WO2002010086A1 - Verfahren zur herstellung eines quellzements und zugehörige testvorrichtung - Google Patents

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WO2002010086A1
WO2002010086A1 PCT/DE2001/002653 DE0102653W WO0210086A1 WO 2002010086 A1 WO2002010086 A1 WO 2002010086A1 DE 0102653 W DE0102653 W DE 0102653W WO 0210086 A1 WO0210086 A1 WO 0210086A1
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cement
swelling
additive
sample
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PCT/DE2001/002653
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Reza Ghofrani
Heinz August Miehe
Marius Stan
Alexandru-Sorin Gheorghiu
Emil Rogojinoiu
Gabriela Radu
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Technische Universität Clausthal
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    • F04C2/1073—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member with helical teeth the inner and outer member having a different number of threads and one of the two being made of elastic materials, e.g. Moineau type where one member is stationary while the other member rotates and orbits

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a controlled expanding swelling cement, which contains a cement, in particular a deep drilling cement, an oxidic, hydratable swelling additive and mixing water. Furthermore, the invention relates to a test device by means of which source cement samples can be subjected to the stress tests required within the method.
  • Swelling cements are used for cementing boreholes, especially for annulus cementations between the borehole wall and casing pipe run, for filling up convoluted boreholes, for containment of mud losses in mud loss zones and as a permeability barrier for the effective containment of waste.
  • the swelling cements - it is preferably CaO or
  • MgO source cements - should be introduced as sludge into the ring space described above after being mixed with fresh or salt water, in order to create a complete, tight and impervious bond between the borehole wall and the casing run.
  • the water molecules Due to their dipole character, the water molecules enclose empty spaces between them, which lead to an increased space requirement, as being substantially necessary.
  • the hydrated cement clinker phases are electrically charged on their surfaces, so that they electrostatically attract and attach the water molecules (physical fixation of the mixing water).
  • the chemically and / or physically fixed mixing water releases a quarter of the space originally taken up (loss of volume), so that the conventional cement slurry contracts due to hydration.
  • the conventional cement slurry flows or is free-flowing, it reacts flexibly to the volume loss caused by the chemical and / or physical fixation of the mixing water. After the formation of a stable matrix, the conventional one reacts
  • the conventional cements are not in a position to completely fill the annulus between the borehole wall and the casing pipe run (micro-annulus formation) in a borehole containing caliber.
  • Deep drilling cement Deep drilling cement, oxidic spring additive and mixing water.
  • the reaction of the oxide with the mixing water leads to the formation of a hydroxide.
  • hydroxide crystal seedlings are formed which attach themselves to the crystals of the main structural phase (hydrated cement) forming the pore migration in coarser pore channels of the cement matrix.
  • the hydroxide crystal seedlings grow there into the pore space and drive the crystals of the main structural phase apart when they reach the opposite pore wall (swelling).
  • the swelling cement presses according to its swelling potential into the missing areas and fill them completely with cement. This leads to the sealing of the annular space between the borehole wall and the casing pipe run.
  • the swelling potential of the swelling cement leads to a redistribution of the solid phases of the matrix, so that the maxima of the pore radii are shifted to smaller values (decrease in the permeability of the cement matrix).
  • swelling cements allow a complete filling of the annular space between the borehole wall and the casing pipe run and thus a safe anchoring of the casing in the intended position, the prevention of fluid and / or gas flows from an intersected geological formation into the formations above or below this formation, the prevention of pressure build-up in the annular space between the borehole wall and the casing casing brought in, the support the brought in casing travel against external pressure load.
  • Expansion cements known to date including swelling cement compositions, therefore solve the problem of gas-tight Cementation of annular spaces between the borehole wall and the inserted feed pipe trip is still not.
  • the object of the invention is therefore to solve the aforementioned problems in the prior art and to enable safe, gas-tight anchoring of casing runs in boreholes.
  • a method for producing a controlled expanding swelling cement which contains a cement, an oxidizable hydratable swelling additive and mixing water and in which the quality of the swelling additive is selected with regard to its reactivity-determining properties and / or the composition of the swelling cement, by experimentally determining the swelling and consistency behavior of this swelling cement based on a desired composition, taking into account relevant conditions at the place of filling, and adjusting the quality of the swelling additive and / or the composition of the swelling cement to the desired swelling and consistency behavior.
  • the solution to the problem according to the invention comprises a cement sludge circulation system which can be used for assessing the swelling cement within the production method according to the invention, in which the various samples used during the optimization can be subjected to a simulation of the load sequence during the cementation process.
  • the cement used within the swelling cement can in principle be any suitable cement, preferably an API deep drilling cement, Class G (ie a deep drilling cement standardized according to API Specification 10A (SPEC 10A)).
  • the oxidic, hydratable swelling additive is calcium oxide (CaO, quicklime, fine white lime) or magnesium oxide (MgO). Fresh or salt water can be used as the mixing water.
  • the quality of the source additive includes the specification with regard to its reactivity-determining properties.
  • the quality of the swelling additive is preferably characterized by a key figure which is used as a measure of the rate of hydration of the swelling additive under standard conditions. Is suitable for the assessment of the CaO
  • the ANT method (acid neutralization time method) can be used to assess the reactivity of MgO as a source additive.
  • the firing temperature, the degree of firing, the burning time and the degree of grinding (specific surface) of the swelling agent have a decisive influence on the reactivity of the oxidic swelling additive - and thus the index t 60 or the ANT value.
  • the basic composition of the source cement is selected according to the cementation process to be used and the geological and technical conditions at the drilling site.
  • the dissolution rate of the CaO or MgO swelling additive is also a function of the shear, the temperature and the pressure in the borehole; it is also dependent on the level of the firing temperature of the swelling additives (soft or hard firing), the duration of their firing process (degree of deacidification) and their specific surface (fineness of grinding), as can be determined, for example, using the index t 60 or the ANT value.
  • the invention is therefore based on the idea that there cannot be a generally applicable optimal swelling cement composition, but that the composition of the swelling cement and the quality of the swelling additive have to be selected specifically for the respective drilling conditions.
  • the formulation of a source cement formulation that is suitable and optimized for a specific borehole section therefore requires the implementation of experimental investigations under largely precisely simulated borehole conditions.
  • a further development of the invention provides that the three parameters of pressure, temperature and shear are taken into account as relevant conditions at the filling location.
  • the experimental investigation of the source cement samples to determine and set the desired properties includes the most realistic simulation of the conditions to which the source cement to be produced will be exposed during the special cementation task.
  • the swelling cement will be exposed to different loads and conditions one after the other: First, certain conditions when starting up (in practice, various on-site starting procedures described below are used) that already influence the initial hydration and the consistency behavior of the cement, then certain dynamic ones Loads during the pumping of the cement to the filling location and finally certain static loads which act on the swelling cement at the filling location during hardening.
  • the quality of the swelling additive is decisively determined by the degree of firing, the burning time and the specific surface of the swelling additive, so that these parameters can be used to optimize the swelling cement with regard to the place of use.
  • CaO quicklime, fine white lime
  • MgO can be used as a swelling additive.
  • the CaO content in the swelling cement should preferably be 5% to 20% BWOC (by weight of cement).
  • the quality ie the reactivity of the source additive, is preferred via the characteristic number t 60 (CaO) or the ANT value
  • additives in particular weighting agents, weight-reducing agents, retarders, accelerators, filtrate depressants and the like, can be added to the swelling cement. be added.
  • the desired swelling cement properties are first determined experimentally via the swelling and consistency behavior of the swelling cement, in the following way:
  • a practical sample of a swelling cement with such a composition and a quality of the swelling additive, which is suspected that they are suitable for achieving the desired swelling and consistency behavior, is subjected to pressure, temperature and shear stress in a test device , which correspond to the conditions when pumping to the backfill location (these conditions are determined on site or based on similar known formations) (dynamic loading of the sample),
  • the sample is examined and evaluated for its properties, in particular its swelling and consistency behavior,
  • the sample is stored under the static pressure and temperature conditions of the filling location for a period of time (static load on the sample), the sample is finally evaluated;
  • the quality of the swelling additive and / or the composition of the swelling cement is varied, if necessary, and the experimental process is repeated until the evaluation corresponds to expectations.
