PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3017091C2 28.02.1991
Titel Verfahren zur Verhinderung des Gasübertritts aus einer gasführenden Formation in den Ringraum zwischen einer Bohrlochverrohrung und einem Bohrloch
Anmelder Halliburton Co., Duncan, Okla., US
Erfinder Sutton, David Leroy, Duncan, Okla., US
Vertreter Weisse, J., Dipl.-Phys.; Wolgast, R., Dipl.-Chem. Dr., Pat.-Anwälte, 5620 Velbert
DE-Anmeldedatum 03.05.1980
DE-Aktenzeichen 3017091
Offenlegungstag 20.11.1980
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.02.1991
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.02.1991
IPC-Hauptklasse E21B 33/13

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Zusammensetzung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

Die Zementierung von Bohrlöchern betrifft den Ringraum, der zwischen der Bohrlochverrohrung einer Öl- und/oder Gasquelle und den diesen umgebenden Erdformationen gebildet wird. Durch diese Zementierung soll verhindert werden, das aus gasführenden Formationen Gas in das Bohrloch oder den Ringraum übertritt.

Üblicherweise werden bei der Förderung von Kohlenwasserstoffen aus unterirdischen Quellen die unterirdischen Formationen zementiert oder abgedichtet, indem ein wäßriger hydraulischer Zementschlamm in den Ringraum zwischen der Bohrlochverrohrung und den Formationen eingepumpt wird. In der Praxis wird dabei der Zementschlamm im allgemeinen innerhalb der Bohrlochverrohrung nach unten und anschließend durch den Ringraum nach oben zurückgepumpt. Gelegentlich wird der Zement auch direkt in den Ringraum außerhalb der Bohrlochverrohrung eingebracht. Wird der Zement zunächst durch die Bohrlochverrohrung gepumpt, so wird in dieser verbleibender Zementschlamm durch eine geeignete Flüssigkeit oder geeignete Flüssigkeiten in den Ringraum verdrängt.

In einigen Fällen führen die dem mit Zement ausgefüllten Ringraum benachbarten Zonen Gas, das unter einem erheblichen Druck steht. In diesen Fällen tritt die unerwünschte Erscheinung des Gasübertritts auf, bei dem das Gas aus der Formation in den die Bohrlochverrohrung umgebenden Ringraum übertritt, nachdem der Zementschlamm in den Ringraum eingebracht worden ist. Dieses Gas kann dann durch den Ringraum und durch den Zement hindurch zur Oberfläche oder zu einer anderen unterirdischen Zone abwandern, wobei ein ständig offener Durchflußkanal oder ein sehr durchlässiger Zement entsteht, durch den weiterhin auch nach dem Abbinden des Zementschlamms Gas austritt. Dadurch wird der Langzeit-Zusammenhalt und die Dichtwirksamkeit des Zements im Ringraum beeinträchtigt, und der Gasaustritt ist oft groß genug, um eine weitere aufwendige Druckzementierung zur Ausbesserung zu erfordern, um den Gasaustritt zu unterdrücken oder aufzuhalten. Durch den Gasaustritt kann auch kurz nach dem Einbringen des Zements und vor dessen erstem Abbinden ein großvolumiger Gasausbruch verursacht werden.

Der Gasübertritt erfolgt, obwohl zunächst der hydrostatische Druck der Säule von Zementschlamm in dem Ringraum den Gasdruck in der Formation weit übersteigt, aus der das Gas hervorkommt. Theoretisch könnte der Gasübertritt in den Ringraum unter zwei verschiedenen Bedingungen eintreten:

  • 1. Es kann ein teilweises Abbinden, Gelieren oder Trocknen in ganz spezifischen oder isolierten Teilen des Zements in dem Ringraum eintreten. Das kann an einer teilweisen Entwässerung liegen, daran, daß der Zement über längere Zeiten höheren Temperaturen ausgesetzt ist, und noch andere Ursachen haben. In jedem Fall wird dadurch die Übertragung des hydrostatischen Drucks auf den im Ringraum unterhalb dieser Stelle befindlichen Zement verhindert oder eingeschränkt.
  • 2. Die Übertragung des hydrostatischen Drucks kann auch ausbleiben, wenn sich der gesamte Zement in dem Ringraum im gleichen physikalischen Entwässerungs- und chemischen Hydratationszustand befindet, ohne daß wie vorher der Zement an einer bestimmten Stelle teilweise abbindet. Der Zement kann in diesem Fall durch Hydratation oder Gelierung aus dem flüssigen Zustand in einen anderen Zustand übergegangen sein, ohne bereits den festen Zustand erreicht zu haben, so daß er sich nicht mehr wie ein wahres hydraulisches System verhält bzw. nicht mehr wie ein solches System wirkt. Bei Erreichen dieses Hydratationszustandes überträgt die Zementsäule nicht mehr den hydrostatischen Druck in der Weise wie eine echte Flüssigkeit oder ein flüssiger Schlamm. Danach bewirkt jede Volumabnahme durch Flüssigkeitsverlust oder Schrumpfung auf Grund der chemischen Hydratation eine Druckabnahme im Ringraum und demzufolge einen Gasübertritt.


Jede der vorgenannten Bedingungen führt in einem Teil oder über die ganze Säule zu einer Entlastung von dem hydrostatischen Druck, wodurch das Gas in den Ringraum eindringen und durch die Zementsäule hindurch vordringen kann.

Interessanterweise ist der gelierte oder teilweise abgebundene Zement, obwohl er nicht mehr in der Lage ist, hydrostatischen Druck aufrechtzuerhalten oder zu übertragen, noch nicht hinreichend starr oder abgebunden, um den Eintritt von Gas in den Ringraum zu verhindern. Nach den am meisten verbreiteten Vorstellungen tritt eine absolute Volumabnahme ein, wenn die Zementsäule aufhört, Druck zu übertragen, und vermindert den Porendruck in der noch halbplastischen Masse. Fällt der Porendruck unter den Gasdruck der Formation, so kann das Gas aus der Formation in das Bohrloch übertreten. Der Porendruck kann nach zwei Hauptmechanismen abnehmen, nämlich einmal durch die Hydratationsreaktion innerhalb des Zements, und das andere Mal durch die Abgabe von Flüssigkeit an eine benachbarte durchlässige Formation.

Gasaustrittsprobleme sind nach Zementierung der Bohrlochverrohrung bei Oberflächenableitungen, in Zwischenbereichen, bei der Förderung und bei Auskleidungen beobachtet worden. Gasaustritte bis zur Oberfläche können innerhalb von 1 bis 7 Stunden nach Einbringen des Zements auftreten. Vielfach fließt das Gas jedoch nicht bis zur Oberfläche, sondern nur in Zonen niedrigeren Drucks ab, so daß innerhalb der Zonen eine Gasverbindung besteht.

