NO965327L - Sporbare brönnsementsammensetninger og metoder - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår forbedrede sporbare brønnsementsammensetninger og fremgangsmåter, og mer spesifikt fremgangsmåter for detektering av lokaliseringen til en sementsammensetning etter at sementsammensetningen blir innført i en brønn og anvendt for gjennomføring av en sementeringsoperasjon.

Ved gjennomføring av brønnkompletering og hjelpeoperasjoner i olje, gass og vannbrønner, blir hydrauliske sementsammensetninger vanligvis bentyttet. Hydrauliske sementsammensetninger blir f.eks. anvendt i primære sementeringsoperasjoner hvorved røret slik som et foringsrør blir sementert i borehullet. Dvs. at en hydraulisk sementsammensetningen blir pumpet inn i ringrommet mellom veggene av borehullet og det ytre av røret som er anbrakt deri. Sementsammensetningen får anledning til å størkne i ringrommet for dermed å danne en ringformet plate av hovedsakelig hard impermeabel sement deri. Målet med sementen er å fysisk støtte og posisjonere røret i borehullet og binde røret til veggene av borehullet slik at uønsket bevegelse av fluider mellom soner eller formasjoner som er gjennomtrengt av borehullet blir forhindret.

Hjelpesementeringsoperasjoner (ofte referert til som pressementering) involverer generelt anbringelse av en sementsammensetning i sprekker eller åpninger i et rør som er anbrakt i et borehull, i sementen i ringrommet mellom røret og borehullet og andre tilsvarende lokaliteter. Etter anbringelse får sementsammensetningen anledning til å størkne hvorved sprekkene eller åpningene blir gjentettet.

I alle av de forskjellige sementeringsoperasjonene som ble utnyttet i brønnene, er det vanskelig å bekrefte at sementsammensetningen har kommet inn og/eller fylt den ønskede underjordiske sonen. Som et resultat har det blitt til nå utviklet og anvendt fremgangsmåter for å påvise lokalitetene av brønnsementsammensetninger etter at de har blitt innført i borehullene. Et kontinuerlig radioaktivt spormateriale blir typisk inkludert i sementsammensetning, og etter plassering av behandlingsfluidet som inneholder det radioaktive spormidlet, blir et instrument som påviser radioaktiviteten senket i brønnen og utnyttet for å bestemme lokalisering eller lokaliseringene av sementsammensetningen.

Selv om de til nå anvendte fremgangsmåtene som involverer radioaktive spormaterialer har blitt utnyttet med hell, har det radioaktive spormaterialet hatt lang halveringstid og som et resultat har hovedsakelig vært kontinuerlig radioaktive. Slike kontinuerlig radioaktive spormaterialer er kostbare og betraktes å være farlige da de fluidene som inneholder dem må bli behandlet og avhendet i overensstemmelse med lover og regler som angår farlige materialer.

Det er således et behov for forbedrede sporbare brønnsementsammensetninger og fremgangsmåter for å anvende slike sammensetninger i brønnsementeringsoperasjoner og deretter påvise deres underjordiske lokalisering som ikke involverer anvendelse av kontinuerlig radioaktive spormaterialer eller andre risikable materialer som må bli avhendet på en spesiell måte.

Foreliggende oppfinnelse skaffer tilveie sporbare brønn-sementsammensetninger og fremgangsmåter som tilfredsstiller de ovenfor beskrevne behov og overvinner manglene i kjent teknikk. I steden for kontinuerlig radioaktive eller andre risikable spormaterialer som behandles og avhendes på en spesielt miljømessig sikker måte, utnytter sementsammensetningene og fremgangsmåten i foreliggende oppfinnelse ufarlige spormaterialer som normalt ikke er radioaktive. Det vil si de normalt ikke-radioaktive spormaterialene i foreliggende oppfinnelse blir radioaktive når de blir eksponert til nøytroner og sender ut detekterbare bølger med relativt kort halveringstid. På slutten av halveringstidsperiodene, blir spormaterialene ikke-radioaktive og ufarlige. På grunn av den korte halveringstiden til materialene, er det ingen fare for kontaminering av brønnene hvori materialene blir anvendt. Ifølge et annet trekk ved oppfinnelsen vil et spormateriale av den type som er beskrevet over også fungere ved å akselerere av sementsammensetningen.

