NO303982B1 - Fremgangsmåte for å sementere et hulrom i et borehull - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å sementere et hulrom i et borehull som penetrerer en j ordformasj on.

Der er et incitament til å danne sementblandinger fra bore-fluid fordi dette, i det minste delvis, løser problemene i forbindelse med fjerning av borefluid, og reduserer både tiden som anvendes for fremstilling av sementslurry og behovet for å opprettholde separasjonen mellom boreslam og sementholdig slurry.

US patenter 3.168.139, 3.499.491, 3.557.876, 3.887.009 og4.176.722 omhandler brønn-sementblandinger som i det minste delvis er dannet ved hjelp av brønnborefluider.

En rekke tidligere forsøk som er gjennomført for å omdanne borefluid til sementmaterial har avdekket problemer med økende viskositet og flokkulering og sakte herding av sementen. EP-A-032 02 88 beskriver mere detaljert de problemer som man hyppigst møter.

For passende å kunne anvendes som en sementblanding for

sementering av olje- og gassbrønner, har blandingen ønskelig en densitet tilsvarende den for borefluidet, en passende lav viskositet og den er særlig i alt vesentlig uten flokkulering som har en tendens til å gi en uakseptabel viskositetsøkning, blandingen herder innen et rimelig tidsintervall, men ikke for tidlig, den er ikke uaksepterbar følsom overfor tempe-raturforandringer, den geldanner ikke og den har tilfredsstillende egenskaper etter herding, særlig trykkfasthet.

Kontroll av flokkulering og geldannelse kan oppnås, i det minste delvis, ved at et dispergeringsmiddel inkluderes i blandingen, men passende dispergeringsmidler har også en tendens til å ha en uønsket retarderende effekt på størk-ning/herding av sementen. Dessuten kan komponenter i selve borefluidet ha en retarderende effekt. Anvendelse av akseleratorer har derfor vært overveiet og det er foreslått en rekke forbindelser for dette formål, men det har vist seg vanskelig å finne en akselerator som er forenelig med de andre komponentene i sementblandingen slik at den ikke i uønsket grad skadelig påvirker de andre ønskede egenskaper for blandingen, som dem som er spesifisert i det foregående.

Det er nå funnet at sementblandinger med aksepterbare egenskaper som pumpbarhet og størkning/herding kan oppnås ved at akseleratoren velges fra eddiksyre, og visse derivater derav og visse etanolaminer.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er der tilveiebragt en fremgangsmåte for å sementere et hulrom i et borehull som penetrerer en jordformasjon og hvor det nevnte hulrom i det nevnte borehull er okkupert av et borefluid, og hvor fremgangsmåten omfatter trinnene med: tilsetning av et sementmaterial og et dispergeringsmiddel til en mengde av det nevnte borefluid for å danne en sementblanding, og sirkulere den nevnte sementblanding inn i det nevnte borehull, som er kjennetegnet ved at sementblandingen er dannet fra en vesentlig andel av borefluidet fra brønnen som er blitt boret, vann, en mindre andel tørt sementmaterial, en liten mengde av et dispergeringsmiddel for å inhibere flokkulering og geldannelse, og en forenelig akselerator valgt fra eddiksyre, eddiksyreestere hvor estergruppen har opp til fire karbonatomer, og acetamid, idet sirkulasjonen av den nevnte sementblanding gjennom det nevnte borehull fortsettes inntil en total deplasement av sementblanding gjennom nevnte borehull utgjør fra minst 100 % til 1000 % av volumet av det nevnte hulrom i det nevnte borehull.