Es sind verschiedene Vorschläge gemacht worden, um diesem unerwünschten Gasübertritt in Öl- und Gasquellen entgegenzutreten. Nach einem Vorschlag, der nach Kenntnis der Anmelderin bisher nicht im einzelnen untersucht worden ist, kann die Dichte des Wassers beim Zusammenmischen des Zementschlamms erhöht werden. Von der Anmelderin ausgeführte Versuche gestatten den Schluß, daß Wasser höherer Dichte nicht wirksam den Verlust an hydrostatischem Druck verhindert, der für den Austritt des Gases aus der umgebenden Formation in den Ringraum in der Zeit verantwortlich ist, in der der Schlamm der chemischen Hydratation unterliegt.

Ein anderer Vorschlag zur Verminderung oder Unterdrückung des Gasübertritts beruht auf einer Abschätzung der Rolle, die die physikalische Entwässerung und die chemische Hydratation innerhalb der Zementsäule beim Verlust der Fähigkeit des Zements zur Übertragung von hydrostatischem Druck durch die Zementsäule hindurch spielen. Um der physikalischen Entwässerung entgegenzutreten und möglicherweise dadurch den Gaseintritt in den Ringraum unterhalb des entwässerten Abschnitts der Säule zu verhindern, sind besonders aufgebaute Flüssigkeitsverlustverhinderer in den Zementschlamm eingeführt worden, um Wasserverluste zu vermindern und die nachteilige Entwässerung zu vermeiden. Beispielhafte Arbeiten in Richtung auf die Rolle des Flüssigkeitsverlustes für die Erleichterung von Gaseinbrüchen aus gasführenden Formationen und auf die Verwendung von Flüssigkeitsverlustverhinderern zur Steuerung des dadurch verursachten Gasübertritts sind in den Veröffentlichungen von Cook und Cunningham "Kontrolle des Flüssigkeitsübertritts - ein Schlüssel zur erfolgreichen Zementierungspraxis" (Veröffentlichung Nr. SPE 5898, Society of Petroleum Engineers AIME, 1976) und von Christian und anderen "Gasübertritte bei der Primärzementierung - Feld- und Laboratoriumuntersuchung" (Veröffentlichtung Nr. SPE 5517, Society of Petroleum Engineers, AIME, 1975) enthalten. Obwohl diese Bemühungen die Probleme des Gasübertritts in nicht schweren Fällen bis zu gewissem Grade erleichtert haben, haben sie keine zufriedenstellende Lösung für alle Fälle gebracht.

Zum Stand der Technik ist es bereits bekannt, Beton-Grobmörtel oder Mörtelformulierungen Aluminiumpulver oder andere Gasbildner zuzusetzen, um dadurch Produkte von geringem Gewicht oder mit einer Zellstruktur zu erhalten. Dies Verfahren ist jedoch nur für die Herstellung von leichtgewichtigen Produkten bzw. von expandierten, zellulären Produkten hoher Durchlässigkeit verwendet worden, die bei Atmosphärendruck oder relativ niedrigen Drucken verwendet werden. In Bauprojekten treten oft Situationen auf, in denen eine stärkere Schrumpfung des Zements während des Abbindens nicht hingenommen werden kann, weil dadurch tragende Bindungen oder der notwendige Zusammenhalt einer Dichtung verlorengehen würden. Gashaltige, einer Schrumpfung widerstehende Zementmischungen sind für diese Fälle vorgeschlagen worden. Es gibt jedoch bisher keine bekannte Ausnutzung des Gaseinschlusses zu dem Zweck, die Kompressibilität eines nicht abgebundenen Zementschlamms unter Bedingungen relativ hohen Drucks zu erhöhen, und in Verbindung damit den Flüssigkeitsverlust zu steuern, um dadurch unannehmbaren Volumen- oder Porendruckabnahmen entgegenzuwirken, die vor oder während der chemischen Hydratation der Zementmischung auftreten.

In einer Untersuchung des U.S. Army Corps of Engineers (Technical Report Nr. 6-607, August 1962, "Untersuchung von Schrumpf-resistenten Mörtelmischungen") werden verschiedene Arten von Grobmörtelschlämmen mit 0,01 bis 0,1 Gewichts-% fein verteiltem Aluminiumpulver gemischt. Die Volumausdehnung dieser Schlämme beim Abbinden bei Temperaturen zwischen 10°C (50°F) und 38°C (100°F) und bei Atmosphärendruck wurde untersucht. Es ergab sich, daß das aus dem eingeschlossenen Aluminiumpulver entwickelte Gas die Schrumpfung des Endproduktes stark verringerte.

In drei US-Patentschriften (31 97 323, 35 79 366, 37 09 707) wird die Verwendung von Metallteilchen aus Aluminium in Baubetonmischungen offenbart, um Schrumpfungen auszugleichen und der normalen Tendenz des Grobmörtels oder Betons zum Absetzen entgegenzuwirken. Dabei sollen die Aluminiumteilchen mit verschiedenem Material überzogen werden, um ihre Oberflächenoxidation vor dem Einbringen in die Zementmischungen zu verhindern.

Die Verwendung spezieller Präparate und Pasten aus Aluminiumpulver bei der Herstellung von Schaumbeton ist in der US-PS 35 51 174 beschrieben.

In der US-PS 38 90 157 wird die Verwendung gasabsorbierender Materialien, wie aktivierten Aluminiumoxids oder Aktivkohle, in Zementmischungen zum Zweck der Freigabe von Gas während des Abbindens beschrieben, um Schrumpfung zu verhindern. Die Anmelderin möchte dazu anmerken, daß die Verwendung von Aluminiumteilchen für diesen Zweck den Nachteil hat, daß die Bedingungen zur Freigabe von Gas dabei sehr sorgfältig gesteuert werden müssen.

In der US-PS 18 82 810 wird die Erzeugung von gasförmigem Azetylen in Bauzementmischungen durch Zumischung von Calciumcarbid, dessen Teilchen mit einem Schutzüberzug versehen sind, beschrieben.

In der US-PS 39 79 217 werden leichtgewichtige Zementtafeln mit Zellstruktur beschrieben, die dadurch hergestellt werden, daß die Zementmischung einen Schaumstabilisator und Luft in ausreichenden Mengen enthält, die Dichte des Produktes auf den gewünschten Wert zu verringern. Damit die in der Mischung enthaltenen Schaumbildner wirksam werden, müssen bestimmte andere Zusätze von der Mischung ausgeschlossen werden, insbesondere Calciumchlorid. Bei der Herstellung wird der Schlamm, der schließlich zu der leichtgewichtigen Tafel mit Zellstruktur abbindet, mit einem Schaum vermischt, der durch Einleiten von Luft in eine Mischung von Wasser und einem Schaumstabilisator hergestellt wird.

In der US-PS 41 19 476 wird zunächst der Stand der Technik im Hinblick auf die Verwendung von Aluminiumpulver zur Bildung von Gaseinschlüssen bei der Herstellung von Beton mit Zellstruktur dargestellt und dann ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die als Nebenprodukt bei der Aluminiumherstellung anfallende Schlacke in wirksamer und sehr wirtschaftlicher Weise als Gasbildner für die Betonschlämme eingesetzt werden kann. Es wird darauf hingewiesen, daß die Aluminiumteilchen vor Gebrauch oxidiert werden könnten, und es werden bestimmte Verfahren zur Verhinderung einer solchen Oxidation vorgeschlagen wie das Mahlen der Schlacke unter einer Inertgasatmosphäre. Der so hergestellte Beton mit Zellstruktur kann zur Wärmeisolierung im Bauwesen verwendet werden.

