NO145233B - Fremgangsmaate til fremstilling av lettvekts-sementoppslemminger - Google Patents

Description

" • ' ' ' Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte til fremstilling av léttvekts-sementoppslemminger som inneholder natriummetasilikat og Portlandsement og som kan stivne og danne en lettvektig sementholdig sammensetning. -Ved sementering av fdririgsrør i en brønn eller et borehull'er det vanlig praksis å anvende to forskjellige sementeringsblandinger for'å fylle eller delvis fylle det ringformede rom mellom fbringsrøret og brønrihullet. "Tail-in"-blandirigén anbringes i de nedre 30,5 - 305 m av det ringformede rom og "lead"- eller fyllstoff-blandingen anbringes i det ringformede rom over "tail-in"-blaridingen, og rager oppover så langt'det er'<:> ønskelig å fylle og tette det ringformede rom.

'• • Formålet" med '" tail-in"-blaridingen er å oppnå en god, sterk tetning rundt foringsrørets bunn og ragende opp over prdduksjorissohénDersom borehullet skal bores dypere, tjener den' sterke " ta i'1-i'n"-blandingen til å sikre f or ingsrørets bunn mot deri kraftige"Kammervirkningeri fra borerøret når brønnen bores dypere. ' Dersom "brønnen ér boret til dens 'tilsiktede dybde, gir dén 'sterke' "tail-in"-blanding én 'sterk Vemeht-omhylling' som vii motstå støt og slag og de høye trykk' som anvendes f or "stimulering :åv "dén produktive formasjon slik som ved frakturering eller syrébehVndling ' ''• "'"'*

'• Formåléné med "lead"- eller fyl1stbff-sementeririgs-blaridingen 'er å' understøtte fbringsrøret, hindre uthuling av borehullet,' begrense fluidene'til fbrmasjbnen hvori dé forekom-' mer, og hindre'migrering "av 'fluider. For disse formål trenges ikke en sement av høy^styrke. Trykkfasthet på "35 kg/cm anses som tilstrekkelig' for'en fyllstoff-oppslemming.

Hittil har mari benyttet en blanding av' Portlandsement' og 1 3 % vannfritt natriummetasilikat, béregnet på sementens vekt, som en økonomisk og meget tilfredsstillende fyllstoffblanding ved sementering av borehull. I tillegg til å være økonomisk har denne blanding flere andre fordeler. Oppslemmingene kan blandes til en tetthet så lav som 1,31 g/cm<3 >og likevel gi en akseptabel styrke i herdet tilstand. Styrken til de herdede oppslemminger er høyere enn styrken til de fleste andre sementblandinger som er blandet til samme tetthet. Slike oppslemminger gir et variabelt vannforhold, og mengden av tilblandingsvann er ikke kritisk. En blanding av Portlandsement med 2 % vannfritt natriummetasilikatadditiv, kan f.eks. blandes ved tettheter på fra 1,42 til mer enn 1,55 g/cm 3 ved ganske enkelt å variere mengden av tilblandingsvann.

En av de største fordelene med sement-natriummetasilikat-blandingene er ved deres anvendelse ved sementering på offshore-plattformer. Det synes alltid å være en mangel på lagringsrom for tørr sement på offshore-plattformer. For best å utnytte det tilgjengelige lagringsrom, er det nødvendig å lagre tørre sementblandinger som har det høyeste "utbytte". Utbyttet for en sementblanding er det antall dm 3 oppslemming oppnådd pr. 1,5 kg av den tørre sement i tørrsementblandingen. Siden de kjente blandinger har et høyere utbytte enn andre blandinger anvendes de i stor grad på offshore-plattformer.