Dispergeringsmiddelet er foretrukket valgt fra sulfonert styren-maleinsyreanhydrid-kopolymerer, sulfonert styren-imid-kopolymerer, sulfonert styren-itakonsyre-kopolymerer, sulfonert styrenakrylamid-kopolymerer, kopolymerer av sulfonert styren med en eller flere forbindelser valgt fra (poly)akrylater og andre forbindelser som delvis hydrolysert akrylamid, analoger av disse sulfonerte kopolymerer hvor sulfonatgruppene erstattes med fosfonatgrupper, og derivater av kopolymerene som ytterligere omfatter monomerer valgt fra maleinsyreanhydrid, maleimid og dimetylmaleat.Dispergeringsmiddelet kan tilsettes i en mengde fra 1,43 kg/m<3>til 28,5 kg/m<3>av det opprinnelige borefluid og sement-materialet kan tilsettes til fluidet i en mengde fra 285kg/m<3>til 1711 kg/m<3>av det opprinnelige borefluid.

Mere foretrukket tilsettes minst to sementmaterialer til nevnte fluid for å kontrollere hydratiseringstakten av nevnte sementblanding, idet de nevnte sementmaterialer er valgt fra Port1and-sement, kalsiumsulfat og kalsiumaluminat. Fremgangsmåten i følge oppfinnelsen kan også omfatte et ytterligere trinn med deplassering av borefluid fra nevnte hulrom med en forspylingsblanding omfattende vann og en sulfonert styrenkopolymer for å danne et reologisk forenelig material egnet for deplassering av det nevnte borefluid før det nevnte borehull-hulrom fylles med nevnte sementblanding.

Sementblandingen anvendt ved fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en forbedret slurry som bevirker nærmest ensartet og fullstendig erstatning av borefluidet og som bidrar til å danne god binding mellom sementen og elementene i borehullet når blandingen er størknet/herdet.

Omdannelsen av brønnborefluider til sementslurrier for formål som sementering av foring i borehullet, i ringrommet, og av den penetrerte underjordiske formasjon og andre sementerings-operasjoner er av flere grunner ønskelige. En stor del av borefluidet er ikke underlagt problemer og reguleringer i forbindelse med renovasjon og omdannelsen av borefluidet til sementholdig slurry minimaliserer både behandlingen av borefluidet i sementslurrien og tid og omkostninger i forbindelse med fremstilling av sementslurry. Separasjon mellom bore-fluid og den omdannede sementholdige slurry ma heller ikke være så fullstendig som med de nåværende sementslurrier.

Omdannelsen av bore "slam" til en sementslurry gjennomføres heller ikke uten enkelte operasjonsmessige problemer og uønskede forandringer i sammensetningen. Tilsetningen av sementholdig material som portland-sementer, kalk, silisiumoksyd, aluminiumoksyd, kalk og magnesiumoksyd, silisiumoksyd, aluminiumoksyd og jernoksyd, eller kalsiumsulfat og lignende kan i vesentlig grad øke viskositeten av den fluide blanding og resultere i alvorlig flokkulering. Forsøk på sirkulering av slike blandinger gjennom et borehull kan resultere i sværtutilfredsstillende sirkulasjonshastigheter, gjenplugging av borehullet og nedbrytning av jordformasjonen i nærheten av borehullet, og sementslurrien vil ikke blandes og bindes korrekt. Visse dispergeringsmidler er utviklet for anvendelse i borefluider under boreoperasjoner inkluderende lignitt og lignosulfonater, som er retarderende midler.

Et dispergeringsmiddel som er anvendt kommersielt i borefluider som skal omdannes er en styrensulfonsyre-maleinsyreanhydrid-kopolymer med lav molekylvekt og det vannoppløselige salt derav. Disse er noen ganger kjent som "SSMA". US patent 3.730.900 etter Perricone et al beskriver en rekke borefluider som er behandlet med et slikt dispergeringsmiddel for å stabilisere egenskapene vedrørende reologi og tap av flytevne, særlig ved høye temperaturer i borehullet i nærvær av fluidkontaminerende substanser. Andre patenter omhandler også dispergeringsmidler for borefluider og romblandinger. Til tross for teknikkens stand som fremgår fra de ovennevnte referanser, tilbakestår problemet med en effektiv omdannelse av et borefluid til en passende sementblanding og fortrenging av borefluidet i borehullet, inkluderende et ringformet rom mellom foringen og borehullsveggen, på en måte som tilveiebringer at arealet som skal sementeres fylles, på en effektiv måte, med en blanding som vil gi en effektiv binding.