Die US-PS 35 51 174 offenbart Verfahren zur Herstellung von in Wasser verteilbaren Aluminiumpasten und -pulvern, die bei der Herstellung von Schaumbeton als Gasbildner verwendet werden. Die so hergestellten Aluminiumpasten sollen besser dispergierbar sein und eine längere Lagerzeit haben.

In einer Veröffentlichung "Beton-Beimischungen" (Journal of the American Concrete Institute, 1954, Oktoberheft) findet sich eine Diskussion über Gasbildner, die in Betonformulierungen das Schrumpfen und Absetzen verhindern sollen; diese Diskussion bezieht sich unter anderem auf die Verwendung von Aluminiumpulver, das mit den in dem hydratisierenden Zement enthaltenden Hydroxiden reagieren kann und dabei ganz kleine Blasen von Wasserstoff innerhalb der gesamten Zement-Wasser-Masse bildet. Die Autoren geben an, daß vorzugsweise Pulver aus unpoliertem Aluminium verwendet wird, daß aber die Verwendung von Aluminiumteilchen aus poliertem Aluminium vorteilhaft ist, wenn eine langsamere Reaktion und eine langsamere Geschwindigkeit der Wasserstoffentwicklung angestrebt wird. Danach sind die zugefügten Aluminiummengen im allgemeinen auf 0,005 bis 0,02% des Gewichtes des Zements beschränkt, obwohl größere Mengen gelegentlich zur Herstellung von leichtgewichtigem Beton niedriger Festigkeit verwendet werden können. Es ist ferner angegeben, daß auch Zink- und Magnesiumpulver als Gasbildner innerhalb des Schlamms verwendet werden können. Auch Wasserstoffperoxid und Chlorkalk können zur Erzeugung von Bläschen von Sauerstoff an Stelle von Wasserstoff verwendet werden. Auch Stickstoff und Chlor werden als Gase angesehen, die in die Masse eingebracht werden können.

In einer Veröffentlichung mit dem Titel "Welcher Mörtel?" (Concrete Construction, 1974, Oktoberheft, Seite 501) werden verschiedene bekannte Verfahren zur Gasbildung durch chemische Reaktion eines feingemahlenen Materials mit Wasser oder einem anderen Bestandteil des Mörtels beschrieben. Es wird angegeben, daß Aluminiumpulver dafür im allgemeinen Verwendung findet, und es wird ferner angegeben, daß kürzlich auch Koksstaub zur Freisetzung von Gas verwendet worden ist.

In einer Veröffentlichung von Carter und anderen mit dem Titel "Expandierende Zemente für die Primärzementierung" (Journal of Petroleum Technology, 1966, Mai-Heft) wird die Wirkung des Zusatzes verschiedener Mengen von Aluminiumpulver zu reinem hydraulichem Zement untersucht.

Aus der US-PS 22 36 987 ist ein Verfahren zum Zementieren von Bohrungen speziell zur Isolierung wasserführender Schichten oder zum Abdichten von Formationen gegen Zirkulationswasser oder Bohrschlamm bekannt, bei dem ein Zementschlamm eingesetzt wird, dessen Dichte geringer ist als die Dichte von Bohrschlamm. Dazu wird der Zement sehr fein gemahlen und mit 0,5 Gewichts-% eines speziellen Holzharzes versetzt. Durch dieses Holzharz wird an den Zementpartikeln ein Luftfilm gebildet, wodurch die Dichte des Zementschlamms um ca 25% und auch der von dem Zementschlamm ausgeübte hydraulische Druck verringert wird.

Aus der US-PS 22 36 987 ist es bekannt, durch Luftadsorption an feinverteilten Zementpartikeln mit Hilfe eines speziellen Holzharzes die Dichte von Zementschlamm auf einen Wert in der Größenordnung von Bohrschlamm zu verringern. Der so modifizierte Zementschlamm wird zum Abdichten von Formationen gegen den Eintritt oder Austritt von Flüssigkeiten eingesetzt.

Das bekannte Verfahren betrifft nicht die Verhinderung von Gasübertritt aus gasführenden unterirdischen Formationen und die zur Ausführung des bekannten Verfahrens verwendeten Zementschlämme enthaltenden Zusätze, die sich von den Zusätzen nach der Erfindung konstitutionell und wirkungsmäßig unterscheiden.

Aus der US-PS 22 88 557 ist ein Verfahren und eine Zementzusammensetzung für durchlässige Zementpackungen am unteren Ende einer Bohrung in einer ölführenden Formation bekannt. Die Zementpackung wird aus einem Zementschlamm gebildet, der unter anderem ein mit Öl getränktes poröses Material und einen Gasbildner, wie Aluminium und Alkali, enthält. Nach dem Einbringen und Erhärten des Zementschlamms wird die Zementpackung mit Lösungsmittel gespült, das die Ölfüllung aus dem porösen Material herauslöst. Der Gasbildner wird dem Zementschlamm zugesetzt, um durch die Gasentwicklung eine "relativ geringe anfängliche Durchlässigkeit" zu erzeugen, durch die erst die Herauslösung des Öls aus dem porösen Material ermöglicht wird. Dieses bekannte Verfahren und die bekannte Zusammensetzung betreffen nicht die Verhinderung von Gasübertritten aus gasführenden unterirdischen Formationen. Tatsächlich wird im Gegensatz zur Erfindung dem Zementschlamm ein Gasbildner in relativ großer Menge (8 bis 20 Gewichts-%) zugesetzt, um in der Zementpackung eine gewisse Durchlässigkeit zu erzeugen.

Aus der US-PS 30 98 754 ist ein Verfahren zur Herstellung von cellulärem, d. h. geschäumtem Zement bekannt. Dieser wird z. B. in einer geschlossenen Form oder am unteren Ende einer Bohrung in eine ölführende Formation durch Aufschäumen mit Luft gebildet. In dem Bohrloch dient das in Salzsäure lösliche geschäumte Produkt zur vorübergehenden Abdichtung einer darunterliegenden Packung aus Kies oder dergleichen. Dieses Verfahren betrifft nicht die Verhinderng von Gasübertritt aus gasführenden unterirdischen Formationen und die zur Ausführung des bekannten Verfahrens verwendeten Zementschlämme enthalten Zusätze, die sich von den Zusätzen nach der Erfindung konstitutionell und wirkungsmäßig unterscheiden.

