og i betydelig grad forbedrer sementeringen av et borehull som gjennomtrenger saltformasjoner ,

med hensyn til:

- begynnelses- og slutt-kompresjonsstyrke,

- mulighet for regulering av fortykningstiden

- reologi

- fritt-vann-karakteristika

- kompatibilitet med magnesiumsalter

- kompatibilitet med over- eller underliggende formasjoner som selv ikke inneholder salter, og

- meget god binding mellom sement og saltformasjoner.

To hovedteknikker for utførelse av sementering gjennom saltformasjoner er for tiden kjent: sementering utføres enten med oppslemninger inneholdende meget store mengder av salter (18 vekt% av blandevannet opptil metning) eller oppslemninger inneholdende meget små mengder av salter (0% eller bare noen prosent av salter beregnet på vekten av blandevannet) .

Den førstnevnte teknikk består derfor i anvendelse av høy-saltholdighet-sementer.

Da saltformasjonene bores med saltmettet slam, har det syntes logisk å sementere dem med saltmettede eller tilnærmet mettede oppslemninger slik at den anvendte oppslemning er kompatibel med det anvendte slam. Den viktigste fordel med denne teknikk er at ingen ytterligere mengde salt som kommer fra formasjonen, kan oppløses, hvilket fører til en relativt god binding mellom sement og formasjon.

Slike høy-saltholdighets oppslemninger viser imidlertid en rekke ulemper, som alle er meget alvorlige: 1. Fortykningstiden er vanskelig å regulere da slike oppslemninger er retarderte oppslemninger i seg selv. 2. Disse oppslemninger er alltid viskøse, og deres reologiske egenskaper lar seg vanskelig tilpasse en fortrengning med turbulent strømning. 3. Fluidumtap-verdiene for høy -saltholdighets oppslemningene er meget høye. 4. Høy-saltholdighets-sementoppslemninger er ikke kompatible med visse formasjoner som ligger over eller under de gjennomtrengte saltformasjoner. Eksempelvis nevnes at amorft silisiumdioksyd som finnes i visse formasjoner av sandstein og i sure vulkanske bergarter, reagerer med saltene og danner eks-panderende alkalisilikater, hvilke kan ødelegge formasjonen såvel som sementen fullstendig. Dette er kjent som "alkali-silisiumdioksyd-reaksjon". 5. For å oppnå pumpbarhet av høy-saltholdighet-sementoppslemninger, som i noen tilfeller kan være meget vanskelig,

må betydelige mengder av retarderende plastiseringsmidler vanligvis tilsettes disse oppslemninger. Oppslemningen har således tendens til å gelere heller enn å stivne normalt, og dette skjer bare etter lengre tids fortykning. Følgelig er det en lang tids-periode under hvilken oppslemningen ikke er flytende og knapt nok overfører noe hydrostatisk trykk på formasjonen. På den annen side er denne oppslemning ikke ennå sterk nok til å under-støtte og beskytte foringsrøret. Da de saltformasjoner som gjen-nomtrenges av borehullet, er meget plastiske og lett kan flyte inn i borehullet under virkningen av det geostatiske trykk, foreligger det åpenbart en risiko for sammenbrudd av brønnens forings-rør på et tidlig stadium.

Skjønt denne løsning kan synes logisk, medfører den i virkeligheten flere ulemper enn fordeler.

Den andre kjente løsning består i anvendelse av sementoppslemninger som ikke inneholder salter eller som bare inneholder en meget liten mengde av salter.

Denne teknikk er av nyere dato.

Det er langt lettere å regulere egenskapene av sementoppslemninger av denne type. Deres hovedulemper er som følger:

1. For å redusere mengden av salter som inkorporeres

i sementen ved abrasjon av bergarten, må denne oppslemning pumpes inn i brønnen meget langsomt.

2. Til tross for denne forholdsregel vil likevel høye saltkonsentrasjoner gjøre seg gjeldende lokalt på grunn av opp-løsninger. Da saltkonsentrasjoner under 15 vekt% av blandevannet har en akselererende effekt på stivningen av sementen, er det nødvendig, for å unngå risikoen for hurtig-stivning, enten å forblande en viss mengde av salter i oppslemningen eller å anvende retarderingsmidler. Når disse to muligheter kommer til anvendelse, gjør de det bare mulig å bestemme minimumsfortyk- ningstiden. Da salt-opptak finner sted under fortrengningen og stivningen av oppslemningen, vil fortykningstiden øke på ufor-utsigelig måte.