Skjønt tilsetningen av bestemte mengder av visse dispergeringsmidler dessuten reduserer tendensen til flokkulering eller geldannelse, har de inntil nå anvendte dispergeringsmidler vært retarderende midler som retarderer størknings-tiden/herdetiden av sementblandingen.

I det ovennevnte EP-A-0320288 er det vist diagrammer av et borehull og et fluidsirkulasjonssystem så vel som et diagram for et sementblandings- og sirkulasjonssystem for batch-blanding eller kontinuerlig blanding av sementholdig material inn i et borefluid for å omdanne det til en sementholdig slurry. Denne type utstyr og borehull er så velkjent at det ikke synes nødvendig å vedlegge tegninger i forbindelse med den foreliggende patentsøknad. Det skal simpelthen bemerkes at en foring normalt strekkes inn i en del av formasjonen fra et brønnhode med en annen foring som strekker seg ytterligere inn i formasjonen når et borehull gjøres dypere til å danne et ringrom som kan inkludere utvaskinger eller hulrom bak foringen. Foringen er tilpasset til å være forbundet med en pumpe på overflaten for sirkulasjon av borefluidet gjennom det indre av foringen, og opp til ringrommet til et returrør. Borefluidet føres gjennom returrøret til en lagringstank eller fordypning og resirkuleres til pumpen under den normale boreoperasjon. Vanlig anvendt borefluid-utstyr inkluderer vibrasjonssikter, samt separatorer og relatert utstyr som for enkelhets skyld generelt ikke er vist.

Omdannelse av et borefluid til sementblandingen anvendt ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen involverer at et tørrblandet sementholdig material innføres i borefluidet, alene eller sammen med ytterligere vann, inntil oppnåelse av ønsket densitet. Vannet kan tilsettes til borefluidet før eller etter tilsetningen av det sementholdige material, eller til det sementholdige material før dette tilsettes til fluidet. Dispergeringsmiddel og akselerator tilsettes også. Spesielt kan fra 0 og opp til 100 % eller mere vann tilsettes til det anvendte volum av borefluid. Det vannbaserte bore-fluid kan ha en densitet som normalt er i området fra 1-2 kg/l (9-18 ppg) når det sirkuleres ved boring av brønnen. Det er ønskelig at densiteten av den oppnådde sementblanding er minst så stor som den for fluidet som den skal deplassere. Etter fortynning med fra 0 til 50 % vann, f.eks. omtrent 10 % av borefluidvolumet, kan dispergeringsmidlet tilsettes. Dispergeringsmidlet bør tilsettes før eller sammen med det sementholdige material. Konsentrasjonen av dispergeringsmidlet er foretrukket i området fra 0,23-4,5 kg (0,5-10 pounds) per opprinnelige "barrel" av borefluid basert på en1591 (42 gallon) "barrel", (heretter betegnet "ppb"), mere foretrukket mindre enn omtrent 14,25 kg/m<3>(5 ppb). Ved tilsetning av dispergeringsmidlet ved tidspunktet for omdannelse av bore-fluid til sementslurry er det oppnådd overraskende forbedring i forbindelse med blanding av dette sementmaterial inn i borefluidet.