Die US-PS 34 65 825 betrifft eine wäßrige Zementzusammensetzung mit geringem Flüssigkeitsverlust und ein Verfahren zum Zementieren einer Bohrung. Speziell ist die Zementzusammensetzung so gewählt, daß der daraus gebildete Zementschlamm mit turbulenter Strömung gepumpt werden kann und niedrige Flüssigkeitsverluste an umgebende Formationen aufweist. Dazu enthält die Zementzusammensetzung unter anderem als Flüssigkeitsverlustverhinderer Alkalisalze eines Kondensationsproduktes aus Formaldehyd und Naphthalin-2-sulfosäure und gegebenenfalls einen Cellulose-Äther. Diese bekannte Zusammensetzung und das bekannte Verfahren betreffen nicht die Verhinderung von Gasübertritten aus gasführenden unterirdischen Formationen und die bekannten Zementschlämme enthalten Zusätze, die sich von den Zusätzen nach der Erfindung wirkungsmäßig und/oder konstitutionell unterscheiden.

Aus der US-PS 34 83 007 sind ein wäßriger Zementschlamm und dessen Verwendung zur Zementierung von Bohrungen bekannt. Dieser Zementschlamm enthält Cellulose-Äther zusammen mit Alkali- oder Erdalkalisalzen, wodurch die Flüssigkeitsverluste aus dem Zementschlamm und die Pumpfähigkeit verbessert werden. Diese bekannte Zementzusammensetzung und das bekannte Verfahren betreffen nicht die Verhinderung von Gasübertritten aus gasführenden unterirdischen Formationen und die bekannten Zementschlämme enthalten Zusätze, die sich von den Zusätzen nach der Erfindung wirkungsmäßig und/oder konstitutionell unterscheiden.

Aus der US-PS 35 91 394 ist ein Verfahren zur Herstellung von Einspritzmörtel oder porösem Beton zur Ausfüllung von Hohlräumen und zur Stabilisierung von Gesteinboden oder durchlässigem Beton bekannt. Der verwendete Zementschlamm enthält neben anderen Zusätzen, wie ein Flüssigkeitsverlustverhinderer zur Schaumbildung als Gasbildner eine Azo- oder Hydrazinverbindung und einen Aktivator, durch den eine Stickstoffentwicklung ausgelöst wird. Dieses Verfahren betrifft nicht die Verhinderung von Gasübertritt aus gasführenden unterirdischen Formationen und die zur Ausführung des bekannten Verfahrens verwendeten Zementschlämme enthalten Zusätze, die sich von den Zusätzen nach der Erfindung konstitutionell und wirkungsmäßig unterscheiden.

Aus der US-PS 36 63 287 ist ein Zementadditiv für einen Zement zur Fixierung von Ankerbolzen für Brücken oder zur Installation eines Maschinensockels bekannt, bei dem dem unter anderem Kalziumsulfoaluminat, das die Volumenabnahme beim Härten verhindert und ein Gasbildner, z. B. Aluminium, zugesetzt werden. Der Gasbildner wird in einer Menge von 0,0005 bis 0,05 Teilen auf 90 Teile Zement zugegeben und dient zur Erhöhung der Fluidität, d. h. der Verhinderung von Absetzvorgängen. Dieser bekannte Zementzusatz betrifft nicht die Verhinderung von Gasübertritten aus gasführenden unterirdischen Formationen und die bekannten Zementschlämme enthalten Zusätze, die sich von den Zusätzen der Erfindung wirkungsmäßig und/oder konstitutionell unterscheiden.

Aus der US-PS 40 11 909 ist die Verwendung einer Zementzusammensetzung mit verbesserten Fließeigenschaften zur Zementierung von Öl- und Gasbohrungen bekannt. Insbesondere wird darin die Ausbildung einer turbulenten Strömung und damit die Entfernung von Bohrschlammablagerungen durch Zusätze erleichtert, die Polymere von substituierten 2-Acryl-Amidopropylsulfonsäure und Flüssigkeitsverlustverhinderer umfassen. Diese Zementzusammensetzung betrifft nicht die Verhinderung von Gasübertritten aus gasführenden unterirdischen Formationen und die bekannten Zementschlämme enthalten Zusätze, die sich von den Zusätzen nach der Erfindung wirkungsmäßig und/oder konstitutionell unterscheiden.

Aus der US-PS 40 58 405 sind ein pumpfähiger Zementmörtel und ein Zusatz dafür bekannt. Dieser Zementmörtel dient insbesondere zur Zementierung von Bergbauschächten, Tunneln oder Verankerungen aber auch zur Druckzementierung, Bodenstabilisierung und Reparatur von Baubeton. Der Zementmörtel enthält dazu unter anderem 0,006 bis 0,03 Teile Aluminiumpulver auf 100 Teile Zement. Dieser Zementmörtel betrifft nicht die Verhinderung von Gasübertritt aus gasführenden unterirdischen Formationen und die hieraus bekannten Zementschlämme enthalten Zusätze, die sich von den Zusätzen nach der Erfindung wirkungsmäßig und/oder konstitutionell unterscheiden.

Aus der US-PS 41 20 360 ist ein Verfahren zur Verhinderung von Gasdurchtritten aus gasführenden unterirdischen Formationen durch Zementschlamm im Ringraum einer Ölbohrung bekannt. Dazu wird ein Zement niedriger Dichte aus kalzimiertem Schiefer mit maximal 2 Gewichts-% Attapulgit (ein Tonmineral) und gegebenenfalls ein Beschleuniger gemischt. Dadurch entsteht ein thixotroper Zementschlamm mit praktisch keiner Wasserabscheidung. Nach diesem Verfahren wird die Abdichtung der gasführenden unterirdischen Formation mit anderen Mitteln erreicht, als nach der vorliegenden Erfindung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Zusammensetzung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9 so auszubilden, daß der Gasübertritt aus einer unterirdischen Formation in ein Bohrloch dadurch verhindert oder eingeschränkt wird, daß die Kompressibilität des Zementschlamms unter den tatsächlichen Bedingungen, wie sie im Bohrloch herrschen, und vor dem endgültigen Abbinden des Zements erhöht wird.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Zusammensetzungen durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.

Die Offenbarungen und technischen Lehren aus den vorstehenden Patentschriften und Veröffentlichungen tragen zum Verständnis des technischen Hintergrundes der Erfindung bei.

Die vorstehend beschriebenen, bisher bekannten allgemeinen Verfahren zur Gasbildung in Zementmischungen sind nicht ohne weiteres für die Bekämpfung der vorstehend beschriebenen Probleme des Gasübertritts naheliegend, die bei vielen Zementierungs- und Ausbauarbeiten an Öl- und Gasquellen auftreten. Die speziellen Bedingungen, die im Zusammenhang mit dem Einpumpen von Zementschlamm in den Ringraum zwischen der Bohrlochverrohrung und der Bohrlochwandung auftreten und spezielle Anforderungen stellen, sind ohne Belang für die Herstellung von Baubeton oder den Verwender der verschiedenen Zementsorten unter den Temperatur- und Druckbedingungen an der Erdoberfläche. Insbesondere braucht dabei dem Verlust von Wasser unter Druck an benachbarte, durchlässige Formationen (physikalische Entwässerung) keine Beachtung geschenkt zu werden. Darüber hinaus würde die Gaserzeugung in einem Zementschlamm, der sich in dem Ringraum eines Bohrlochs befindet, um den Übertritt von Gas nach außen in den Ringraum zu verhindern, als widersprüchlich und dem tatsächlichen Zweck entgegengerichtet erscheinen.