De forbedrede brønnsementsammensetningene i foreliggende oppfinnelse er omfattet av hydrauliske sement, tilstrekkelig vann til å danne en pumpbar slurry og en normalt ikke-radioaktiv sporforbindelse som blir radioaktiv og sender ut detekterbare stråler over en relativt kort tidsperiode når den er eksponert til nøytroner. I sementanvendelser som krever en sementsammensetning som har akselerert, er minst en del av spormaterialet i sementsammensetningen normalt en ikke-radioaktiv sporfor-bindelse av den type som er beskrevet over som også fungerer ved å akselerere utvikling av tidlig styrke i sementsammensetningen.

De forbedrede fremgangsmåtene i oppfinnelsen for sementering av en sone i et borehull og etterfølgende detektering av den underjordiske lokaliseringen av sementen deri er hovedsakelig omfattet av trinnet med å kombinere en normalt ikke-radioaktiv sporfor-bindelse av den type som beskrevet over med en hydraulisk sementsammensetning, innføre sementsammensetning i den underjordiske sonen som skal bli sementert, sende ut nøytroner fra en kilde i brønnen hvorved sporforbindelsen blir radioaktiv og sender ut detekterbare stråler, detektere tilstedeværelse av de detekterbare strålene og dermed bestemme lokalisering av sementsammensetningen i brønnen.

Det er derfor et generelt mål med foreliggende oppfinnelse å skaffe tilveie forbedrede sporbare brønnsement-sammensetninger og fremgangsmåter.

Andre og ytterligere mål, trekk og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil bli åpenbare for personer med kunnskap innenfor fagområdet ved gjennomgang av beskrivelse av foretrukkede utførelsesformer som følger sett i sammenheng med de etterfølgende tegningene. Figur 1 er en graf som viser gammastråleenergispektrum av en 16 pound per gallon sementslurry som ikke inkluderer en sporforbindelse i et simulert foret borehull. Figur 2 er en graf som viser gammastråleenergispektrum av en 16 pound per gallon sementsammensetning som inkluderer en sporforbindelse i oppfinnelsen i et simulert foret borehull.

Foreliggende oppfinnelse skaffer tilveie forbedrede sporbare brønnsementsammen-setninger og fremgangsmåter ved anvendelse av sammensetningene i brønnsemente-ringsoperasjoner. De sporbare brønnsementsammensetningene er hovedsakelig omfattet av hydrauliske sement, tilstrekkelig vann til å danne en pumpbar slurry og en ufarlig normalt ikke-radioaktiv sporforbindelse som blir radioaktiv og sender ut detekterbare stråler over en relativt kort tidsperiode når den er eksponert til nøytroner.

Den hydrauliske sementen kan være en hvilken som helst av forskjellige hydrauliske sementer, både normal partikkelstørrelse og ultrafint partikkelstørrelse, som til å er blitt utvidet i brønnsementering og som er velkjente for personer med kunnskap innenfor fagområdet. Generelt er Portland-sementer eller tilsvarende foretrukket og kan f.eks. være en eller flere av de forskjellige typene som er identifisert som API klasse A-H og J-sementer. Disse sementene er beskrevet og definert i API Specification For Materials And Testing For Well Cements. API Specification 10A, 5. utgave datert 1. juli, 1990, av American Petroleum Institute, som er innbefattet her med referanse. API Portland-sementer har generelt en maksimal partikkelstørrelse på ca. 90 um og en spesifikk overflate (ofte referert til som Blaine Fineness) på ca. 3.900 cm<2>pr. gram. En meget nyttig og effektiv sementslurrybase for å anvende under gjennomføring av brønnsemen- teringsoperasjonene er omfattet av API Portland-sement blandet med vann for å skaffe tilveie en tetthet på fra. 11,3 til ca. 18,0 pounds per gallon.