Det har vist seg at kopolymeren av sulfonert styren med maleinsyreanhydrid, som en styrensulfonsyremaleinsyrean-hydrid-kopolymer med lav molekylvekt som er kommersielt tilgjengelig under varebetegnelsen NARLEX D-72 fra NationalStarch og Chemical Corporation, Bridgewater, New Jersey, er et utmerket dispergeringsmiddel. Dispergeringsmidlet kan forblandes med det tørre sementholdige material og andre til-setningsmidler, om ønsket, og lagres, eller det kan tilsettes til borefluidet under tilsetningen av vannet som anvendes for fortynning. Dispergeringsmidlet kan dessuten også omfatte utvalgte mengder sulfonert styren-akrylamid-kopolymer, sulfonert styren-itakonsyre-kopolymer, sulfonert styren-imid-kopolymer eller en kopolymer av sulfonert styren med en eller flere forbindelser valgt fra (poly)akrylater og andre forbindelser som delvis hydrolysert akrylamid. Også analoger hvor sulfonatgruppene er erstattet med fosfonatgrupper kan anvendes. Gruppene kan være tilstede som kaliumsalter såvel som vanlige natriumsalter. Videre kan monomerer som maleinsyreanhydrid, maleimid og dimetylmaleat inkluderes i de utvalgte kopolymerer som nevnt i det foregående.

Akseleratoren tilsettes foretrukket i en mengde fra2,85-28,5 kg/m<3>(1-10 ppb), mere foretrukket fra

8,55-14,2 5 kg/m<3>(3-5 ppb) for å oppnå ønsket størkning/herding av sementen i det ønskede tidsrom. I stedet for å måtte vente i 30 til 40 timer for at sement-slurrien skal størkne/herde, kan den særlig størkne/herde

innen 24 timer eller mindre ved anvendelse av akseleratoren.Akseleratoren velges fra eddiksyre, metylacetat, etylacetat, propylacetatene, både normal propyl and isopropyl, og butyl-acetatene inkluderende normal butyl, isobutyl og tertiær butylacetater. Disse små acetater hydrolyserer i nærvær av

vann ved relativt høy pH i området fra 8-12 til å gi tilfredsstillende akselerasjon av størkningen/herdingen.

Det er teoretisert at når en acetatester anvendes, dannes eddiksyre ved hydrolyse og reagerer deretter i mindre skala med omgivende bestanddeler for å akselerere størkningen-/herdingen av sementen. Uavhengig av om teorien er korrekt eller ikke, er det et faktum at disse estere og acetamid kan bevirke akselerasjon av størkningen/herdingen av sementen, noe som også monoetanolamin og dietanolamin kan.

Samtidig med eller etter tilsetning av vannet for fortynning med eller uten dispergeringsmidlet og/eller akseleratoren til borefluidet, tilsettes en sement som portland-sement, foretrukket i området fra 285 til 1711 kg/m<3>(100 ppb - 600 ppb). For å styre hydratiseringstakten kan f.eks. kalsiumsulfat anvendes i området fra 28,5 - 285 kg/m<3>(10 ppb - 100 ppb) av borefluidet om ønsket. Blandinger for å kontrollere fluidtap som uorganiske salter, kalsiumaluminat, lignosulfonater med eller uten organiske syrer og polymerer som HEC, CMHEC, AMPS og akrylsyrer kan blandes på forhånd med de andre materialer eller med den oppnådde sementslurry.

Den ovennevnte blanding kan modifiseres ytterligere ved tilsetning av silika, som silikapulver, i en mengde opp til 100 vekt% av portlandsementfraksjonen av sementslurrien for å øke stabiliteten av denne ved høy temperatur. Andre sement - erings-medier som magnesiumsalt, kalsiumaluminat og det ovennevnte kalsiumsulfat kan tilsettes for å kontrollere slurriens tykningstid, for å forandre utviklingstakten og total trykkfasthet, så vel som for oppnåelse av andre ønskede egenskaper.

Portlandsementen kan være hvilken som helst av de vanlige typer materialer for sementering som beskrevet i US-A-4953620. Et material av den type som er beskrevet i US patent 3.499.491 er kommersielt tilgjengelig under beteg-nelsen "C-Mix" og kan om ønsket anvendes i forbindelse med omdannelse av borefluider til sementslurrier, men i forbindelse med den foreliggende oppfinnelse kan den vanlige unormale høye gel-dannelse av borefluidet kontrolleres ved hjelp av dispergeringsmidlet og størkningen/herdingen av sementen kan akselereres ved anvendelse av akseleratoren.