  • the API mixing method is often used for laboratory tests of cement slurries, in which complete deflocculation of the grain collectives of the cement components and aggregates is achieved within a short time. Appropriate starting is not possible in practice. Since the preparation has a significant influence on the initial hydration and the swelling and consistency behavior of the swelling cement, it is essential to the invention for the method disclosed here that the experimentally investigated swelling cement samples are not made in a laboratory but "in a practical manner".
  • “Practical dressing” in the sense of the invention is understood to be one with which a method provided in practice for dressing the swelling cement is correctly simulated.
  • Common mixing methods in cementing practice are: Low Pressure Hopper Mixing, Low Pressure Recirculation Mixing and High Pressure Recirculation Mixing. These mixing processes are simulated in the laboratory, for example, using a paddle stirrer and centrifugal pump, and the characteristic properties of the cement sludge are used to check whether the mixing process simulated in the laboratory is "practical", i.e. whether it corresponds to the preparation procedure provided for the application.
  • the swelling cement sample which simulates the situation during pumping, should also include the heating-up speed to be expected for the application and the consideration of the pumping time.
  • the parameters of pressure, temperature and heating rate for a given pumping speed and pumping time can be easily determined for the respective cementation task or are known for the drilling location.
  • the shear stress that the swelling cement will be exposed to in practice varies and depends, among other things, on the pumping rate, borehole geometry and rheology of the cement slurry.
  • the cement slurry experiences shear loads of around 3 [s "1 ] within the anchor pipe tour and up to 644 [s " 1 ] in the annulus of a production pipe tour.
  • This fire range of the shear loads is due to different pumping rates and different borehole geometries.
  • the properties of the cement sludge, in particular the stiffening time, are decisively influenced by the amount and duration of the shear stress during pumping.
  • the shear stresses to be used for the experimental investigations of the dynamic load can be determined, for example, using the Power Law flow model, as described in "Purvis, DL, et al.," Thickening Time Test Apparatus Provided Method of Simulating Actual Shear History of Oilwell Cements " , paper SPE 26576, 1993, 68 th Annual Technical Conference and Exhibition of the Society of Petroleum Engineers, Houston, Texas, October 3-6 "and” Reed, RD, et al., "A New Model for laminar, transitional, and Turbulent Flow of Drilling Muds ", Paper SPE 25456, 1993, the Production Operations Symposium, Oklahoma City, OK, March 21-23".
  • an average practical shear rate is determined, with the aid of which, taking into account the effective pipe diameter of the circulation system, the pumping rate is determined with which the source cement sample is to be pumped around in the circulation system for an optimal simulation of the conditions at the cementation site.
  • the dynamic loading of the sample in the test device is followed by a first examination and evaluation of relevant properties of the source cement sample, in particular its swelling and consistency behavior.
  • the sample is preferably optimized primarily on the basis of the change in volume during the curing of the sample (swelling behavior).
  • the volume change can, for example, with the help of an HPHT
  • the consistency behavior of a source cement sample is measured (after corresponding dynamic preloading, as described above) in a consistor meter, as is generally known to the person skilled in the art.
  • BC values are determined as key figures for the resistance of the cement slurry when sheared in the consistor meter. It can be assumed that sludges with values ⁇ 100 BC can no longer be pumped, while slurries ⁇ 30 BC are well pumpable.
  • the key figures TT (stiffening time) and t 30 (time span until a BC value of 30 is reached) can be determined from measurements of the consistency behavior and used to assess the consistency behavior of the source cement sample. Samples that would not be pumpable under the conditions at the drilling site are already ruled out here.
  • the first (positive) evaluation of the sample is followed by storage of the sample under the static pressure and temperature conditions of the filling location for a certain time (during curing). This storage period after which the
  • the sample is finally assessed should preferably be at least 40 days, more preferably at least 60 days.
  • the sample can be stored under fresh water, salt water and reservoir water.
  • the final assessment and evaluation of the sample is generally carried out in advance by a visual assessment of the integrity of the sample and then preferably on the basis of the system permeability, which provides information about the absolute gas tightness, and further preferably on the basis of the pressure and shear strength values.
  • the method disclosed here for producing a swelling cement which expands in a controlled manner leads, as explained, to a cement mixture which is specifically adapted to the cementation task in each individual case. Only in this way can optimally gas-tight and high-strength cementing results be achieved with a high degree of certainty.
  • the method is therefore suitable for demanding cementing tasks, such as the ring cementation of boreholes, which is primarily used as the intended purpose.
  • the process provides a recipe for a special swelling cement and a swelling cement dry mix, which is processed with the mixing water to a ready-to-use swelling cement if required.
  • the test device is a cement sludge circulation system in which the sample is circulated under defined pressure, temperature and shear stress.
  • Pressure, temperature and shear stress represent the conditions relevant for the selection of the cement formulation at the filling location (including the conditions during pumping).
  • the cement sludge circulation system is further characterized according to the invention by the following features: a heatable and pressurizable circulation path; - A circulating pump connected to the circulation section and controllably driven;
  • the essence of the invention is to use the "lime and magnesia blowing" in a controlled manner within a source cement composition specially designed for a specific cementation task. For this it is necessary that the matrix-expanding hydroxide crystal growth takes place essentially within the plastically deformable phase of the source cement hydration.
  • Fig. 1 shows the gel strength and strength development of a CaO swelling cement (Gst), the rate of hydration of the CaO swelling additive used (V H ) and the matrix expansion of the CaO swelling cement (? M ) as a function of time.
  • the time axis is divided into three sections S 0 (the CaO swelling cement slurry is in the liquid state), S 1 (the CaO swelling cement is already stable in space, but plastically deformable) and S 2 (the CaO swelling cement has hardened).
  • the CaO swelling additive has been selected with regard to reactivity, taking into account relevant borehole conditions, shear, pressure and temperature (case c), the swelling potential of the product can be implemented in a useful way.
  • Fig. 1 c shows that due to the rate of hydration of the CaO swelling additive, which is appropriate for the borehole conditions, the calcium hydroxide largely crystallizes out (7) in the plastically deformable phase of the CaO swelling cement (S x ).
  • the implementation of a low residual swelling potential (? 2 ) in hardened cement block (S 2 ) is desirable if the cement block deforms in the elastic area as a result of the implementation of the residual swelling potential in the elastic area leads to increased contact tension to the surfaces adjacent to the cement block (borehole wall, casing pipe travel), so that the required gas tightness route cemented with CaO source cement is considerably improved.
  • the necessary experimental investigations first require a practical preparation of the swelling cement, as already described above.
  • the swelling cement slurry must then be exposed according to the borehole conditions and the planned cementation process, for example in the cement slurry circulation system according to the invention (see Fig. 2) or in an apparatus with comparable possibilities of pressure, temperature and shear stress.
  • the swelling cement slurry shows the state that the same recipe would have after the pumping on site.
  • the swelling cement slurry is then examined for its consistency and expansion behavior.
  • Some of the swelling cement sludge loaded in the cement slurry circulation system is stored in appropriate test forms under simulated pressure and temperature conditions in the autoclave in order to assess the long-term stability behavior of the swelling cement after a corresponding storage period. Tap water, reservoir water or a salt solution of any salt concentration can be used as the storage medium.
  • Desired sludge properties Density: 1. 650 [kg / m 3 ]
  • FIG. 2 shows a Zemen sludge circulation system suitable for carrying out the method according to the invention.
  • a circulation pump 2 here a Moineau circulation pump, is included in the circulation section 1.
  • the cement to be examined is fed to the circulation pump from a mixing container 3 in which the dry basic cement mixture to be examined is mixed with mixing water, i.e. is turned on in a practical manner. From here, the cement slurry is circulated within the circulation section 1.
  • an adjustable pressure can be applied to the circulation section.
  • a pressure build-up pump 7 (with safety valve 8) is connected to the line via a pressure booster 6.
  • the pumped cement slurry is tempered with the aid of the heater 14.
  • sampling point 15 samples of the pumped sludge can be taken for examinations.