Det er ofte meget fordelaktig å anvende en finpartiklet hydraulisk sement, særlig i hjelpeoperasjoner som involverer pressementering. Slik hydraulisk sement med fin partikkelstørrelse består generelt av partikler som har en diameter som ikke er større enn ca. 30 u.m og som har en Blaine finhet som ikke er mindre enn ca. 6000 cm<2>pr. gram. Hydrauliske sementer med fm partikkelstørrelse og deres anvendelse i brønnkomplete-ring og hjelpeoperasjoner er beskrevet i US-patent nr. 5.121.795 inngitt 16. juni, 1992 av Ewert et al., og nr. 5.125.455 inngitt 30. juni, 1992 av Harris et al., og begge disse er innbefattet her med referanse.

Vannet som ble anvendt i brønnsementsammensetningene kan være vann fra en hvilken som helst kilde forutsatt at den ikke inneholder noe overskudd av forbindelser som negativt reagerer eller på annen måte påvirker andre komponenter i sementsammensetningen. Vannet blir generelt valgt fra gruppen bestående av ferskvann, saltvann, saltlaker og sjøvann og er tilstede i området fra ca. 30% til ca. 60 vekt-% av den tørre sementen i sammensetningen når sementen er av normal partikkelstørrelse. Når en sement av fm partikkelstørrelse som beskrevet over ble anvendt, er vann generelt tilstede i sementsammensetningen i en mengde i området fra ca. 100% til ca. 200 vekt-% av tørrsement i sammensetningen. Et dispergeringsmiddel, slik som dispergerings-midlet som er beskrevet i US-patent nr. 4.557.763 inngitt 10. desember 1985 av George et al., kan bli inkludert i sementsammensetningen med fine partikler for å forenkle dannelse av en slurry og forhindre for tidlig geldannelse av sementsammensetningen.

Slik det er kjent av personer med kunnskap innenfor fagområdet for å oppnå normale resultater i brønnsementeringsanvendelser, blir tallrike additiver inkludert i sementsammensetningene som utnyttes. Slike additiver ble anvendt for å variere tetthet, øke eller minske styrke, akselerere eller retardere størkningstid, redusere fluidtap, etc. De foretrukkede og mest vanlige utnyttede sementsammensetningene for å gjennomføre behandlinger i olje- og gassbrønner er de som tilfredsstiller spesifikasjonene til American Petroleum Institute og omfatter Portland sement blandet med vann og andre additiver for å tilveiebringe en sementsammensetning som har egenskaper som passer for de forholdene som eksisterer i hver individuell underjordiske sone som skal bli sementert.

En lang rekke normalt ikke-radioaktive elementer i forbindelsesform som blir radioaktive og sender ut detekterbare stråler, f.eks. gammastråler over en relativt kort tidsperiode når den blir eksponert til nøytroner kan bli utnyttet ifølge denne oppfinnelsen. Forbindelsene må være kjemisk kompatible med sementsammensetningene og elementene i sammensetningene må ha relativt store nøytronabsorpsjonstverrsnitt hvorved de sender ut deterbare stråler som har tilstrekkelig energi til å nå røntgendetek-toren. Halveringstidene til de aktiverte elementene må være lang nok til å bli detektert, men ikke så lang at aktiviteten av de utsendte strålene er lav og gjør at de er vanskelig å påvise. Den spesielle sporforbindelse som kan bli anvendt i en brønnsementsammen-setning avhenger av den spesielle sementeringsanvendelsen hvori sementsammensetningen skal bli anvendt. Elementer som har relativt store nøytrone tverrsnitt og som har halveringstider i området fra minutter til timer er mest egnet.Tallrike elementer tilfredsstiller de foregående kriteriene. Eksempler på slike elementer er dysprosium (Dy), europium (Eu), indium (In) og vanadium (V).