Es wurde jedoch festgestellt, daß bei durchgehender Verteilung des am Wirkungsort erzeugten oder vorher dem Zementschlamm zugemischten Gases in Verbindung mit einer Steuerung des Abwanderns oder Verlustes von Wasser durch Zugabe geeigneter Flüssigkeitsverlustverhinderer ein geeignet kompressibler Zement entsteht, in dem das Gas homogen verteilt und beständig ist. Dies steht der konzentrierten Kraft des unter hohem Druck stehenden Gases entgegen, das aus einer benachbarten Formation an einer bestimmten Stelle in den Ringraum übertritt, wie sich aus der Tatsache ergibt, daß in den meisten Fällen ein solches Gas schließlich vollständig durch den Zement hindurchwandert und an der Oberfläche der Zementsäule austritt.

Die Feststellung, daß der Gaseinschluß durch Erzeugung des Gases am Wirkungsort oder durch vorherige Zumischung in einer Bohrlochzementmischung den Gasübertritt aus einer benachbarten Formation wirksam verhindert, beruht auf verschiedenen Schlußfolgerungen in bezug auf die Zwischenzustände, die der Zementschlamm bis zum Erreichen des gehärteten Endzustandes durchläuft, die alle durch Versuche und Beobachtungen bestätigt werden. So läßt sich zeigen, daß die teilweise physikalische Entwässerung des Zementschlamms an einer Stelle innerhalb des Ringraums keine wesentliche Druckübertragung durch die Zementschlammsäule zu Stellen unterhalb der Entwässerungsstelle mehr erlaubt. Bei der normalen chemischen Hydratation hören die Zementschlämme auf, sich wie echte Flüssigkeiten zu verhalten, nachdem die chemische Hydratation begonnen hat, insofern, als ihr Fähigkeit zur Übertragung oder Aufrechterhaltung des hydrostatischen Drucks über die Länge der Zementschlammsäule betroffen ist. Mit fortschreitender Hydratisierung des Zements nimmt auch die Geschwindigkeit der Wasserwanderung innerhalb der Säule ab. Weiterhin zeigen selbst Zementschlämme mit niedriger Flüssigkeitsabgabe trotz alledem gewisse Flüssigkeitsverluste, und die Zement-Wasser-Mischungen nehmen in ihrem Volumen infolge der chemischen Hydratationsreaktion ab, die selbst zu einer Verringerung des volumetrischen Wassergehaltes führt. Falls durchlässige Formationsabschnitte an einer Stelle entlang der hydrostatischen Säule des Zementschlamms bestehen, übersteigen die Flüssigkeitsverluste an diese Formation in Verbindung mit der durch die chemische Hydratationsreaktion bewirkten Abnahme des Wasservolumens das Volumen an Wasser, das durch die Zementmasse in der hydrostatischen Säule weitergeleitet werden kann. Dadurch wird eine Sperre gebildet, durch die innerhalb des Zements eine Abnahme des wirksamen Porendrucks hervorgerufen wird und die den unerwünschten Übertritt des Gases aus der Formation ermöglicht. Paradoxerweise ist der gelierte oder teilweise hydratisierte Zement, der nicht mehr fähig ist, den hydrostatischen Druck durch die Zementschlammsäule hindurch aufrechtzuerhalten, noch nicht hinreichend erstarrt und nicht von hinreichend großem Volumen, um den Gasübertritt aus der Formation in den Ringraum zu verhindern, wenn der hydrostatische Druck an der Eintrittsstelle erst einmal geringer geworden ist als der Gasdruck in der benachbarten Zone.

Die vorstehenden Überlegungen weisen darauf hin, daß die Kompressibilität des Zementschlamms eine bedeutende Rolle für die Aufrechterhaltung des inneren hydrostatischen Drucks spielt, woraus geschlossen wird, daß durch die Technik des Gaseinschlusses nach der vorliegenden Anmeldung der innere Porendruck innerhalb der Zementschlammsäule erhöht oder aufrechterhalten wird und dadurch die Hauptursache oder den Grund für den unerwünschten Gasübertritt bekämpft. Versuche haben diese Theorie in der Praxis bestätigt, sowie, daß die Kompressibilität durch den stabilisierten Einschluß eines Gases in den Zementschlamm zum Zeitpunkt des Einbringens und vor dem endgültigen Abbinden erhöht werden kann.

Bedenken wegen möglicher nachteiliger Nebenwirkungen des Gaseinschlusses konnten dadurch zerstreut werden, daß geeignete Verfahrensbedingungen und Formulierungen bestimmt wurden. So bestand das Bedenken, daß durch den Gaseinschluß eine unzulässige Zunahme in der Durchlässigkeit des Zements nach dem Abbinden verursacht werden könnte. Es wurde jedoch festgestellt, daß dieses Problem nicht besteht, wenn das Gas in geeigneter Konzentration gut in dem Zementschlamm verteilt wird und wenigstens eine minimal wirksame Menge eines Mittels verwendet wird, durch das eine zu weitgehende Entwässerung sicher verhindert wird. Ein weiteres Bedenken bestand darin, daß ein zu hoher innerhalb des Zementschlamms entwickelter Gasdruck ausreichen könnte, den Zusammenbruch der Bohrlochverrohrung zu verursachen oder möglicherweise Ausbruchssicherungen oder andere Einrichtungen am Bohrlochkopf zu beschädigen. Es wurde jedoch wiederum festgestellt, daß bei richtiger Steuerung der in dem Zementschlamm entwickelten Gasmenge kein so hoher Druck entsteht, daß dadurch irgendeine dieser unerwünschten Wirkungen hervorgerufen werden könnte.

Es wurde weiterhin festgestellt, daß die gashaltigen Zemente nach der vorliegenden Anmeldung nach dem Abbinden sehr starke Bindungen zu der Bohrlochverrohrung, mit der sie in Kontakt stehen, entwickeln und daß die anfängliche Druckfestigkeit solcher Zemente gegenüber Zementen ohne diesen Gaszusatz verbessert ist.

Es sind eine Reihe von Versuchen durchgeführt worden, um zu den Schlußfolgerungen zu kommen, auf die sich die vorliegende Anmeldung stützt. Bei vielen dieser Versuche wurden die Zementierungsbedingungen im Bohrloch in einer Versuchsanordnung simuliert, die in den Abbildungen dargestellt ist. Darin zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Versuchsanordnung und

Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht dieser Versuchsanordnung im Schnitt mit einem durchlässigen, die Mitte der Versuchsanordnung umgebenden Kern.