  • Sampling device 9 and sampling point 15 are connected to the circulation path 1 via a connecting valve 16. Especially when the circulation path is filled, it can be vented with the aid of a vent valve 13. At the end of the experiment, the cement slurry is discharged through the outlet valve 11.
  • the circulation system shown in this exemplary embodiment enables practice-oriented shear, pressure and temperature loading of the practical source cement, ie the experimental investigations on the dynamic loading of the source cement samples are carried out in it.
  • the preloaded Source cement slurry is then examined for expansion and consistency behavior (for example in HPHT measuring systems).
  • test forms are filled with the preloaded swelling cement slurry, which are stored in an autoclave for at least 40 days, better at least two months, under pT conditions. After evacuation from the autoclave, these samples are measured for system permeability, pressure and shear strength.

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Abstract

Durch das Verfahren wird ein kontrolliert expandierender Quellzement erhalten, welcher aus Zement, einem oxidischen, hydratisierbaren Quellzusatz und Anmachwasser besteht. Die Qualität des Quellzusatzes wird hinsichtlich seiner reaktivitätsbestimmenden Eigenschaften oder über die Zusammensetzung des Quellzements ausgewählt, indem - ausgehend von einer gewünschten Zusammensetzung - die relevanten Bedingungen am Verfüllungsort berücksichtigt und das Quell- und Konsistenzverhalten des Quellzements experimentell ermittelt werden. Die Qualität des Quellzusatzes bzw. die Zusammensetzung des Quellzements wird insbesondere unter Berücksichtigung eines praxisgerechten Anmachens, sowie der Bedingungen am Verfüllungsort auf das gewünschte Quell- und Konsistenzverhalten eingestellt.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Quellzements und zugehörige Testvorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines kontrolliert expandierenden Quellzements, welcher einen Zement, insbesondere einen Tiefbohrzement, einen oxidischen, hy- dratisierbaren Quellzusatz und Anmachwasser enthält. Ferner betrifft die Erfindung eine Testvorrichtung, mit Hilfe derer Quellzementproben innerhalb des Verfahrens benötigten Belastungsuntersuchungen unterzogen werden können.
Quellzemente werden u.a. zum Auszementieren von Bohrlöchern, besonders für Ringraumzementationen zwischen Bohrlochwandung und Futterrohrfahrt, zum Verfüllen auflässiger Bohrungen, zum Eindämmen von Spülungsverlusten in Spülungsverlustzonen und als Permeabilitätsbarriere für den wirksamen Einschluss von Abfällen benötigt.
In der Bohrtechnik werden zum Erreichen der Zielteufe einer Bohrung und zum Offenhalten des Bohrloches während der geplanten Lebensdauer zur kontrollierten Förderung gasförmiger und/oder flüssiger Medien aus entsprechenden geologischen For- mationen (Förderbohrungen) bzw. zur kontrollierten Einbringung von gasförmigen und/oder flüssigen Medien in geologische Formationen (Einpressbohrungen) , Futterrohrfahrten in das Bohrloch eingebracht, nachdem bestimmte Teufenpunkte erreicht werden. Der Ringraum zwischen der Bohrlochwandung und der einge- brachten Futterrohrfahrt muss mit einem geeigneten Stoff vollständig verfüllt werden. Der Füllstoff muss nach Erhärtung im Ringraum einen lückenlosen, festen und undurchlässigen Verbund zwischen der Bohrlochwandung und der Futterrohrfahrt herstellen, so dass die Futterrohrfahrt in der vorgesehenen Lage ver- ankert wird und bleibt und durch den Ringraum zwischen der
Bohrlochwandung und der Futterrohrfahrt Gas- und/oder Flüssig- keitsbewegungen zwischen den durchteuften Formationen, nach über Tage bzw. zur Futterrohrfahrt hin ausgeschlossen sind. Die Quellzemente - es handelt sich vorzugsweise um CaO- oder
MgO-Quellzemente - sollen nach Anmachen mit Süß- bzw. Salzwasser als Schlamm in den oben näher beschriebenen Ringraum eingebracht werden, um dort einen lückenlosen, dichten und un- durchlässigen Verbund zwischen der Bohrlochwandung und der Futterrohrfahrt herzustellen.
Bei Verwendung konventioneller Zementschlämme, bestehend aus Portlandzement bzw. Tiefbohrzement, Additiven und Anmachwasser für die eingangs genannten Zwecke besteht das Problem eines
Volumenschwundes während des Aushärtens, so dass Undichtigkeiten und Hohlräume entstehen.
Die Wassermoleküle schließen im Normalzustand auf Grund ihres Dipolcharakters Leerräume zwischen sich ein, die zu einem erhöhten Raumbedarf führen, als substantiell notwendig. Mit Beginn der Hydratation der Zementklinkerphasen werden die Wassermoleküle in die Hydratationsprodukte orientiert eingelagert (chemische Fixierung des Anmachwassers) . Die hydratisierten Zementklinkerphasen sind auf ihren Oberflächen elektrisch geladen, so dass sie die Wassermoleküle elektrostatisch anziehen und anlagern (physikalische Fixierung des Anmachwassers) . Das chemisch und/oder physikalisch fixierte Anmachwasser gibt ein Viertel des ursprünglich eingenommenen Raumes frei (Volumen- schwund) , so dass der konventionelle Zementschlamm durch die Hydratation kontrahiert. Solange der konventionelle Zementschlamm fließt bzw. fließfähig ist, reagiert dieser auf den durch die chemische und/oder physikalische Fixierung des Anmachwassers verursachten Volumenschwund flexibel . Nach der Bildung einer raumstabilen Matrix reagiert der konventionelle
Zement bei voranschreitender Hydratation der Zementklinkerphasen auf den weiter verursachten Volumenschwund mit Mikro- ringraumbildung zwischen dem Zementkörper und der Bohrlochwandung bzw. der Futterrohrfahrt und/oder erhöhter Porosität. Neben dem oben dargestellten Problem (Volumenschwund) der konventionellen Zemente ergeben sich zusätzlich Probleme durch Fehler in der Bohrphase sowie Zementationsfehler. In Sedimentgesteinen können mit wasserbasischen Bohrspülungen in der Re- gel keine kaliberhaltigen Bohrlöcher hergestellt werden. Durch die hierdurch bedingten Auskesselungen und/oder Auswaschungen entstehen entlang der Bohrlochwandung Nischen, aus denen die in der Regel vergelungsfähige Bohrspülung beim Zementations- vorgang durch Spacer und/oder Zementschlamm nicht vollständig verdrängt werden kann. Somit verbleiben im zementierten Ringraum sogenannte Spülungstaschen zurück. Als Zementationsfehler kann vorwiegend eine mangelhafte Zentrierung der Futterrohrfahrt genannt werden, die zu einer einseitigen Verdrängung der vergelten Spülung aus dem Ringraum zwischen der Bohrloch- wandung und der eingebrachten Futterrohrfahrt führt (Kanalströmung) .
Bedingt durch die oben näher beschriebene Volumenkontraktion sind die konventionellen Zemente schon nicht in der Lage, bei einem kaliberhaltigen Bohrloch den Ringraum zwischen der Bohrlochwandung und der eingebrachten Futterrohrfahrt vollständig auszufüllen (Mikroringraumbildung) . Hinzu kommen die vorgenannten Zementations- und Bohrfehler, die von konventionellen Zementen nicht ausgeglichen werden können.
Man hat daher bereits versucht, das Problem der Volumenkontraktion mit Hilfe von sogenannten ExpansionsZementen zu lösen, die als Expansionszusätze Aluminiumpulver, NaCl usw. enthalten. Untersuchungen haben gezeigt, dass die bislang bekann- ten sogenannten Expansionszemente allenfalls zu reduziertem Volumenschwund führen. CaO- oder MgO-Quellzemente bestehen aus den Grundkomponenten
Tiefbohrzement, oxidischem Quellzusatz und Anmachwasser. Beim Anmachen des Quellzements führt die Reaktion des Oxids mit dem Anmachwasser zur Bildung eines Hydroxids. Nach Über- schreitung der Sättigungsgrenze des Anmachwassers mit dem Hydroxid werden Hydroxidkristallkeimlinge ausgebildet, die sich in gröberen Porenkanälen der Zementmatrix an die Kristalle der die Porenwanderung ausbildenden Hauptstrukturphase (hydrati- sierter Zement) anlagern. Die Hydroxidkristallkeimlinge wach- sen dort in den Porenraum hinein und treiben beim Erreichen der gegenüberliegenden Porenwandung die Kristalle der Haupt- Strukturphase auseinander (Quellung) .