Mer spesifikt vil foretrakkede ikke-radioaktive sporforbindelser omfatte vannuoppløse-lige vanadiumforbindelser. Foretrakkede vannuoppløselige vanadiumforbindelser blir valgt fra gruppen bestående av vanadiumtrioksid, vanadiumtirsulfid, vanadiumkarbid, vanadiumsilisid, blandinger av disse og lignende. Det er imidlertid underforstått at vannoppløselige vanadiumforbindelser også kan bli utnyttet. Slike vannoppløselige forbindelser blir valgt fra gruppen bestående av vanadiumpentoksid, vanadiumtirsulfat, vanadylsulfat, blandinger av disse og lignende.

I anvendelser der det er ønskelig at sementsammensetningene har en akselerert, er sporforbindelsen som ble anvendt i en forbindelse av et detekterbart stråleutsendeelement som også fungerer som en tidlig styrkeakselerator i sementsammensetningene. Et eksempel på en for tiden foretrukket sporforbindelse som akselererer i sementsammensetningen er vanadiumpentoksid. I anvendelser der mengden av sporforbindelse som akselererer er liten sammenlignet med en samlet mengde av sporforbindelser som er nødvendig for påvisning, kan sporforbindelsen være laget opp av en liten mengde av en styrkeaksele-rerende sporforbindelse, f.eks. vanadiumpentoksid, der den gjenværende delen av spor-forbindelsen er laget opp av en ikke-styrkende akselererende forbindelse, f.eks. vanadiumkarbid. Total sporforbindelse som er inkludert i sementsammensetningen er i en mengde i området fra ca. 0,05% til ca. 5 vekt-% av den hydrauliske sementen deri.

En sporbar brønnsement i oppfinnelsen er hovedsakelig omfattet av hydraulisk sement, tilstrekkelig vann for å danne en pumpbar slurry og en normalt ikke-radioaktiv sporforbindelse som blir radioaktiv og sender ut detekterbare stråler over en relativt kort tidsperiode når den er eksponert til nøytroner. En sporbar brønnsementsammensetning i oppfinnelsen som har akselerert tidlig styrke er omfattet av hydraulisk sement, tilstrekkelig vann til å danne en pumpbar slurry og en normalt ikke-radioaktiv sporforbindelse som akselerer av sementsammensetningen og som blir radioaktiv over en relativt kort tidsperiode når den er eksponert til nøytroner hvorved detekterbare stråler blir utsendt. Som nevnt over, når mengden av styrkeakselererende sporforbin-delse som er nødvendig i en spesiell sementeringsanvendelse er mindre enn totalmengde av sporforbindelse som er nødvendig for å sikre påvisning, blir forskjellen laget opp av en sporforbindelse som ikke fungerer som en styrkeutviklingsakselerator.

Foreliggende oppfinnelse skaffer også tilveie forbedrede fremgangsmåter for sementering av soner i brønner som utnytter ufarlige hydrauliske sementsammensetninger i oppfinnelsen og deretter påvise den underjordiske lokaliseringen av sementsammensetningene. Fremgangsmåten omfatter hovedsakelig trinnet med å kombinere med en brønnsementsammensetning av en normalt ikke-radioaktiv sporfor-bindelse som blir radioaktiv og sender ut detekterbare stråler over en relativt kort tidsperiode når den er eksponert til nøytroner, ved introdusering av sementsammensetningen i en sone som skal bli sementert, utsetting av nøytroner fra kilden i brønnen hvorved sporforbindelsen blir radioaktiv og produserer deterbare stråler og påvisning av tilstedeværelse av de detekterbare strålene for dermed å bestemme lokaliseringen av sementsammensetningene i broen.

Trinnet med å sende ut nøytroner i brønnen blir gjennomført ved å senke en nøytronkilde gjennom borehullet. Nøytronkilden kan være en hvilken som helst enhet som produserer en nøytronutførsel i energiområdet som er nødvendig for å sørge for aktivering av sporelementet i elementsammensetningen og utsending av detekterbare stråler slik som gammastråler over en korttidsperiode. Nøytronkilden kan f.eks. være nøytroner produsert fra en plutonium-berylliumkilde, en americium-berylliumkilde, en polonium-berylliumkilde, en spontan fissionsnøytronkilde slik som californium 252, eller generatorproduserende nøytroner slik som D-T eller D-D nøytroner.