Grundsätzlich und im allgemeinen enthalten die Bohrlochzementmischungen nach der vorliegenden Anmeldung einen hydraulischen Zement, Wasser und eine Gasmenge, die unter den Temperatur- und Druckverhältnissen am Wirkungsort im Bohrloch ein stabiles, wirksames Volumen eines in dem Zementschlamm verteilten Gases bildet, das wenigstens während der Zeit zwischen der Herstellung der Mischung bis zu einer halben Stunde vor der Abbindezeit (Druckfestigkeit >13,8 bar entsprechend 200 psi) des Zements unter den Verhältnissen am Wirkungsort vorhanden ist. Sowohl das Gas als auch der Gasbildner in dem Zement sind im Hinblick auf ihre beabsichtigte Verwendung und Funktion mit dem Zementschlamm verträglich. Diese Zementmischungen sind nicht nur auf Öl- und/oder Gasquellen anwendbar, sondern auch auf Wasserquellen und auf in der Erde verlegte Förderleitungen.

Die im folgenden gebrauchten Ausdrücke wie "Abbindezeit" und andere, die üblicherweise in der Zementierungstechnologie von Ölquellen verwendet werden, werden im einzelnen im Bulletin 10-C des American Petroleum Institute erläutert.

In der vorhergehenden, weitgefaßten Darstellung der Erfindung ist das Volumen eines Gases am Wirkungsort als "Stabiles Volumen" definiert, das nach Sättigung der wäßrigen Phase mit gelöstem Gas und nach hinreichend vollständiger Reaktion zwischen dem erzeugten Gas und anderen Komponenten des Zementschlamms vorhanden ist, so daß vor der Abbindezeit keine wesentliche Verringerung des Gasvolumens mehr eintritt. Damit ein solches stabiles Volumen des Gases entsteht, darf das erzeugte oder vorher eingeschlossene Gas nur begrenzt in der wäßrigen Phase des Zementschlamms löslich sein und darf sich nicht unter den Temperatur- und Druckverhältnissen am Wirkungsort verflüssigen.

Als brauchbares Volumen wird das Volumenteil bezeichnet, das unter Normalbedingungen wenigstens ein Zehntel des Volumens des Zementschlamms ohne das Gas einnimmt, oder die Menge eines Gases, die notwendig ist, um am Wirkungsort eine Zunahme der Kompressibilität des Zementschlamms um wenigstens 25% über die Kompressibilität des Zementschlamms am Wirkungsort ohne den Gaszusatz zu bewirken.

Unter "Verträglichkeit" des Gasbildners oder des erzeugten Gases mit dem Zementschlamm wird verstanden, daß dadurch keine Wirkungen auf die Eindickungszeit, die Konsistenz oder die Entwicklung des Flüssigkeitsverlustes oder die Druckfestigkeit des Zementschlamms verursacht werden, die nicht (hinreichend für die beabsichtigte Verwendung des Zementschlamms) dadurch korrigiert werden können, daß praktisch anwendbare und wirtschaftliche Mengen anderer chemischer Zuschläge dem Zementschlamm beigemischt werden.

Bei der Ausführung des Verfahrens können verschiedene Methoden zum Einschluß von Gasen in den Zementschlamm Verwendung finden. Diese schließen im weitesten Sinne

  • (a) die Beimischung eines Gases zu dem Zementschlamm vor oder bei dem Einpumpen in das Bohrloch und
  • (b) die chemische Erzeugung oder Freisetzung des Gases innerhalb des Zementschlamms am Wirkungsort


ein.

Das zuletztgenannte Verfahren wird bevorzugt, wobei beispielsweise Metalle zugemischt werden, die mit den in dem Zementschlamm enthaltenen Hydroxiden oder mit Wasser reagieren, Chemikalien zugesetzt werden, die bei Temperaturerhöhung Gas entwickeln, die Zugabe von Substanzen, die beträchtliche Mengen an Gas absorbieren und später wieder freigeben, und die Beimischung von Flüssigkeiten, die ohne chemische Veränderung infolge der hohen Temperaturen am Wirkungsort im Bohrloch in den gasförmigen Zustand übergeführt werden, nachdem der Zementschlamm eingebracht worden ist. Unabhängig von der jeweiligen Art der Erzeugung des Gaseinschlusses wird bevorzugt eine solche Methode verwendet, die gegenüber der chemischen Hydratationsreaktion des Zements inert ist und keinen wesentlichen Einfluß auf diese Reaktion hat. Zusätzlich sind auch Gase, die in Wasser beträchtlich löslich sind, nicht wirksam oder weniger bevorzugt als andere, in Wasser unlösliche Gase.

Bei dem vorzugsweise angewendeten Verfahren der Gasbildung im Zement am Wirkungsort können verschiedene Materialien als Gasbildner verwendet werden. Es können Metalle, die entsprechend ihrer Stellung in der Spannungsreihe mit wäßrigen alkalischen Lösungen oder Wasser unter Wasserstoffentwicklung reagieren, verwendet werden, und zwar vorzugsweise Aluminium, Calcium, Zink, Magnesium, Lithium, Natrium, Kalium oder deren Mischungen. Es können auch bestimmte andere Verbindungen, die Wasserstoff oder ein anderes Gas entwickeln, verwendet werden. Überwiegend wird jedoch Aluminiumpulver als Gasbildner vorgezogen. In jedem Fall wird der Gasbildner in einer Menge beigemischt, die ausreicht, um die Kompressibilität des Zementschlamms unter den Verhältnissen im Bohrloch um wenigstens 25% gegenüber der anfänglichen Kompressibilität des gleichen Zementschlamms ohne den Zusatz des Gasbildners zu erhöhen. Dazu enthält der Zementschlamm wenigstens 0,1 Volumteil eines beständigen, eingeschlossenen Gases unter Normalbedingungen pro Volumteil des Zementschlamms, wobei die Gasmenge mit zunehmender Tiefe des Bohrlochs zunimmt. Der tatsächliche volumetrische Gasgehalt des Zementschlamms im Bohrloch wird im allgemeinen ca. 0,1 bis ca. 50 Volum-% betragen, wobei die jeweilige Gasmenge von den Temperatur- und Druckbedingungen in dem Bohrloch und in geringerem Maße von anderen Beimischungen zu dem Zementschlamm abhängt.

Für Wasserstoff und andere Gase mit ähnlichem PV-Verhalten kann die Menge des Gases abgeschätzt werden, die in den Zementschlamm eingeschlossen werden muß, um eine Kompressibilitätserhöhung von 25% über die Kompressibilität des Zementschlamms ohne den Gaszusatz zu bewirken. Die Abschätzung beruht auf den Gleichungen



In diesen Gleichungen ist Ph der Druck am Zementierungsort; die Gleichungen beruhen auf einem angenommenen Druckabfall Ph um 10% und auf einer Kompressibilität des Zementschlamms ohne den Gaszusatz von 30 (µ v/v) pro Atmosphäre.

Zur Aufrechterhaltung des hydrostatischen Drucks bei Entwicklung des Gases innerhalb des Zementschlamms am Wirkungsort oder bei vorheriger Zumischung des Gases ist es sehr wünschenswert, dem Zementschlamm in irgendeiner Form ein Mittel zur Steuerung von Flüssigkeitsverlusten zuzusetzen, da sonst die Gasvolumina, die zur Aufrechterhaltung des hydrostatischen Drucks notwendig sind, zu hoch werden. In einigen Fällen sollte auch ein Zusatz vorhanden sein, der die Verteilung und Stabilisierung des erzeugten Gases erleichtert.