Ist die Bohrspülung bei der Zementation des Ringraumes zwi- sehen der Bohrlochwandung und der eingebrachten Futterrohrfahrt durch Spacer und/oder Quellzementschlämm nicht vollständig verdrängt worden, so dass im Ringraum Spülungstaschen bzw. Spülungsreste an der Futterrohrfahrt zurückgeblieben sind, so presst sich der Quellzement entsprechend seinem Quellpotential in die genannten Fehlstellen ein und füllt diese lückenlos mit Zement aus. Dies führt zur Abdichtung des Ringraumes zwischen der Bohrlochwandung und der eingebrachten Futterrohrfahrt. Ist bei der Zementation des Ringraumes jedoch die Bohrspülung vollständig verdrängt worden, so führt das Quellpotential des Quellzementes zu einer Umverteilung der festen Phasen der Matrix, so dass die Maxima der Porenradien zu kleineren Werten verschoben werden (Abnahme der Durchlässigkeit der Zementmatrix) .
Wenn das Quellvermögen der Quellzusätze während der Zementhydratation richtig genutzt werden kann, ermöglichen Quellzemente eine vollständige Ausfüllung des Ringraumes zwischen der Bohrlochwandung und der eingebrachten Futterrohrfahrt und damit eine sichere Verankerung der Futterrohrfahrt in der vorgesehenen Lage, die Verhinderung von Fluid- und/oder Gasströmungen aus einer durchteuften geologischen Formation in die oberhalb oder unterhalb dieser Formation liegenden Formationen, die Verhinderung vom Druckaufbau im Ringraum zwischen der Bohrlochwandung und der eingebrachten Futterrohrfahrt, die Stützung der eingebrachten Futterrohrfahrt gegen Außen- druckbelastun .
Die Einlagerung quellfähiger Fremdphasen kann jedoch nur dann von Nutzen sein, wenn die Keimbildung und das Wachstum der Hydroxidkristalle zu einem Zeitpunkt erfolgt, in dem zwar eine raumstabile Matrix bereits existiert, diese aber auf das Wachstum der Fremdphasen mit plastischer Verformung reagieren kann.
Ist die Reaktivität des Quellzusatzes zu hoch und erfolgt die Hydratisierung zu früh, so verpufft die Wirkung des Quellzu- satzes in dem noch flüssigen Zementschlämm. Bei späterer Aushärtung geht das Volumen dennoch zurück; das Problem "Volumenschwund" bleibt bestehen.
Ist die Reaktivität des Quellzusatzes zu gering und erfolgt die Hydratisierung und Keimbildung zu spät, so kristallisiert das Hydroxid in dem bereits erhärteten Zement aus, so dass es zu Rissbildungen kommt. Dieses Phänomen ist als Kalk- bzw. Magnesiatreiben in der Bau- und Betonindustrie seit langem bekannt und gefürchtet, denn es kann zur Sprengung und damit Zerstörung der Zementierung führen.
Bislang bekannte Expansionszemente, auch Quellzement- Zusammensetzungen, lösen daher das Problem einer gasdichten Zementation von Ringräumen zwischen der Bohrlochwandung und der eingebrachten Futterröhrfahrt nach wie vor nicht .
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die vorgenann- ten Probleme im Stand der Technik zu lösen und eine sichere, gasdichte Verankerung von Futterrohrfahrten in Bohrlöchern zu ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines kontrolliert expandierenden Quellzements vorgesehen, welcher einen Zement, einen oxidischen hydrati- sierbaren Quellzusatz und Anmachwasser enthält und bei welchem die Qualität des Quellzusatzes hinsichtlich seiner reaktivitätsbestimmenden Eigenschaften und/oder die Zusammensetzung des Quellzements ausgewählt wird, indem ausgehend von einer gewünschten Zusammensetzung unter Berücksichtigung relevanter Bedingungen am Verfüllungsort das Quell- und Konsistenzverhalten dieses Quellzements experimentell ermittelt wird und die Qualität des Quellzusatzes und/oder die Zusammensetzung des Quellzementes auf das gewünschte Quell- und Konsistenzverhalten eingestellt wird.
Außerdem umfasst die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe eine für die Beurteilung des Quellzements innerhalb des erfindungs- gemäßen Herstellungsverfahrens verwendbare Zementschlammzirku- lationsanlage, in der die verschiedenen während der Optimierung angesetzten Proben einer Simulation des Belastungsablaufs während des Zementations organgs ausgesetzt werden können.
Bei dem innerhalb des Quellzements verwendeten Zement kann es sich grundsätzlich um jeden geeigneten Zement handeln, vorzugsweise einen API-Tiefbohrzement, Class G (d.h. einen nach API Specification 10A (SPEC 10A) genormten Tiefbohrzement) . Bei dem oxidischen, hydratisierbaren Quellzusatz handelt es sich um Calciumoxid (CaO, Branntkalk, Weißfeinkalk) oder Magnesiumoxid (MgO) . Als Anmachwasser kann Süß- oder Salzwasser verwendet werden.
Die Qualität des Quellzusatzes umfasst die Spezifikation bezüglich seiner reaktivitätsbestimmenden Eigenschaften. Vorzugsweise wird die Qualität des Quellzusatzes durch eine Kennzahl charakterisiert, die als Maß für die Hydratationsgeschwindigkeit des Quellzusatzes unter Standardbedingungen her- angezogen wird. Geeignet ist für die Beurteilung der CaO-
Reaktivität die industriell verwendete Kennzahl t60. Für die Beurteilung der Reaktivität von MgO als Quellzusatz kann das ANT-Verfahren (acid neutralization time Verfahren) herangezogen werden.
Entscheidenden Einfluss auf die Reaktivität des oxidischen Quellzusatzes - und damit die Kennzahl t60 bzw. den ANT-Wert - haben die Brenntemperatur, der Brenngrad, die Brenndauer und der Mahlgrad (spezifische Oberfläche) des Quellzusatzes.
Die Grundzusammensetzung des Quellzements wird nach dem einzusetzenden Zementationsverfahren und den geologischen und technischen Bedingungen am Bohrort ausgewählt .
Es ist bekannt, dass der Beginn und die Intensität des Hydratationsprozesses der Klinkermineralien scher-, temperatur- und druckabhängig sind. Auch die Lösungsgeschwindigkeit des Quellzusatzes CaO oder MgO ist eine Funktion der Scherung, der Temperatur und des Druckes im Bohrloch; sie ist außerdem abhängig von der Höhe der Brenntemperatur der Quellzusätze (Weich- oder Hartbrand) , der Dauer ihres Brennprozesses (Grad der Entsäuerung) und ihrer spezifischen Oberfläche (Mahlfeinheit) , wie beispielsweise über die Kennzahl t60 oder den ANT-Wert erfassbar. Der Erfindung liegt daher der Gedanke zugrunde, dass es keine allgemeingültige optimale Quellzementzusammensetzung geben kann, sondern dass die Zusammensetzung des Quellzements und die Qualität des Quellzusatzes für die jeweiligen Bohrbedingungen speziell ausgewählt werden müssen. Die Formulierung einer für eine bestimmte Bohrlochstrecke geeigneten und optimierten Quellzementrezeptur erfordert daher die Durchführung experimenteller Untersuchungen unter weitestgehend genau simulierten Bohrlochbedingungen.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als relevante Bedingungen am Verfüllungsort die drei Parameter Druck, Temperatur und Scherung berücksichtigt werden.