Saltfrie eller saltfattige sementoppslemninger har en

høy kapasitet for oppløsning av de salter som finnes i tilliggende bergarter. Under fortykningen av o<p>pslemningen overfor en saltsone kan den vandige fase i oppslemningen således ytterligere oppløse visse mengder av salter, hvilket resulterer i frem-komst av et lite gap (mellomrom) mellom sementen og bergartene og medfører en meget middelmådig binding mellom sementen og den tilliggende formasjon.

Selv om slike saltfrie eller saltfattige oppslemninger forbedrer visse karakteristika ved sementeringen i saltsoner, er heller ikke denne teknikk tilfredsstillende og er begrenset til bare noen spesielle anvendelser.

Det skal enn videre bemerkes at disse to kjente teknikker ikke kan anvendes når magnesiumsalter er tilstede i bergarten.

Den foreliggende oppfinnelse består i en ikke-saltmettet sementoppslemningsblanding for sementering i saltsoner, hvis fysi-kalske egenskaper ikke vesentlig påvirkes av at det i denne blanding innføres ytterligere mengder av salter (oppløst eller ero-dert ut av de gjennomtrengte formasjoner), og som vil frembringe en særpreget, meget solid binding mellom sementen og de tilliggende formasjoner, hvilken blanding enn videre er kompatibel med magnesiumsalter.

Blandingen ifølge oppfinnelsen inneholder i begynnelsen bare en liten mengde salt (opptil 18 vekt% NaCl beregnet på blandevannet) . Spesielt reduserer dette risikoen for en alkali-silisiumdioksyd-reaksjon mellom blandingen og de formasjoner som ligger over eller under saltlaget.

Oppfinnelsen beror vesentlig på to trekk:

1. En mettet natriumsilikatoppløsning tilsettes til sementoppslemningen, hvorved silisiumdioksyd-aktiviteten økes; 2. Stivningstiden reguleres av en blanding av lignosulfonat med enten boraks eller sitronsyre.

Tilsetning av denne oppløsning til et medium omfattende saltvann resulterer i dannelse av en natriumsilikat-gel som er ubestandig under basiske pH-betingelser. Denne gel er derfor ikke stabil i en sementoppslemning, hvilket sikrer en god reologi som ikke er følsom overfor en økning i oppslemningens saltholdighet.

Mengden av natriumsilikat i systemet i henhold til oppfinnelsen må være større enn en grense som kan fastsettes til ca. 35 l/t oppslemning.

For en gitt konsentrasjon av NaCl er likevel tilsetningen av natriumsilikat til blandevannet begrenset: Jo mer natriumsilikat det tilsettes til saltvannet, desto mer natriumsilikat-gel dannes, hvilket reduserer blandbarheten av sementen og dennes vandige fase.

Natriumsilikatkonsentrasjonen kan derfor være begrenset til ca. 150 l/t oppslemning, idet denne høyere konsentrasjon enn videre fører til gode blandeegenskaper.

De natriumsilikat-rike sementoppslemninger er akselerert og er derfor i alminnelighet vanskelige å retardere. Dette problem løses i henhold til den foreliggende oppfinnelse ved en kombinasjon av et retarderingsmiddel av lignosulfonat-typen (ca. 1,5 l/t oppslemning) og boraks (0,5 - 2,0%) eller sitronsyre (0,1 - 0,4%), hvorved fortykningstiden for systemet ifølge oppfinnelsen lett kan reguleres. Det skal i denne forbindelse vises til tabell I nedenfor. Tabell I viser at retarderingsmidlene av lignosulfonat-typen (modifisert eller ikke modifisert) og boraks ikke er egnet hvis de anvendes alene. På den annen side gir kombinasjonen av de to både en kontroll med stivningstiden og en god reologi. Tabell I viser også at sitronsyre tillater god kontroll med stivningstiden. Ved lave temperaturer er imidlertid de påkrevede sitronsyrekonsentrasjoner relativt kritiske: En svak variasjon i sitronsyre medfører betydelige variasjoner i fortykningstiden.

Av praktiske grunner vil det derfor være foretrukket å anvende lignosulfonat/boraks-kombinasjonen ved lave eller midlere temperaturer og sitronsyre ved høye temperaturer eller i nærvær av magnesiumsalter. Når sitronsyre anvendes, er det foretrukket å anvende den i kombinasjon med et dispergeringsmiddel (polynaftalen-natriumsulfonat) og/eller et annet retarderingsmiddel så som modi-fiserte lignosulfonater, slik at god reologi oppnås (flytegrense under 2,5 Pa) uten en altfor lang fortykningstid, som ville være i strid med det ønskede formål.