Es sind viele Stoffe bekannt, die die Menge und die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsverlustes aus dem Zementschlamm nach der Einbringung in den Ringraum verringern. Auch andere Zusätze zu Ölbohrlochzementen, die hauptsächlich aus anderen Gründen wie zur Verzögerung oder als Dispersionsmittel zugegeben werden, zeigen in einigen Fällen eine gewisse Fähigkeit zur Verminderung von Flüssigkeitsverlusten. Ein weitgehend benutztes Verfahren zur Bestimmung von Flüssigkeitsverlusten aus einem Zementschlamm ist eine nach API standardisierte Flüssigkeitsverlustprüfung (API Nr. RP 10 B), bei der unter standardisierten Bedingungen die Flüssigkeitsmenge bestimmt wird, die innerhalb einer bestimmten Zeit ein Standardsieb mit einer standardisierten Oberfläche passiert. Unter den Bedingungen dieser Prüfung (325-mesh-Sieb entsprechend einer Maschenweite von 0,04 Millimeter, 69 bar entsprechend 1000 psi) ergeben die Zementmischungen nach der vorliegenden Anmeldung bei Zugabe eines Flüssigkeitsverlustverhinderers oder unter den nachstehend beschriebenen äußeren Bedingungen Flüssigkeitsverlustwerte von weniger als 1000 Milliliter in 30 Minuten bei einer Temperatur von 37,7°C (100°F). Vorzugsweise werden die verwendeten Zusätze nach Art und Menge so gewählt, daß der Flüssigkeitsverlust unter den vorgenannten Bedingungen nicht mehr als 850 Milliliter beträgt, wobei in den am meisten bevorzugten Zementschlämmen die Flüssigkeitsverluste unter den vorgenannten Bedingungen unter 500 Milliliter bleiben. Da gelegentlich die angegebenen Grenzen für den Flüssigkeitsverlust bei nur selten verwendeten, besonderen Zementmischungen nicht optimal sein können, kann als weiteres Maß für den zulässigen Flüssigkeitsverlust ein solcher Verlust gelten, der nicht mehr als 75%, vorzugsweise nicht mehr als 50% des Flüssigkeitsverlustes beträgt, den die einfache Mischung von Zement und Wasser allein ohne die Zusätze erfährt.

Im Hinblick auf die erwünschten Flüssigkeitsverluste ist zu berücksichtigen, daß die vorstehend beschriebene standardisierte Flüssigkeitsverlustprüfung verschiedene Bedingungen nicht simuliert, die tatsächlich in einem Bohrloch bestehen. Zwei davon sind die folgenden:

  • (1) Formationen niedriger Durchlässigkeit, die mit Gas oder Öl oder beiden gesättigt sind. In diesem Fall ist der tatsächliche Flüssigkeitsverlust aus dem Zementschlamm im Bohrloch niedriger als der, der nach der standardisierten Flüssigkeitsverlustprüfung gemessen wird. In dem Maße, wie die Durchlässigkeit der Formation abnimmt, wird auch die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsverlustes durch die Durchlässigkeit der Formation beeinflußt, wie diese durch die Gleichung von Darcy bei radialem Fluß beschrieben wird, sowie auch durch die Wirkung von Flüssigkeiten und/oder Gasen, die in der Zone enthalten sind;
  • (2) der während der Bohrarbeiten abgesetzte Schlammkuchen ist während der Zementierungsarbeiten nicht vollständig entfernt worden und begrenzt den Flüssigkeitsverlust aus dem Zementschlamm.


Es ist daher in einigen Fällen möglich, daß durch vorgegebene, äußere Verhältnisse, die in dem Bohrloch vor oder bei der Zementierung bestehen, eine ausreichende Steuerung des Flüssigkeitsverlustes aus dem Zementschlamm erreicht wird. Diese Bedingungen können jedoch nicht mit Sicherheit vollständig vorherbestimmt werden, so daß Flüssigkeitsverlustverhinderer auch dann verwendet werden, wenn die Verhältnisse im Bohrloch tatsächlich die Flüssigkeitsabgabe hinreichend begrenzen. Bei einigen Bohrlöchern kann auf Grund früherer Erfahrungen bekannt sein, daß solche Bedingungen bestehen, so daß es dann nicht notwendig ist, den Flüssigkeitsverlust durch den Zusatz besonderer chemischer Flüssigkeitsverlustverhinderer zu steuern.

In Übereinstimmung mit den vorgenannten Kriterien ist jede Weise, auf die der Flüssigkeitsverlust aus dem Zementschlamm hinreichend begrenzt wird, für das Verfahren und die Zementmischungen nach der vorliegenden Anmeldung geeignet, vorausgesetzt, daß in dem vorgenannten Sinne Verträglichkeit besteht. Einige gut bekannte Arten von Flüssigkeitsverlustverhinderern sind Zellulosederivate wie Hydroxymethylhydroxyethylcellulose und Hydroxyethylcellulose, Lignin, Ligninsulfonate, Polyacrylamide, modifizierte Polysaccharide, polyaromatische Sulfonate, Guargummi-Derivate oder Mischungen aus zwei oder mehreren der vorgenannten Stoffe. Ein bevorzugter Flüssigkeitsverlustverhinderer für die Zementmischung ist eine handelsübliche Mischung eines Zellulosederivates oder modifizierten Polysaccharids mit einem Dispersionsmittel auf der Grundlage eines polymeren aromatischen Sulfonats. Im allgemeinen werden die chemischen Zusätze als Flüssigkeitsverhinderer in Mengen von ca. 0,05 bis ca. 3,0 Gewichts-%, bezogen auf den Zement, eingesetzt.

Bei Benutzung eines chemisch reagierenden Pulvers als Gasbildner in dem Zementschlamm nimmt die Menge des Pulvers, das zur Erzeugung eines bestimmten Volum-%-Gehaltes an Gas in dem Zementschlamm benötigt wird, mit zunehmendem Druck zu, da die Kompressibilität, die sich innerhalb des Zementschlamms infolge eines bestimmten Volumgehaltes an Gas entwickelt, mit zunehmendem Druck abnimmt. Während so beispielsweise nur 0,62 Gewichts-% Aluminium erforderlich sind, um in einem typischen Zementschlamm für die Zementierung nach den API-Vorschriften in einer Tiefe von 1829 m (6000 ft.) einen Wasserstoffgehalt von 5 Volum-% zu erzeugen, und diese Gasmenge genügt, um in dieser Tiefe eine Kompressibilität von 183,2 µ v/v pro Atmosphäre hervorzurufen, sind für eine Zementierung nach den API-Vorschriften in einer Tiefe von 4267 m (14 000 ft.) 1,1 Gewichts-% Aluminium erforderlich, um in dem Zementschlamm den gleichen Gasgehalt in Volum-% zu erzeugen, und beträgt unter diesen Bedigungen die Kompressibilität des Zementschlamms nur 62,5 µ v/v pro Atmosphäre. Diese Vergleichszahlen stützen sich auf eine Kompressibilität des zuschlagfreien Zementschlamms von 28 µ v/v pro Atmosphäre.