Stråledektoren kan være en hvilken som helst egnet stråledetektor som vil skaffe tilveie et energispektrum av strålene som er utsendt. Den må ha energioppløsning og detek-sjonseffektivitet som er nødvendig for å oppnå statistisk gyldige resultater i rimelig tid. Eksemplene på egnede detektorer for anvendelse med sporforbindelsene som er nevnt over er natriumjodidscintillasjons-gammastråledetektorer og germaniumdiodegamma-stråledetektorer. I praksis blir nøytronkilden og stråledetektoren senket i borehullet, slik som ved hjelp av en trådlinje, hvorved sporforbindelsen først ble aktivert ved eksponering med nøytroner etterfulgt av detektering av gamma eller andre detekterbare stråler som er sendt ut av sporelementet. Denne generelle instrumenttype blir vanligvis utnyttet i brønnloggingsoperasjoner og er velkjent innenfor fagområdet.

En særlig foretrukket fremgangsmåte ved foreliggende oppfinnelse er omfattet av trinnet med å danne en sporbar brønnsementsammensetning som omfatter hydraulisk sement, tilstrekkelig vann til å danne en pumpbar slurry og en normalt ikke-radioaktiv sporfor-bindelse valgt fra gruppen bestående av vanadiumpentoksid, vanadiumkarbid og blandinger av slike forbindelser, innføring av sementsammensetningen i en sone som skal bli sementert, utsending av nøytroner fra en kilde derav i brønnen hvorved spor-forbindelsen blir radioaktiv og sender ut detekterbare gammastråler og påvisning av tilstedeværelse av gammastråler for dermed å bestemme lokalisering av sementsammensetningen i brønnen.

For ytterligere å illustrere sammensetningen og fremgangsmåten i oppfinnelsen blir følgende eksempler gitt.

Eksempel

Tester ble gjennomført ved å utnytte vanadiumpentoksid som sporforbindelse i en sementsammensetning. Sporforbindelsen ble aktivert ved å anvende en 5 curie americium-beryllium (AmBe) nøytronkilde. Gammastråler som deretter ble sendt ut ble påvist ved å anvend en 7,6 cm x 7,6 cm natriumjodidscintillasjons-gammastråledetektor. Data ble ervervet og analysert med en 2048 kanal multikanalanalysator.

En foret brønnhullkonfigurasjon ble simulert med et rør i et rørarrangement. Det vil si et indre rør som har en 11,1 cm LD. x 12,7 cm O.D. ble plassert i et 22,6 cm LD. ytre rør. Ringrommet mellom det indre og ytre rør ble først fylt med en 16 pound per gallon sementslurry som ikke inneholdt en sporforbindelse. Deretter ble en 16 pound per gallon sementslurry inneholdende 1 vekt-% sement vanadiumpentoksid plassert i ringrommet.

For hver sementsammensetning som ble undersøkt, ble en 5 curie AmBe nøytronkilde anbrakt i sentrum av det indre rør i en periode på 420 sekunder. Nøytronkilden ble deretter fjernet og natriumjodid-gammarøntgendetektoren ble innsatt i sentrum av det indre røret. Data ble samlet av detektoren i en periode på 420 sekunder.

Resultatene av testene anvender sementsammensetningen uten en sporforbindelse er illustrert i fig. 1 som er en graf av det påviste gammastråleenergispekteret. Som vist er det bare tilstede 847 kilo-elektron Volt (keV) og 1811 keV Mn-56 gammastråleenergi-topper fra nøytronaktiveringen av jern i røret og 1779 keV Al-28 gammastråle fra nøytronaktivering av silisium i sementen.