Die experimentelle Untersuchung der Quellzementproben zur Ermittlung und Einstellung der gewünschten Eigenschaften umfasst eine möglichst naturgetreue Simulation der Bedingungen, denen der herzustellende Quellzement bei der speziellen Zementationsaufgabe ausgesetzt sein wird. Der Quellzement wird nachein- ander verschiedenen Belastungen und Bedingungen ausgesetzt sein: Zunächst bestimmten Bedingungen beim Anmachen (in der Praxis werden verschiedene nachfolgend noch beschriebene Anmachverfahren vor Ort eingesetzt) , die bereits die initiale Hydratation und das Konsistenzverhalten des Zements beeinflus- sen, dann bestimmten dynamischen Belastungen während des Ver- pumpens des Zements an den Verfüllungsort und schließlich bestimmten statischen Belastungen, die am Verfüllungsort während des Aushärtens auf den Quellzement wirken.
Wie bereits oben erwähnt, wird die Qualität des Quellzusatzes entscheidend bestimmt durch den Brenngrad, die Brenndauer und die spezifische Oberfläche des Quellzusatzes, so dass diese Parameter für die Optimierung des Quellzements hinsichtlich des Einsatzortes verwendet werden können. Als Quellzusatz kann CaO (Branntkalk, Weißfeinkalk) oder MgO verwendet werden. Der CaO-Gehalt in dem Quellzement sollte vorzugsweise 5 % bis 20 % BWOC (by weight of cement) betragen.
Vorzugsweise wird die Qualität, d.h. die Reaktivität des Quellzusatzes über die Kennzahl t60 (CaO) bzw. den ANT-Wert
(MgO) charakterisiert.
Dem Quellzement können wie üblich zusätzlich Additive, insbesondere Beschwerungsmittel, gewichtsmindernde Mittel, Verzöge- rer, Beschleuniger, Filtratsenker u. ä. beigegeben sein.
In besonders bevorzugter Ausführung werden die gewünschten Quellzement-Eigenschaften zunächst über das Quell- und Konsistenzverhalten des Quellzements, und zwar auf folgende Weise experimentell ermittelt:
- eine praxisgerecht angemachte Probe eines Quellzements mit einer solchen Zusammensetzung und einer Qualität des Quell- Zusatzes, von denen vermutet wird, dass sie zur Erzielung des gewünschten Quell- und Konsistenzverhaltens geeignet sind, wird in einer Testvorrichtung einer Druck-, Temperatur- und Scherbelastung ausgesetzt, die den Bedingungen bei Verpumpen an den Verfüllungsort entsprechen (diese Bedingungen werden vor Ort ermittelt oder aufgrund ähnlicher be- kannter Formationen so angesetzt) (dynamische Belastung der Probe) ,
- die Probe wird auf ihre Eigenschaften, insbesondere ihr Quell- und Konsistenzverhalten untersucht und bewertet,
die Probe wird unter den statischen Druck- und Temperatur- bedingungen des Verfüllungsortes eine Zeitspanne gelagert (statische Belastung der Probe) , die Probe wird abschließend bewertet;
die Qualität des Quellzusatzes und/oder die Zusammensetzung des Quellzements wird gegebenenfalls variiert und das experimentelle Verfahren wiederholt bis die Bewertung den Erwartungen entspricht.
Für Laboruntersuchungen von Zementschlämmen wird häufig die API-Anmachmethode verwendet, bei der eine vollständige De- flockulation der Kornkollektive der Zementbestandteile und Zuschläge innerhalb kurzer Zeit erreicht wird. Ein entsprechendes Anmachen ist jedoch in der Praxis nicht möglich. Da das Anmachen wesentlichen Einfluss auf die initiale Hydratation und das Quell- und Konsistenzverhalten des Quellzementes nimmt, ist es für das hier offenbarte Verfahren erfindungswesentlich, dass die experimentell untersuchten Quellzementproben nicht labormäßig sondern "praxisgerecht" angemacht sind.
Unter einem "praxisgerechten Anmachen" im Sinne der Erfindung wird ein solches verstanden, mit dem ein in der Praxis zum Anmachen des Quellzements vorgesehenes Verfahren zutreffend simuliert wird. In der Zementationspraxis gängige Anmachmethoden sind: Low Pressure Hopper Mixing, Low Pressure Recirculation Mixing und High Pressure Recirculation Mixing. Diese Anmach- verfahren werden im Labor beispielsweise unter Einsatz von Paddelrührer und Zentrifugalpumpe nachgestellt, und es wird anhand charakteristischer Eigenschaften des ZementSchlamms überprüft, ob das im Labor nachgestellte Anmachverfahren "praxisgerecht" ist, d.h. ob es dem für den Anwendungsfall vorge- sehenden Anmachverfahren entspricht.
Weiterhin nimmt die dynamische Belastung des Zements während des Verpumpens an den Zielort der Zementationsaufgabe entscheidenden Einfluss auf das Quell- und Konsistenzverhalten des Zements. In die Simulation der dynamischen Belastung der
Quellzementprobe, die die Situation beim Verpumpen nachbildet, sollte neben den Druck- und Temperaturendwerten auch die für den An endungsfall zu erwartende Aufheizgeschwindigkeit sowie die Berücksichtigung der Verpumpungszeit eingehen.
Die Parameter Druck, Temperatur sowie Aufheizgeschwindigkeit bei gegebener Pumpgeschwindigkeit und Verpumpungszeit sind für die jeweilige Zementationsaufgabe leicht bestimmbar oder für den Bohrungsort bekannt.
Die Scherbelastung, der der Quellzement in der Praxis ausgesetzt sein wird, variiert und ist unter anderem abhängig von Pumprate, Bohrlochgeometrie und Rheologie des ZementSchlamms .
Der Zementschlamm erfährt in der Zementationspraxis durch Verpumpung Scherbelastungen in der Größenordnung von 3 [s"1] innerhalb der Ankerrohrtour und bis 644 [s"1] im Ringraum einer Produktionsrohrtour. Diese Brandbreite der Scherbelastungen ist bedingt durch verschiedene Pumpraten und unterschiedliche Bohrlochgeometrien. Die Eigenschaften des ZementSchlamms, insbesondere die Versteifungszeit, werden entscheidend von der Höhe und Dauer der Scherbelastung während der Verpumpung be- einflusst .
Um bei der Untersuchung von Zementschlamm und Zementstein praxisrelevante Labormessergebnisse zu erhalten, ist es daher notwendig, den Zementschlämm im Labor den gleichen Belastungen auszusetzen, wie sie in der Praxis während des Anmachens und der Verpumpung zu erwarten sind. Diese Forderung ist gerade bei CaO- oder MgO-QuellZementen von ausschlaggebender Bedeutung, weil die Wirksamkeit dieser Zemente von einer zutreffenden Abschätzung des Zeitpunktes der Raumstabilität der Zementmatrix entscheidend abhängt (siehe auch unten, Abb. 1) . Zuver- lässige Aussagen über die Wirksamkeit von Quellzementen können demgemäß nur dann gemacht werden, wenn ihr Ausdehnungsverhalten erst nach einer praxisgerechten Temperatur-, Druck- und Scherbeanspruchung in einer Testvorrichtung wie einer Zirkula- tionsanlage untersucht wird.
Die für die experimentellen Untersuchungen zur dynamischen Belastung anzusetzenden ScherSpannungen lassen sich beispielsweise mit Hilfe des Power Law Fließmodels bestimmen, wie in "Purvis, D.L., et al . , "Thickening Time Test Apparatus Provi- des Method of Simulating Actual Shear History of Oilwell Cements" , Paper SPE 26576, 1993, 68th Annual Technical Conference and Exhibition of the Society of Petroleum Engineers, Houston, Texas, October 3-6" und "Reed, R.D., et al . , "A New Model for Laminar, Transitional, and Turbulent Flow of Drilling Muds" , Paper SPE 25456, 1993, the Production Operations Symposium, Oklahoma City, OK, March 21-23" beschrieben. Auf diese Weise wird eine mittlere praxisgerechte Scherrate ermittelt, mit deren Hilfe unter Berücksichtigung des effektiven Rohrdurchmes- sers der Zirkulationsanlage die Pumprate ermittelt wird, mit der die Quellzementprobe für eine optimale Simulation der Verhältnisse am Zementationsort in der Zirkulationsanlage umgepumpt werden soll.