Tidligere har sementeringsblandinger vanligvis blitt fremstilt fra en tørrblanding av sementen og de additiver som trenges for den spesielle blanding som skal anvendes. Denne metode har den fordel at man bare trenger tilsetning av vann til å lage sementoppslemmingen idet den pumpes inn i borehullet. Det er imidlertid også ulemper forbundet ved bruk av tørrblan-dede blandinger. Hvis additivet tørrblandes kan den resulterende blanding bare anvendes for det spesielle sementeringsfor-mål for hvilket den opprinnelig var beregnet. En sementeringsblanding beregnet for sementering av foringsrør i et borehull ved 3050 m kan f.eks. inneholde 0,5 % lignosulfonat-retarderingsmiddel for å gi oppslemmingen den ønskede fortykningstid for det spesielle arbeid som skal utføres. Hvis det senere finnes at det ble benyttet en unøyaktig bunnhullstemperatur som basis for mengden av retarderingsmiddel, så kan man avgjøre at 0,8 % retarderingsmiddel faktisk er nødvendig. I dette eksempel ville man fremstille en ny tørrblanding av sement inneholdende 0,8 % retarderingsmiddel. Den opprinnelige tørrblanding ville da gå tapt. Av denne grunn har man funnet det ønskelig å

tilføre mange av de additiver som anvendes ved sementering av borehull som additiver som kan tilsettes til blandingsvannet snarere enn å bli tørrblandet med sementen. Additiver for tilsetning til blandingsvannet er fortrinnsvis væskeformige frem-for tørre materialer. Væskeformige additiver oppløses hurtigere i blandingsvannet. Hvis en sementeringsblanding skal. blandes kontinuerlig ettersom den pumpes inn i borehullet, kan det videre være nødvendig å proporsjonere additivet kontinuerlig i blandingsvannet. Det er også meget lettere og mer nøyaktig å proporsjonere et flytende additiv enn et tørt.

De oppslemminger som det tidligere er vist til har hatt en spesiell ulempe, nemlig at det vannfrie natriummetasilikat må tørrblandes med sementen. Hvis additivet tilsettes til blandingsvannet, vil man ikke oppnå de ønskede resultater av en ensartet, ikke-sedimenterende oppslemming.

Foreliggende oppfinnelse muliggjør oppnåelse av de ønskede effekter hos vannfritt natriummetasilikat selv om det tilsettes til sement-tilblandingsvannet. Formålet med oppfinnelsen oppnås under anvendelse av en aktivator i forbindelse med metasilikatet.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt

en fremgangsmåte tii fremstilling av lettvektssementoppslemming som inneholder natriummetasilikat og Portlandsement og som kan stivne og danne en lettvektig sementholdig sammensetning, og denne fremgangsmåte er kjennetegnet ved at man danner en oppløsning av natriummetasilikat og en aktivator bestående av en vannoppløse-lig kalsiumforbindelse i tilblandingsvann, hvoretter Portlandsement og nevnte oppløsning blandes for tilveiebringelse av en sementoppslemming, idet mengdene av nevnte oppløsning og Portlandsement velges slik at det oppnås en oppslemming som

har en tetthet på o 1,31-1,67 g/cm 3 oppslemming, og hvor mengden av natriummetasilikat er fra 1 til 3 vekt-% av vekten av Portlandsementen, og hvor mengden av aktivatoren er fra 1 til 3 vekt-% av vekten av Portlandsementen.

Aktivatoren kan være kalsiumklorid, kalsiumformiat, kalsiumoksyd eller en hvilken som helst vannoppløselig kalsiumforbindelse og blanding derav eller en vannoppløsning av en hvilken som helst av disse forbindelser. Natriummetasilikatet kan anvendes i form av det tørre vannfrie materiale eller som en vannoppløsning. Natriummetasilikatet og aktivatoren kan begge tilsettes til blandingsvannet som tørre stoffer, både som oppløsninger eller som en kombinasjon av et tørt stoff og et i oppløsning.