For å gå nærmere inn på den foreliggende oppfinnelse ble det avgjort at sementens sammensetning skulle testes med tilsetningen av dispergeringsmidlet og akseleratoren i et vannbasert lignosulfonat-borefluid med en densitet på omtrent1,5kg/l (12,3 ppg). Ved anvendelse av en blanding som beskrevet i eksempelet i US-A-4953620, men ved å erstatte formamidet med en av akseleratorene som er spesifisert i den foreliggende beskrivelse, ble det oppnådd en tilfredsstillende sement.

Sementslurry-blandingen ble testet og funnet til å ha egenskaper som indikerer at den ville kunne pumpes i en tilfredsstillende sirkulasjonstakt.

Sammenligningstester med akseleratorer av konvensjonell type viste at de ikke kunne anvendes i forbindelse med den foreliggende oppfinnelse.

I forbindelse med den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en forbedret sementblanding og fremgangsmåte for semen-tering av olje- og gassbrønner og underjordiske hulrom eller tomrom i formasjonen som krever deplasement av et borefluid og erstatning derav med et sementeringsmaterial med nødvendig binding og styrke. Resirkulering av sementslurrien kan gjennomføres for å sikre at borefluidet er fullstendig deplassert med et material som størkner/herder til å gi den nødvendige ønskede trykkfasthet. Under preliminære forsøk har borefluidet som er omdannet til sement i overensstemmelse med fremgangsmåten for den foreliggende oppfinnelse ved anvendelse av gruppe A sement i forhold på omtrent 0,7kg sement pr liter (250 ppb) av det opprinnelige borefluid med et dispergeringsmiddel og en akselerator i de konsentra-sjonsområder som indikert over, vist en viskositetsreduksjon, anti-flokkuleringsegenskaper og tilfredsstillende størkning-/herding innenfor et akseptabelt tidsrom.

Hele prosessen med sementering av et hulrom i et borehull i henhold til den foreliggende oppfinnelse kan også inkludere at et borefluid deplasseres, ved at man først spyler med et medium som ytterligere vil sikre at borefluidet er fortrengt eller fjernet og hvorved bindingen av sementen til de nær-liggende strukturer økes. Således kan f.eks. borefluidet fortrenges fra borehullet ved at man først pumper inn et medium som omfatter vann og andre passende dispergeringsmidler med eller uten anioniske eller ikke-ioniske fuktende overflateaktive midler eller med eller uten viskositetsøkende material som HEC, CMHEC, PHPA, bentonitt, attapulgitt,sepiolitt og natriumsilikat med eller uten bestemte vekt-økende materialer som baritt, hematitt, illmenitt og/eller sand. Man kan danne et reologisk forenelig medium for å fortrenge borefluidet som deretter fortrenges av sementblandingen.

Man har følgelig tilveiebragt en forbedret brønnblanding og fremgangsmåte for sementering ved anvendelse av borefluidet eller en stor del av dette som er omdannet til sementblanding ved tilsetning av et eller flere sementholdige materialer, dispergeringsmiddel og akselerator som indikert i det foregående. Resirkuleringen av borefluid-til-sementomdannelses-blandingen gjennom borehullet for å fortrenge eller omdanne borefluidet fullstendig er innenfor rammen for den foreliggende oppfinnelse.