An die dynamische Belastung der Probe in der Testvorrichtung schließt sich eine erste Untersuchung und Bewertung relevanter Eigenschaften der Quellzementprobe an, insbesondere ihres Quell- und Konsistenzverhaltens.
Die Optimierung der Probe erfolgt vorzugsweise in erster Linie anhand der Volumenänderung während des Aushärtens der Probe (Quellverhalten) . Die Volumenänderung kann beispielsweise mit Hilfe einer HPHT-
Ausdehnungsmesszelle bestimmt werden (DGMK-Forschungsbericht
444-2, Autoren R. Ghofrani, H. Plack, S. 48-49, DGMK Deutsche
Wissenschaftliche Gesellschaft für Erdöl, Erdgas und Kohle e.V., Hamburg, Oktober 1994)
Das Konsistenzverhalten einer Quellzementprobe wird (nach entsprechender dynamischer Vorbelastung, wie oben beschrieben) in einem Konsistormeter gemessen, wie dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Hierbei werden beispielsweise BC-Werte als Kennzahlen für den Widerstand des ZementSchlamms bei Scherung im Konsistormeter ermittelt. Es kann als anerkannt angenommen werden, dass Schlämme mit Werten ≥ 100 BC als nicht mehr verpumpbar gelten können, während Schlämme ≤ 30 BC gut verpumpbar sind. Aus Messungen zum Konsistenzverhalten können die Kennzahlen TT (Versteifungszeit) und t30 (Zeitspanne, bis ein BC-Wert von 30 erreicht wird) ermittelt und für die Beurteilung der Quellzementprobe bezüglich ihres Konsistenzverhaltens herangezogen werden. Proben, die unter den Bedingungen am Bohrort nicht verpumpbar wären, scheiden bereits hier aus.
An die erste (positive) Bewertung der Probe schließt sich eine Lagerung der Probe unter den statischen Druck- und Temperaturbedingungen des Verfüllungsortes über eine bestimmte Zeit (während des Aushärtens) an. Diese Lagerzeit, nach der die
Probe abschließend beurteilt wird, sollte vorzugsweise wenigstens 40 Tage, weiter vorzugsweise wenigstens 60 Tage betragen. Die Lagerung der Probe kann unter Süßwasser, Salzwasser und Lagerstättenwasser erfolgen.
Der endgültigen Entscheidung über den Einsatz einer optimierten Quellzementrezeptur gehen jedoch experimentelle Untersuchungen zur Bestimmung weiterer gewünschter Eigenschaften voraus, die in die Evaluierung mit einzubeziehen sind. Die ab- schließende Beurteilung und Bewertung der Probe erfolgt i.a. vorab durch eine visuelle Beurteilung der Integrität der Probe und dann vorzugsweise anhand der Systempermeabilität, die Auf- schluss über die absolute Gasdichtigkeit gibt, sowie weiter vorzugsweise anhand der Druck- und Abscherfestigkeitswerte.
Diese Daten werden bestimmt, wie dem Fachmann bekannt.
Das hier offenbarte Verfahren zur Herstellung eines kontrolliert expandierenden Quellzements führt wie dargelegt zu einer speziell in jedem Einzelfall an die Zementationsaufgabe ange- passten Zementmischung. Nur auf diese Weise können mit hoher Sicherheit optimal gasdichte und hochfeste Zementierungsergebnisse erreicht werden. Das Verfahren eignet sich dementsprechend für anspruchsvolle Zementierungsaufgaben, wie die in er- ster Linie als Verwendungszweck angegebene Ringzementierung von Bohrlöchern.
Das Verfahren liefert im Ergebnis eine Rezeptur für einen speziellen Quellzement und eine Quellzement-Trockenmischung, die bei Bedarf mit dem Anmachwasser zu einem gebrauchsfertigen Quellzement verarbeitet wird.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist die Testvorrichtung eine Zementschlammzirkulationsanlage, in welcher die Probe unter definierter Druck-, Temperatur- und Scherbelastung im Kreis geführt wird. Druck-, Temperatur- und Scherbelastung stellen die für die Auswahl der Zementrezeptur relevanten Bedingungen am Verfüllungsort (einschließlich der Bedingungen beim Verpumpen) dar.
Die Zementschlammzirkulationsanlage ist weiterhin erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gekennzeichnet : - eine heizbare und mit Druck beaufschlagbare Zirkulationsstrecke; - eine mit der Zirkulationsstrecke verbundene, regelbar angetriebene Umwälzpumpe;
- eine Probenentnahmeeinrichtung.
Wie bereits dargelegt, besteht der Kern der Erfindung darin, das "Kalk- und Magnesiatreiben" innerhalb einer für eine bestimmte Zementationsaufgabe speziell ausgelegten Quellzement- Zusammensetzung kontrolliert einzusetzen. Hierfür ist es erforderlich, dass das Matrix-aufweitende Hydroxid- Kristallwachstum im wesentlichen innerhalb der plastisch verformbaren Phase des Quellzement-Hydratation erfolgt.
Die Prinzipien der Erfindung werden im folgenden anhand von Beispielen und Figuren näher illustriert:
In Abb. 1 sind die Gelstärke- bzw. Festigkeitsentwicklung eines CaO-Quellzementes (Gst) , die Hydratationsgeschwindigkeit des eingesetzten CaO-Quellzusatzes (VH) und die Matrixausdehnung des CaO-Quellzementes (?M) in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Die Zeitachse ist in drei Abschnitte S0 (der CaO- Quellzementschlamm befindet sich in flüssigem Zustand) , S1 (der CaO-Quellzement ist bereits raumstabil, aber plastisch verformbar) und S2 (der CaO-Quellzement ist erhärtet) eingeteilt. In den drei dargestellten Fällen a, b und c wird von gleicher Gelstärke- bzw. Festigkeitsentwicklung ausgegangen - in allen drei Fällen handelt es sich um den gleichen, zu zementierenden Bohrlochabschnitt, die Druck-, Temperatur- und Scherbedingungen sind gleich, der eingesetzte Tiefbohrzement ist in allen drei Fällen der gleiche -, als CaO-Quellzusatz sind aber im Hinblick auf die in dem zu zementierenden Abschnitt herrschenden Bedingungen ein zu reaktives (a) , ein angemessen reaktives (c) und ein wenig reaktives (b) Produkt eingesetzt worden. Das zu reaktive Produkt (Fall a) wird bereits im flüssigen Zustand des CaO-QuellzementSchlamms (S0) fast vollständig aufgelöst, so dass am Anfang des Abschnittes S2 (der CaO- Quellzement ist plastisch verformbar) sich eine geringfügige Ausdehnung ?x einstellen kann. Das Quellpotential des CaO- Quellzements verpufft demgemäß aufgrund zu hoher Reaktivität des eingesetzten Calciumoxids .
Das wenig reaktive Produkt (Fall b) löst sich im Anmachwasser sehr langsam auf. Die Auskristallisation des Calciumhydroxids beginnt erst gegen Ende der plastisch verformbaren Phase S1 des CaO-Quellzements { 7^) , setzt sich aber mit unverminderter Intensität im bereits erhärteten Zementstein (S2) fort (?2) , die Folge ist die Zerstörung der Zementmatrix durch Rissbil- düng (Kalktreiben) .
Wenn jedoch die Wahl des CaO-Quellzusatzes hinsichtlich der Reaktivität unter Berücksichtigung relevanter Bohrlochbedingungen Scherung, Druck und Temperatur erfolgt ist (Fall c) , kann das Quellpotential des Produktes nützlich umgesetzt werden.
Der Abb. 1 c ist zu entnehmen, dass bedingt durch die den Bohrlochbedingungen angemessene Hydratationsgeschwindigkeit des CaO-Quellzusatzes die Auskristallisation des Calciumhydroxids weitestgehend (7 in der plastisch verformbaren Phase des CaO-Quellzements (Sx) erfolgt. Die Umsetzung eines geringen Restquellpotentials (?2) in erhärtetem Zementstein (S2) ist erwünscht, wenn sich dabei der Zementstein im elastischen Be- reich deformiert. Die Umsetzung des Restquellpotentials im elastischen Bereich führt zu einer erhöhten Kontaktspannung zu den dem Zementstein angrenzenden Flächen (Bohrlochwandung, Futterrohrfahrt) , so dass die erforderliche Gasdichtigkeit der mit CaO-Quellzement zementierten Strecke erheblich verbessert wird.