Blandingene ifølge foreliggende oppfinnelse førte til særegne reaksjoner ved grenseflaten mellom sementen og de gjennomtrengte bergarter.

1. Da aktivitetene av silisium (tilsetning av natriumsilikat), kalsium (fra de sementerende materialer) og al-

kalier (begynnelsestilsetningen av salg, samt alkalier som kom-

mer fra de tilliggende strata) er tilstrekkelige i den umiddel-

bare nærhet av grenseflaten mellom sementen og saltlaget (stratum), dannes fibrøse mineraler som f.eks. gismondin og<p>ektolitt (begge mineraler som er meget stabile under basiske pH-betingelser), hvilket fører til en utmerket binding mellom sementen og saltformasjonen. Denne binding er særegen og karakteristisk for oppfinnelsen. Da

en betydelig kloraktivitet må ventes ved kontakt mellom saltlaget og sementen, vil disse mineraler også inneholde en viss mengde klorider.

2. Aluminat- og jernholdige sementfaser vil også reagere med kloridionene under dannelse av forbindelser med form-

lene 3Ca (Al, Fe)204. CaCl2.10H2O og 3Ca (Al, Fe) 20^.3CaCl2.

30H2O. Disse reaksjoner vil forbruke en ytterligere mengde av de mobile kloridioner.

3. Hydratasjonen av sementen såvel som de ovenfor-

nevnte reaksjoner forbruker en viss mengde vann. Da den inter-stitielle oppløsning tilsvarende systemet i henhold til oppfinnelsen er meget konsentrert med hensyn til silisiumdioksyd, vil den vandige fase bli silisiumdioksyd-overmettet, hvilket resulterer i utfelling av en silisiumdioksyd-gel inneholdende en viss mengde NaCl. En slik gel er kjent å være et meget effektivt vann-tettgjørende og sementherdende middel.

Mens det ved de hittil kjente teknikker erholdtes en

høyst middelmådig binding mellom sementen og saltbergartene, og endog et gap (mellomrom) mellom sementen og bergartene, blant andre ulemper, er det observert at det i henhold til den foreliggende oppfinnelse oppnås en utfelling av mineraler og dannelse av en fibrøs overgang mellom sementen og saltlaget, og det hele fører til en særegen, meget solid binding mellom sementen og bergarten .

Bortsett fra dette hovedpunkt kan de viktigste fordeler som oppnås i henhold til oppfinnelsen, oppsummeres som følger:

1. Fortykningstid:

Fortykningstiden kan lett tilpasses de fleste påkjenninger/spenninger som bevirkes av pumping eller av selve brønnen, fra mindre enn 1 time opptil mer enn 7 timer (jfr. tabell I nedenfor).

Det observeres at økningen i saltholdighet ved tilsetning av en ytterligere mengde salter til den grunnleggende oppslemningsblanding (for å simulere opptak eller oppløsning av salter mens oppslemningen pumpes langs en saltformasjon) praktisk talt ikke har noen innvirkning på fortykningstiden. Bare store mengder av magnesiumsalter påvirker fortykningstiden vesentlig, men dette kan lett motvirkes ved tilsetning av den ovenfornevnte retarderingsmiddelkombinasjon lignosulfonat/sitronsyre.

2. Trykkfasthet:

Systemet i henhold til oppfinnelsen gir tidlig-styrke-verdier som er høyere enn de verdier som er oppnådd med konvensjonelle systemer:

Trykkfastheten som oppnås i henhold til oppfinnelsen

er ca. 30% høyere etter 8 timer (over 13 mPa istedet for under

10 mPa i teknikkens stand) og ca. 20% høyere etter 24 timers herdning (tabell I, blanding 10 og 11).

Endog oppslemninger ifølge oppfinnelsen som er blitt retardert (fortykningstid på ca. 3 timer) viser trykkfasthets-egenskaper etter 24 timer (ca. 30 mPa) som ikke kan oppnås med konvensjonelle sa11sone-sementoppslemninger.

3. Reologiske egenskaper:

Meget gode reologiske egenskaper, kompatible med fortrengning ved turbulent strømning og høy pumpehastighet (tabell

I nedenfor) oppnås ved den foreliggende oppfinnelse. En flytegrense under 1,3 Pa og en plastisk viskositet på ca. 3,5 Pa.s kan lett oppnås endog ved en saltkonsentrasjon på 30 vekt% beregnet på blandevannet (tabell I, blandinger nr. 10 og 11.)