En foretrukket utførelsesform av den foreliggende fremgangsmåte omfatter fremstilling av sementblanding i en batch-prosess inntil alt det borefluid som kreves for sementerings-operasjonen er omdannet. Alternativt kan materialene som tilsettes til borefluidet for å omdanne dette til sement tilsettes kontinuerlig i en strøm av borefluid når det sirkuleres i borehullet. Fremgangsmåten med resirkulering av borefluidet omdannet til sement i et volum fra 100 til 1000 % av deplasementvolumet av borehulls-hulrommet sikrer at i alt vesentlig alt borefluid er fortrengt fra borehullet og at utvaskinger, porer eller andre ufullkommenheter i sement-kappen eller ringrommet er minimalisert.

Enønskelig sementblanding er en som tillater fullstendig sirkulasjon av fluidet ut av borehullet og hvor fluidet erstattes med selve sementblandingen. Da denne sirkulasjon normalt kan omfatte fra to til så mange som ti fullstendige deplasementer av systemvolumet som inkluderer borehullet, blandetankene og alle de innbyrdes forbundne rørledninger, er det ønskelig at blandingen ikke begynner å tykne eller størkne før sirkulasjonen er fullstendig. Man har funnet at dette kan styres med akseleratorene anvendt ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, mens andre akseleratorer er for sterke eller virker for raskt.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for å sementere et hulrom i et borehull som penetrerer en jordformasjon og hvor det nevnte hulrom i det nevnte borehull er okkupert av et borefluid, og hvor fremgangsmåten omfatter trinnene med: tilsetning av et sementmaterial og et dispergeringsmiddel til en mengde av det nevnte borefluid for å danne en sementblanding, og sirkulere den nevnte sementblanding inn i det nevnte borehull,karakterisert vedat sementblandingen er dannet fra en vesentlig andel av borefluidet fra brønnen som er blitt boret, vann, en mindre andel tørt sementmaterial, en liten mengde av et dispergeringsmiddel for å inhibere flokkulering og geldannelse, og en forenelig akselerator valgt fra eddiksyre, eddiksyreestere hvor estergruppen har opp til fire karbonatomer, og acetamid, idet sirkulasjonen av den nevnte sementblanding gjennom det nevnte borehull fortsettes inntil en total deplasement av sementblanding gjennom nevnte borehull utgjør fra minst 100 % til 1000 % av volumet av det nevnte hulrom i det nevnte borehull.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisert vedat det nevnte dispergeringsmiddel er valgt fra sulfonert styren-maleinsyreanhydrid-kopolymerer, sulfonert styren-imid-kopolymerer, sulfonert styren-itakonsyre-kopolymerer, sulfonert styren-akrylamid-kopolymerer, kopolymerer av sulfonert styren med en eller flere forbindelser valgt fra (poly)akrylater og andre forbindelser som delvis hydrolysert akrylamid, analoger av disse sulfonerte kopolymerer hvor sulfonatgruppene erstattes med fosfonatgrupper, og derivater av kopolymerene som ytterligere omfatter monomerer valgt fra maleinsyreanhydrid, maleimid og dimetylmaleat.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2,karakterisert vedat det nevnte dispergeringsmiddel tilsettes i en mengde fra 1,43 kg/m<3>til28,5kg/m<3>av det opprinnelige borefluid og at sement-materialet tilsettes til fluidet i en mengde fra285kg/m<3>til 1711 kg/m<3>av det opprinnelige borefluid.

4. Fremgangsmåte som angitt i ett eller flere av kravene 1 - 3, karakterisert vedat minst to sementmaterialer tilsettes til nevnte fluid for å kontrollere hydratiseringstakten av nevnte sementblanding, idet de nevnte sementmaterialer er valgt fra Portland-sement, kalsiumsulfat og kalsiumaluminat.

5.Fremgangsmåte som angitt i ett eller flere av kravene 1 - 4, karakterisert vedat den også omfatter trinnet med: deplassering av borefluid fra nevnte hulrom med en forspylingsblanding omfattende vann og en sulfonert styrenkopolymer for å danne et reologisk forenelig material egnet for deplassering av det nevnte borefluid før det nevnte borehull-hulrom fylles med nevnte sementblanding .