Den vorstehenden Ausführungen ist zu entnehmen, dass die For- mulierung einer für eine bestimmte Bohrlochstrecke geeigneten und optimierten Quellzementrezeptur die Durchführung experimenteller Untersuchungen unter weitestgehend genau simulierten Bohrlochbedingungen zwingend voraussetzt. Ansonsten wird der eingesetzte Quellzement entweder zu keiner bzw. keiner ausrei- chenden Quellung führen (vg. Abb. 1 a) oder aber den erhärteten Zementstein sprengen (Abb. 1 b) .
Die notwendigen experimentellen Untersuchungen bedingen zunächst ein praxisgerechtes Anmachen des Quellzementes, wie oben bereits beschrieben. Der Quellzementschlämm muss dann entsprechend den Bohrlochbedingungen und dem geplanten Zementationsverfahren beispielsweise in der erfindungsgemäßen Ze- mentschlammzirkulationsanlage (s. Abb. 2) oder einer Apparatur mit vergleichbaren Möglichkeiten einer Druck-, Temperatur- und Scherbelastung ausgesetzt werden. Der Quellzementschlämm weist danach den Zustand auf, den die gleiche Rezeptur nach der Verpumpung vor Ort aufweisen würde. Der Quellzementschlämm wird anschließend auf das Konsistenz- und Ausdehnungsverhalten hin untersucht. Ein Teil des in der Zementschlammzirkulationsanla- ge belasteten Quellzementschlammes wird in entsprechenden Versuchsformen unter simulierten Druck- und Temperaturbedingungen im Autoklaven gelagert, um nach einer entsprechenden Einlagerungsdauer das Langzeitstabilitätsverhalten des Quellzementes zu beurteilen. Als Lagerungsmedium können Leitungswasser, La- gerstättenwasser oder eine Salzlösung beliebiger Salzkonzentration verwendet werden.
Nach Evakuierung der Quellzementprobe aus dem Autoklaven nach einer Lagerungszeit von mindestens zwei Monaten kann anhand der visuellen Beurteilung der Proben und der gemessenen Werte der Systempermeabilität sowie der Druck- und Abscherfestigkeitswerte entschieden werden, ob die für einen bestimmten Einsatz geprüfte Quellzementrezeptur für den Einsatz in der Praxis freigegeben werden kann.
Im folgenden werden drei Beispiele für Quellzemente unter verschiedenen Anforderungen (Bohrlochbedingungen, Zementationsaufgäbe) vorgestellt, anhand derer die breiten Anwendungsmög- lichkeiten der Erfindung verdeutlicht werden sollen:
- Beispiel 1 -
1 Vorgaben
1.1 Daten der zu zementierenden Strecke
Teufenabschnitt: 120 [m] - 0 [m]
Gebirgstemperatur : 20 [°C]
Druck : 2 [MPa]
1.2 Zementationsaufgabe: Verfüllung einer 7"-Futterrohrfahrt
1.3 Zementationsverfahren: Stingerzementation mit einem
2 7/8 "-Tubingstrang, der nach Zementationsende im Bohrloch verbleibt
1.4 Pumprate: 400 [l/min]
1.5 Gewünschte Schla meigenschaf en: Dichte : 1 . 650 [kg/m3]
Versteifungszeit : > 120 [min]
2 CaO-Quellzementrezeptur:
100 [kg] API-Tiefbohrzement, Class G +15 [kg] Weissfeinkalk 2/2 der Firma Fels-Werke GmbH,
Werk 2, Kalkwerk Kaltes Tal, mit einer Reaktivität nach DIN 1060 von
Figure imgf000021_0001
+12 [kg] Hohlglaskugeln (gewichtsmindernde Mittel) +57,15 [kg] Leitungswasser 3 Eigenschaften des Zementschlammes nach der Scherbelastung in der ITE- Zementschlammzirkulationsanlage bei 20 [ °C] und
2 [MPa]
Zementschlammdichte: 1.670 [kg/m3] Free Water: • 0 [%]
Zeit, die verstrich, bis eine Konsistenz von 30 [Bc] erreicht wurde: 227 [min]
Versteifungszeit: 343 [min]
4 Ausdehnung bei 20 [°C] und 2 [MPa] :
Beginn der Ausdehnung nach: 305 [min]
Ende der Ausdehnung nach: 966 [min]
Dauer der Ausdehnung: 661 [min]
Ausdehnungsbetrag: 4,83 %
5 Eigenschaften des CaO-Quellzementsteines nach einer 66-tägigen Autoklavenlagerung bei 20 [°C] und 2 [MPa] im Leitungswasser:
Sämtliche, evakuierte Proben sind in einwandfreien Zustand Druckfestigkeit: 44,93 [MPa]
Abscherfestigkeit: 5,25 [MPa]
Systempermeabilität: 0.078 [nm2 (μD) ]
- Beispiel 2 -
1 Vorgaben
1.1 Daten der zu zementierenden Strecke
Teufenabschnitt: 1.551 [m] - 1.280 [m]
Gebirgstemperatur: 53 [°C] - 45 [°C]
Druck: 21,53 [MPa]- 16,3 [MPa]
1.2 Zementationsaufgabe: Verfüllung einer 5" -Futterrohrfahrt
(1.551 [m] - 1.334,8 [m] ) und darüber einer 7 "-Futterrohrfahrt (1.324,80 [m] - 1.280 [m]
1.3 Zementationsverfahren: Stingerzementation mit einem
2 7/8"-Tubingstrang, der nach Zementationsende gezogen wird
1.4 Pu prate: 400 [l/min]
1.5 Gewünschte Schlammeigenschaften:
Dichte: 1.900 [kg/m3]
Versteifungszeit: > 120 [min]
2 CaO-Quellzementrezeptur:
100 [kg] API-Tiefbohrzement, Class G
+10 [kg] Weissfeinkalk 6/2 der Firma Fels-Werke GmbH,
Werk 2, Kalkwerk Kaltes Tal, mit einer Reaktivität nach DIN 1060 von
Figure imgf000023_0001
+49,5 [kg] Leitungswasser 3 Eigenschaften des Zementschlammes nach der Scherbelastung in der ITE-Zementschlaimzirkulationsanlage bei 35 [°C] und
10 [MPa]
Zementschlammdichte: 1.875 [kg/m3] Free Water: 0 [%]
Zeit, die verstrich, bis eine Konsistenz von 30 [Bc] erreicht wurde: 100 [min]
Versteifungszeit: 160 [min]
4 Ausdehnung bei 35 [°C] und 30 [Mpa] :
Beginn der Ausdehnung nach: 100 [min]
Ende der Ausdehnung nach: 575 [min]
Dauer der Ausdehnung: 475 [min]
Ausdehnungsbetrag: 7,43 %
5 Eigenschaften des CaO-Quellzementsteines nach einer
22-tägigen (Vorversuch) Autoklavenlagerung bei 53 [°C] und 20 [MPa] im Leitungswasser:
Sämtliche, evakuierte Proben sind in einwandfreien Zustand Druckfestigkeit: 54,35 [MPa]
Abscherfestigkeit: 6,79 [MPa]
Systempermeabilität: 0.059 [nm2 (μD) ]
- Beispiel 3 -
1 Vorgaben
1.1 Daten der zu zementierenden Strecke
Teufenabschnitt: 958 [m] - 510 [m]
Gebirgstemperatur: 32 [°C] - 23 [°C]
Druck: 17,4 [MPa]- 9,26 [MPa]
1.2 Zementationsaufgabe: Zementation des Ringraumes
17 "/l3 3/8" in dem Teufenabschnitt 958 [m] bis 510 [m]
1.3 Zementationsverfahren: Stingerzementation mit einem 5"-Gestängestrang, der nach
Zementationsende gezogen wird
1 .4 Pumprate : 600 [1/min]
1 . 5 Gewünschte Schlammeigenschaften :
Dichte : 1 . 900 [kg/m3]
Versteifungszeit : > 120 [min]
2 CaO-Quellzementrezeptur : 100 [kg] API-Tiefbohrzement, Class G
+13 [kg] Weissfeinkalk 2/2 der Firma Fels-Werke GmbH,
Werk 2, Kalkwerk Kaltes Tal, mit einer Reaktivität nach DIN 1060 von
Figure imgf000025_0001
+50,85 [kg] Leitungswasser 3 Eigenschaften des Zementschlammes nach der Scherbelastung in der ITE-ZementSchlammzirkulationsanlage bei 25 , 5 [°C] und 17,4 [MPa]
Zementschlammdichte : 1.880 [kg/m3] Free Water: 0 [%]
Zeit, die verstrich, bis eine Konsistenz von 30 [Bc] erreicht wurde: 207 [min]
Versteifungszeit: 305 [min]
4 Ausdehnung bei 25,5 [°C] und 17,4 [MPa]:
Beginn der Ausdehnung nach: 177 [min]
Ende der Ausdehnung nach: 885 [min]
Dauer der Ausdehnung: 708 [min]
Ausdehnungsbetrag: 5,15 [%]
5 Eigenschaften des CaO-Quellzementsteines nach einer 66-tägigen Autoklavenlagerung bei 32 [°C] und 17,4 [MPa] im Leitungswasser:
Sämtliche, evakuierte Proben sind in einwandfreien Zustand Druckfestigkeit: 49,05 [MPa]
Abscherfestigkeit: 7,12 [MPa]
Systempermeabilität: 0.269 [nm2 (μD) ]
Abbildung 2 zeigt eine für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Zemen Schlammzirkulationsanlage. In die Zirkulationsstrecke 1 ist eine für die Schlammförderung geeignete Umwälzpumpe 2, hier eine Moineau-Umwälzpumpe, einbe- zogen. Der zu untersuchende Zement wird der Umwälzpumpe aus einem Mischbehälter 3 zugeführt, in welchem die zu untersuchende trockene Quellzement-Grundmischung mit Anmachwasser versetzt, d.h. praxisgerecht angemacht wird. Von hier ausgehend wird der Zementschlamm innerhalb der Zirkulationsstrecke 1 im Kreis geführt. Ein regelbarer Antrieb 4, der über eine Magnetkupplung 5 mit der Moineau-Umwälzpumpe 2 verbunden ist, ermöglicht die Einstellung einer Umpumpgeschwindigkeit und bestimmt die Scherbelastung innerhalb dieser Zirkulationsstrek- ke. Zur weiteren Simulation der jeweiligen Bohrlochbedingungen kann die Zirkulationsstrecke mit einem einstellbaren Druck beaufschlagt werden. Zu diesem Zweck ist an die Strecke über einen Druckübersetzer 6 eine Druckaufbaupumpe 7 (mit Sicherheitsventil 8) angeschlossen. Die Temperierung des umgepumpten Zementschlamms erfolgt mit Hilfe der Heizung 14.
An der Probeentnahmestelle 15 können Proben des umgepumpten Schlammes für Untersuchungen entnommen werden. Probeentnahme- Vorrichtung 9 und Probeentnahmestelle 15 sind über ein Verbindungsventil 16 mit der Zirkulationsstrecke 1 verbunden. Vor allem bei Befüllen der Zirkulationsstrecke kann diese mit Hilfe eines Entlüfungsventils 13 entlüftet werden. Am Ende des Versuchs wird der Zementschlamm über das Auslaßventil 11 abgelassen.
Die in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte Zirkulationsanlage ermöglicht eine praxisgerechte Scher-, Druck- und Temperaturbelastung des praxisgerecht angemachten Quellzements, d.h. in ihr werden die experimentellen Untersuchungen zur dynamischen Belastung der Quellzementproben durchgeführt. Der vorbelastete Quellzementschlämm wird anschließend hinsichtlich Ausdehnungsund Konsistenzverhaltens (beispielsweise in HPHT- Messeinrichtungen) untersucht. Ferner werden Versuchsformen mit dem vorbelasteten Quellzementschlämm gefüllt, die für mindestens 40 Tage, besser mindestens zwei Monate unter pT- Bedingungen in einem Autoklaven gelagert werden. Nach Evakuierung aus dem Autoklaven werden diese Proben hinsichtlich Systempermeabilität, Druck- und Abscherfestigkeit gemessen.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines kontrolliert expandierenden Quellzements, welcher einen Zement, einen oxidischen, hydrati- sierbaren Quellzusatz und Anmachwasser enthält und bei welchem die Qualität des Quellzusatzes hinsichtlich seiner reaktivitätsbestimmenden Eigenschaften und/oder die Zusammensetzung des Quellzements ausgewählt wird, indem ausgehend von einer gewünschten Zusammensetzung un- ter Berücksichtigung relevanter Bedingungen am Verfüllungsort das Quell- und Konsistenzverhalten dieses Quellzements experimentell ermittelt wird und die Qualität des Quellzusatzes und/oder die Zusammensetzung des Quellzements auf das gewünschte Quell- und Konsistenzverhalten eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als relevante Bedingungen am Verfüllungsort die Parameter Druck, Temperatur, Scherung berücksichtigt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität des Quellzusatzes durch eine Kennzahl charakterisiert wird, die als Maß für die Hydratationsgeschwindigkeit des Quellzusatzes unter Standardbedingungen herangezogen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Quellzusatz CaO oder MgO ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der CaO- oder MgO-Gehalt in dem Quellzement 5 % bis 20 % BWOC (by weight of cement) beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Quellzement zusätzlich Additive, insbeson- dere Beschwerungsmittel, gewichtsmindernde Mittel, Verzögerer,
Beschleuniger, Filtratsenker umfasst.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Quell- und Konsistenzverhalten des Quellzements auf folgende Weise experimentell ermittelt wird:
- eine praxisgerecht angemachte Probe eines Quellzements mit einer solchen Zusammensetzung und einer Qualität des Quellzusatzes, von denen vermutet wird, dass sie zur Erzielung des gewünschten Quell- und KonsistenzVerhaltens geeignet sind, wird in einer Testvorrichtung einer Druck-, Temperatur- und Scherbelastung ausgesetzt, die den Bedingungen bei Verpumpen an den Verfüllungsort entsprechen, die Probe wird auf ihre Eigenschaften, insbesondere ihr Quell- und Konsistenzverhalten untersucht und bewertet,
- die Probe wird unter den statischen Druck- und Temperaturbedingungen des Verfüllungsortes eine Zeitspanne gelagert,
- die Probe wird abschließend bewertet,
- die Qualität des Quellzusatzes und/oder die Zusammensetzung des Quellzements wird gegebenenfalls variiert und das expe- rimentelle Verfahren wiederholt, bis die Bewertung den Erwartungen entspricht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ei- ne Vorauswahl einer Quellzementrezeptur anhand der Volumenänderung während des Aushärtens der Probe erfolgt .
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die abschließende Beurteilung und Bewertung anhand der Systempermeabilität sowie vorzugsweise zusätzlich der Druck- und Abscherfestigkeitswerte erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerzeit wenigstens 40 Tage, vorzugsweise 60 Tage beträgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung unter Süßwasser, Salzwasser oder Lagerstättenwasser als Lagermedium erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Testvorrichtung eine Zementschlammzir- kulationsanläge ist, in welcher die Probe unter definierter Druck-, Temperatur und Scherbelastung im Kreis geführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge- kennzeichnet, dass eine Quellzement-Trockenmischung hergestellt wird, die bei Bedarf mit dem Anmachwasser zu einem gebrauchsfertigen Quellzement verarbeitet wird.
14. Zementschlammzirkulationsanlage zur experimentellen Be- Stimmung der QuellzementZusammensetzung und/oder der Qualität des Quellzusatzes unter Berücksichtigung relevanter Bedingungen am Verfüllungsort in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: eine heizbare und mit Druck beaufschlagbare Zirkulations- strecke; eine mit der Zirkulationsstrecke verbundene, regelbar angetriebene Umwälzpumpe; eine Probeentnahmeeinrichtung.
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