Endog ved en magnesiumforurensning på 3% MgCl^(som kan oppstå hvis oppslemningen pumpes i en formasjon som inneholder marine salter så som karnallitt, bischofitt og/eller tachyhydritt), vil egnede mengder av sitronsyre opprettholde en flytegrense på ca. 0,6 Pa uten at dette i vesentlig grad påvirker fortykningstiden eller trykkfastheten (tabell I, blanding nr. 19).

Oppslemningsblandingene ifølge oppfinnelsen er derfor absolutt kompatible med magnesiumsalter, mens nærvær av magnesiumsalter i henhold til teknikkens stand resulterte i en meget hurtig stivning. Hvis magnesium foreligger i de gjennomtrengte bergarter, kan sementering med Portlandsement ikke utføres på tilfredsstillende måte i henhold til den nåværende teknikk.

Hvis det ikke er noen risiko for oppløsning av magnesiumsalter, vil systemene ifølge foreliggende oppfinnelse bli retardert med boraks istedenfor sitronsyre (alltid i kombinasjon med lignosulfonat), da boraks garanterer bedre reologiske egenskaper endog ved høye temperaturer.

4. Fritt vann:

Fenomenet med fritt vann medfører ikke noe problem

hvis systemene ifølge oppfinnelsen anvendes, da ingen av de blandinger som ble utprøvet, gav mer enn 1% fritt vann.

5. Tap av fluidum:

Fluidumtap-egenskapene av oppslemninger i henhold til oppfinnelsen kan reguleres til en viss grad ved hjelp av en sul-fonert polymer. Muligheten avhenger av hvilken regulering som skal foretas og hvilken grad av binding med saltformasjonen som finnes å være nødvendig.

De følgende eksempler vil ytterligere belyse oppfinnelsen.

A. Fremstilling av oppslemningen:

Bestemmelsen av fortykningstiden og trykkfastheten ble utført i henhold til API standard10. Strata vedrørende plastisk viskositet og flytegrense ble beregnet ved siste-kvadrat-regresjon for FANN-viskosimeter-verdiene ved 600, 300, 200, 100 omdreininger pr. minutt.

Alle oppslemninger er basert på sementen Dykerhoff Class G, Red Label (tropisk). Oppslemningene ble fremstilt ved blanding av kloridene og de flytende additiver med blandevannet og andre faste additiver med sementen.

B. Additivene

I nedenstående tabell har forkortelsene de følgende be-tydninger :

A : natriumsilikatoppløsning (30 - 32°Bé)

A : retarderingsmiddel av typen modifisert ligno-sulf onat

B: dispergeringsmiddel som konvensjonelt anvendes i oljebrønn-sementeringsblandinger, og som består av natriumsaltet av kondensasjonsproduktet

av naftalensulfonat og formaldehyd.

C: boraks

D: sitronsyre

E: natriumklorid

F: magnesiumklorid

1) Fortykningstid ifølge API Spee 10: "Operating Thickening time, schedule 7g5" 2) Trykkfasthet ifølge API Spee 10: "Operating Strength Tests, schedule 5Sg7" _., Eldningstid: 24 timer

Flytegrense ved 20 oC (Pa)

4) Plastisk viskositet ved 20°C (10~<2>Pa.s)

Claims (7)

1. Blanding for sementering av borehull som gjennomtrenger saltformasjoner omfattende en sement, blandevann og additiver, karakterisert ved at den er ubetydelig saltet ved starten og inneholder ett eller flere additiver valgt slik at de er i stand til å reagere eller delta i en reaksjon med saltene i de gjennomtrengte formasjoner for derved å danne fibrøse mineraler som er i stand til å gi en solid binding mellom sementen og de gjennomtrengte salt-strata.

2. Blanding ifølge krav 1, karakterisert ved at den som additiv inneholder et natriumsilikati en mengde mellom ca. 35 l/t oppslemning og ca. 150 l/t oppslemning.

3. Blanding ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at mengden av salter som er tilstede ved starten, er mindre enn 18vekt% NaCl av blandevannet .

4. Blanding ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at den enn videre inneholder en retarderingsmiddelkombinasjon av lignosulfonat og av boraks eller sitronsyre.

5. Blanding ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at lignosulfonat er tilstede i en mengde på ca. 1,5 l/t, boraks er tilstede i en mengde på 0,5 - 2,0 vekt% av oppslemningen og sitronsyre er tilstede i en mengde på ca. 0,1 - 0,4 vekt% av oppslemningen.

6. Blanding ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at den enn videre inneholder andre konvensjonelle additiver for sementeringsblanding.

7. Fremgangsmåte til sementering av et borehull, spesielt en oljebrønn, karakterisert ved det trinn å injisere i det ringformede rom, på kjent måte, blandingen ifølge ett eller flere av de foregående krav.