Under anvendelse av sement av typen API klasse H og 105 vekt-% blandingsvann, ble det fremstilt oppslemminger under anvendelse av en Waring-blandeanordning. Vannet ble anbragt i blandebeholderen. Aktivatoren (dersom benyttet) ble tilsatt til blandingsvannet og blandet ved lav hastighet i 1 minutt. Vannfritt natriummetasilikat ble deretter tilsatt til vannet og blandet ved lav hastighet i 1 minutt. Den tørre sement ble deretter tilsatt, i løpet av 15 sek. eller mindre, til vannet og omrøring ble fortsatt ved lav hastighet. Da all sementen var tilsatt, ble omrøringen øket til høy hastighet i 35 sek. Blandingen ble deretter anbragt i et atmosfæretrykk-konsistometer og omrørt i 20 min. Blandingen ble deretter omrørt på nytt i 3 5 sek. ved høy hastighet i Waring-blandeanordningen og 250 ml ble helt i en 250 ml målesylinder. Målesylinderen ble lukket med et plastark og hensatt i 2 timer. Etter 2 timer ble den oppsam-lede mengde fritt vann ved toppen av sementoppslemmingen i målesylinderen målt. Mengden av fritt vann ble uttrykt som "volum-%" av 250 ml oppslemming. Denne metode tilsvarer API-fritt-vanninnholdmetoden slik som beskrevet på side 6 i API RP 10B, januar 1974. Resultatene fra disse forsøk er angitt i nedenstående tabell I. I tabellen og i de rapporterte resultater ble følgende forkortelser benyttet:

I foreliggende sammenheng inneholder en sekk sement 42,3 kg sement.

Forsøk nr. 1 viser den ønskede konsistens og fritt vann-egenskaper oppnådd ved tørrblanding av 2 % ASM med sement og deretter blanding av den tørre blanding med vann.

Forsøk 2 viser at dersom ASM først tilsettes til blandingsvannet og deretter tilsetning av sementen, får den resulterende oppslemming uønsket lav konsistens og et meget høyt innhold av fritt vann.

Forsøk 3, 4 og 5 viser at dersom noen av de tre angitte aktivatorer tilsettes til blandingsvannet og ASM-materialet tilsettes, så vil den resulterende oppslemming ha ønskede egenskaper når det gjelder konsistens og fritt vann.

For de neste forsøk benyttet man en metode i likhet med den i forbindelse med forsøkene i tabell I med den unnta-gelse at oppløsninger av natriummetasilikatet og aktivatorene ble benyttet i stedet for de tørre materialer. Resultatene fra disse forsøk er angitt i nedenstående tabell II.

Forsøk nr. 6 viser at dersom bare natriummetasili-katoppløsningen tilsettes uten aktivator, er den resulterende oppslemming uønsket tynn og har et meget høyt innhold av fritt vann.

Forsøk nr. 7, 8 og 9 viser at dersom en aktivator, i form av en oppløsning, tilsettes til blandingsvannet sammen med oppløsningen av natriummetasilikat, har den resulterende oppslemming ønsket konsistens og egenskaper med hensyn til fritt vann.

Ved bestemmelse om en gitt sementblanding er tilfredsstillende for bruk ved sementering av borehull, er to av de egenskaper som bør vurderes fortykningstid og trykkstyrke. Fortykningstid er den tid som skal til for en sementoppslemming av gitt sammensetning til å nå en konsistens på 100 konsistensenheter (Uc), bestemt ifølge API RP 10B. Trykkstyrke er graden av et materiales motstandsevne mot en knusende eller sammenpressende kraft som virker langs en av aksene. Fortykningstid og trykkstyrke ble bestemt på oppslemminger inneholdende 3 5 % SMS og en av aktivatorene, 40 % CC. Mengden av disse to oppløsninger ble variert sammen med en variasjon i mengden av benyttet tilblandingsvann. Tabell III gir resultater fra forsøk med fortykningstid og tabell IV gir resultater fra forsøk med trykkstyrke. I begge disse tabeller er resultatene sammenlignet med resultater oppnådd med blandinger fremstilt ved tørrblanding av ASM med sementen. Når 35 % SMS og 40 % CC ble benyttet, ble disse oppløsninger tilsatt til tilblandingsvannet før tilset-ningen av sementen.

Tabell III

Klasse H-sement, tilblandingsvann som vist, konsentrasjon av ASM er gitt i vekt-% av sement. Konsentrasjon av 35 % SMS og 40 % CC er gitt i liter pr. 100 sekker sement. Fortykningstid er gitt i timer: minutter for oppnåelse av 100 konsistensenheter.

Tabell IV

Klasse H-sement, tilblandingsvann som vist, konsentrasjon av ASM er gitt i vekt-% av sement, konsentrasjon av 35 % SMS og av 40 % CC er gitt i liter pr. 100 sekker sement. Trykkstyrke

o

er gitt i kg/cm .