Fig. 2 viser resultatene når samme eksperiment blir gjennomført med sementslurryen inneholdende 1% vanadiumpentoksid ved vekt av sementen. 1434 keV gammastråle-energistoppen inneholdende 25 netto tellinger pr. sekund (NCPS), som er resultat av nedbryting av V-52 som ble skapt på grunn av V-51 (n, y) V-52 reaksjonen er synlig tilstede. Halveringstiden av V-52 er 3,75 minutter som tilveiebringer en rimelig nøytronbestråling og gammastrålesamletid på 7 minutter hver. En bestrålingstid og en oppsamlingstid på tilnærmet to halveringstider hver tillater at man kan oppnå de mest statistisk meningsfulle data når andre aktiveringsprodukter er tilstede. 1434 keV gammastråleenergi av V-52 er ideell fordi den faller mellom 847 keV og 1811 keV gammastråleenergitoppene fra nøytronaktiveringen av jern i røret. Disse to referanse-toppene vil alltid være tilstede når en nøytronkilde blir anvendt i forede nede-i-hullet anvendelser og kan bli utnyttet som gammastråleenergikalibreringspunkter for gamma-stråledetektoren.

Foreliggende oppfinnelse er godt tilpasset til å gjennomføre målene og fordelene som er nevnt såvel som de som er underliggende. Selv om tallrike endringer kan gjøres av personer med kunnskap innenfor fagområdet, er slike endringer innbefattet innenfor oppfinnelsestanken slik den er definert i de etterfølgende kravene.

Claims (14)

1. Sporbar brørmsementsarnmensetning, karakterisert v e d at den omfatter: hydraulisk sement; tilstrekkelig vann til å danne en pumpbar slurry; og en normal ikke-radioaktiv sporforbindelse som blir radioaktiv og sender ut detekterbare stråler over en relativt kort tidsperiode når den er eksponert til nøytronene, der spor-forbindelsen er en vanadiumforbindelse.

2. Sammensetning ifølge krav 1, karakterisert ved at sporforbindelsen akselererer tidligstyrkeutvikling av sementen.

3. Sammensetning ifølge krav 1, karakterisert ved at sporforbindelsen er vannuoppløselig.

4. Sammensetning ifølge krav 1, karakterisert ved at sporforbindelsen blir valgt fra gruppen bestående av vanadiumpentoksid, vanadium-trisulfat, vanadylsulfat, vanadiumtrioksid, vanadiumtirsulfid, vanadiumkarbid, vanadiumsilisid og blandinger av disse.

5. Sammensetning ifølge krav 1, karakterisert ved at sporforbindelsen er tilstede i sammensetningen i en mengde i området fra ca. 0,05% til ca. 5 vekt-% av hydraulisk sement.

6. Sammensetning ifølge krav 1, karakterisert ved at den hydrauliske sementer er Porfland-sement.

7. Sammensetning ifølge krav 1, karakterisert ved at vannet blir valgt fra gruppen bestående av ferskvann, saltvann, saltlake og sjøvann. '*

8. Fremgangsmåte for sementering av en sone i en brønn ved å utnytte en hydraulisk sementsammensetning og etterfølgende detektering av den underjordiske lokaliseringen av sementsammensetningen deri, karakterisert ved at den omfatter trinnene med: kombinering av nevnte sementsammensetning en normalt ikke-radioaktiv sporforbin-delse som blir reaktiv og sender ut detekterbare stråler når den er eksponert til nøytroner, der sporforbindelsen er en vanadiumforbindelse; innføre sementsammensetningen i nevnte sone som skal bli sementert; utsending av nøytroner fra kilden derav i brønnen der sporforbindelsen blir reaktiv og sender ut detekterbare stråler; og påvisning av tilstedeværelse av detekterbare stråler for dermed å bestemme lokalisering av sementsammensetningen i brønnen.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at sporforbindelsen akselererer tidligstyrkeutvikling av sementsammensetningen.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at vanadiumforbindelsen er vannuoppløselig.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at sporforbindelsen blir valgt fra gruppen bestående av vanadiumpentoksid, vanadiumtri-sulfat, vanadylsulfat, vanadiumtrioksid, vanadium tri sulfid, vanadiumkarbid og vana-diumsilicid og blandinger av disse.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at sporforbindelsen er tilstede i sammensetningen i en mengde i området fra ca. 0,05% til ca. 5 vekt-% av den hydrauliske sementen.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at den hydrauliske sementen er Portland-sement.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at vannet blir valgt fra gruppen bestående av ferskvann, saltvann, saltlaker og sjøvann.