Tabellene III og IV viser at bruk av natriummetasilikat og kalsiumklorid som oppløsninger tilsatt til tilblandingsvannet for en sementoppslemming, gir resultater hva angår fortykningstid og trykkstyrke i likhet med de som oppnås ved tørrblanding av ASM.

Den foretrukne oppløsningsstyrke for vannfritt natriummetasilikat er 35 %. Denne konsentrasjon er nær den maksimale mengde som kan oppløses og holdes som en oppløsning. Den foretrukne væskeformige aktivator er 40 % kalsiumkloridopp-løsning. Oppløsninger med lavere konsentrasjoner kan imidlertid anvendes.

Portlandsementer, i tillegg til API klasse H-sement som omtalt ovenfor, kan anvendes ved utførelse av oppfinnelsen, og eksempler er materialer betegnet klasse A, B, C og G ifølge klassifikasjonen til American Petroleum Institute.

Andre additiver kan inkorporeres i sementoppslem-mingene ifølge oppfinnelsen, og det skal f.eks. nevnes retarde-rings- eller aksellereringsmidler, fortykningsmidler, materialer for tapt sirkulasjon, og stoffer som reduserer oppslemmings-tetthet slik som bentonitt og pozzolan.

Ved sementering av borehull under anvendelse av lett-vektssementoppslemminger som beskrevet, innføres oppslemmingen i det ringformede rom mellom et borehullsrør og borehullet, eller mellom et borehullsrør og et omgivende rør eller foringsrør, og herdes i det ringformede rom for derved å binde røret til brønnens borehull. Oppslemmingen kan innføres i det ringformede rom -på enhver ønsket måte slik som pumping av oppslemmingen ned gjennom røret, slik at oppslemmingen strømmer oppover inn i det ringformede rom, eller ved å presse den inn i det ringformede rom gjennom perforeringer i røret. Disse oppslemminger anvendes fortrinnsvis som "lead" eller fyllstoff-blandinger, men de kan utgjøre, hélé sementvolumet som anvendes i rør-sementerings-operasjonen.

Oppslemmingene ifølge foreliggende oppfinnelse kan anvendes til å støpe konstruksjonselementer slik som plater og søyler hvorved de kan inneholde lettvektsfyllstoffer slik som fibre for ekstra styrke. . Væskeformige natriumsilikater kan tilsettes til tilblandingsvannet i stedet for natriummetasilikat.

Sjøvann kan anvendes som tilblandingsvann ved utførelse av foreliggende oppfinnelse. Når man anvender sjø-vann, kan den vannoppløselige kalsiumforbindelse sløyfes og natriumsilikatet kan oppløses i sjøvannet før innblandingen av Portlandsementen.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av lettvektssementoppslemming som inneholder natriummetasilikat og Portlandsement og som kan stivne og danne en lettvektig sementholdig sammensetning, karakterisert ved at man danner en oppløsning av natriummetasilikat og en aktivator bestående av en vannoppløselig kalsiumforbindelse i tilblandingsvann, hvoretter Portlandsement og nevnte oppløsning blandes for tilveiebringelse av en sementoppslemming, idet mengdene av nevnte opp-løsning og Portlandsement velges slik at det oppnås en oppslemming som har en tetthet på 1,31-1,67 g/cm^ oppslemming, og hvor mengden av natriummetasilikat er fra 1 til 3 vekt-% av vekten av Portlandsementen, og hvor mengden av aktivatoren er fra 1 til 3 vekt-% av vekten av Portlandsementen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at aktivatoren ve]ges fra gruppen bestående av kalsiurn-klorid, kalsiumformiat, kalsiumoksyd og blandinger derav.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at oppslemmingen gis en tetthet på 1,43-1,55 g/cm<3 >oppslemming.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at natriummetasilikatet oppløses i tilblandingsvannet i form av en vandig oppløsning av natriummetasilikat.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1-4, karakterisert ved at aktivatoren oppløses i tilblandingsvannet i form av en vandig oppløsning av aktivatoren.