Die unter bestimmten Temperatur- und Druckverhältnissen durch eine vorgegebene Menge von Aluminiumpulver erzeugte Gasmenge kann mit beträchtlicher Genauigkeit vorherbestimmt werden. Daraus kann ebenfalls die dadurch erreichte Zunahme der Kompressibilität vorherberechnet werden. Beispielsweise kann für eine Zementierung nach den API-Vorschriften in einer Tiefe von 3048 m (10 000 ft.) vorhergesagt werden, daß ein Zusatz von 1% Aluminium zu einem einen Flüssigkeitsverlustverhinderer enthaltenden Portlandzement üblicher Zusammensetzung eine Kompressibilität von wenigstens 1000 µ v/v pro Atmosphäre ergibt.

Wird dagegen ein Gas wie Luft, Methan, Ethan oder Stickstoff zugemischt, bevor oder während der Zementschlamm an seinen Wirkungsort gepumpt wird, hängt der Volumanteil des in dem Zementschlamm enthaltenen Gases von den Temperatur- und Druckverhältnissen an der Zementierungsstelle ab. Vorzugsweise wird bei dieser Methode des Gaseinschlusses dem Zementschlamm ein Volumgehalt von wenigstens 1% unter den Bedingungen des Wirkungsorts zugemischt, bevor der Zementschlamm eingepumpt wird.

Um bei der Verwendung von Aluminium eine vorzeitige Gelierung des Zementschlamms zu verhindern, die die Fähigkeit des Zementschlamms zur Übertragung von hydrostatischem Druck vermindern würde, kann bei einigen Zementschlämmen die Zugabe einer geringen Menge von Erdalkalimetallhalogeniden, vorzugsweise Calciumchlorid, notwendig sein. Dies wiederum erfordert in einigen Fällen die Zugabe eines Verzögerers zu dem Zementschlamm, um die beschleunigende Wirkung der Erdalkalimetallhalogenide zu kompensieren und die Eindickungszeit etwas zu verzögern.

Die Geschwindigkeit der Gasbildung hängt großenteils von der Teilchengröße und -form oder der reaktiven Oberfläche des Aluminiumpulvers ab. Im Gegensatz zu einigen Angaben im Stand der Technik wurde sogar festgestellt, daß es wünschenswert ist, wenn die Aluminiumteilchen eine relativ dünne Oxidschicht an ihrer Oberfläche aufweisen und nicht glänzend und sauber sind. Dadurch wird die Gasbildungsreaktion verzögert, und es wird möglich, den Zementschlamm durch die Bohrlochverrohrung hindurch in dem Ringraum aufwärts zu pumpen, bevor wesentliche Mengen von Gas gebildet worden sind. Es ist auch möglich, die Oberfläche des Gasbildners mit einem chemischen Inhibitor zu überziehen, um den Beginn der Reaktion oder die Reaktionsgeschwindigkeit zu verändern.

Obwohl es bei der Ausführung des Verfahrens zulässig ist, die Teilchengröße des Aluminiumpulvers und die Zusätze zu dem Zementschlamm so auszuwählen, daß die Reaktion des Aluminiumpulvers nicht beginnt, bevor der Zementschlamm seinen Wirkungsort erreicht hat, und nicht beendet ist, bevor der Abbindevorgang einsetzt, wird andererseits üblicherweise bevorzugt ein Aluminiumpulver eingesetzt, das fein genug verteilt ist, um sicherzustellen, daß die Reaktion innerhalb einer halben Stunde, nachdem der Zementschlamm an seinen Wirkungsort gepumpt worden ist, im wesentlichen vollständig abgelaufen ist, wobei das meiste Gas nach dem Einbringen des Zementschlamms an den Wirkungsort und nicht vorher erzeugt worden ist.

Gelegentlich kann auch ein Aluminiumpulver verwendet werden, das aus Anteilen relativ kleiner und relativ großer Teilchen zusammengesetzt ist. Dadurch kann die Gasentwicklung und auch die Aufrechterhaltung des Porendrucks oder des hydrostatischen Drucks über eine längere Zeit erstreckt werden als in den Fällen, in denen nur das rascher reagierende feine Pulver verwendet wird, das zwar während der ersten Zeit nach dem Einbringen an den Wirkungsort sehr wirksam ist, aber in einigen Fällen seine Wirksamkeit lange vor der Annäherung an das endgültige Abbinden eines hoch verzögerten Zements verlieren kann.

Die Reaktionsgeschwindigkeit und die Gasentwicklung aus Aluminiumpulver sind der Temperatur proportional, wobei die höheren Reaktionsgeschwindigkeiten in dem Maße auftreten, wie die Temperatur zunimmt. Darüber hinaus kann die Reaktionsgeschwindigkeit des Gasbildners auch durch besondere Zusätze zu dem Zementschlamm beeinflußt werden. Beispielsweise wird durch die üblichen Verzögerer und durch die Flüssigkeitsverlustverhinderer die Reaktionsgeschwindigkeit verlangsamt, während Calciumchlorid, Salz oder eine Kombination von Salz und Natriumthiosulfat in den meisten Fällen die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen.

Es sollte beachtet werden, daß die Wärmetönung der gaserzeugenden Reaktion von Aluminiumpulver verhältnismäßig groß ist und daher Vorsorge getroffen werden muß, daß, soweit notwendig, dem Zementschlamm Verzögerer zugesetzt werden, um zu verhindern, daß die Eindickungszeit als Folge der Temperaturänderungen durch die Reaktion des Aluminiums unzulässig verändert wird. Weiter sollte im Zusammenhang mit der exothermen Reaktion des Aluminiums erwähnt werden, daß eine andere Ursache für die Wirksamkeit von Aluminiumpulver bei der Bekämpfung des Gasübertritts in das Bohrloch darin besteht, daß die Geschwindigkeit der Abnahme des Porendrucks, wie vorstehend bereits beschrieben wurde, in dem Maße zunimmt, wie die Temperatur innerhalb des Zementschlamms abnimmt und umgekehrt in dem Maße abnimmt, in dem sich die Temperatur innerhalb der Zementschlammsäule erhöht. Aus diesem Grunde vergrößert die relativ hohe Wärmetönung der Reaktion der Aluminiumteilchen mit den alkalischen Stoffen in dem Zementschlamm die thermische Ausdehnung innerhalb der Zementschlammsäule, und aus diesem Grunde verringert sich die Geschwindigkeit der Abnahme des Porendrucks zusätzlich zu der bereits beschriebenen Zunahme der Kompressibilität des Zementschlamms. In gleicher Weise wirken natürlich andere chemische Gasbildner unterstützend, deren Reaktion mit den Komponenten des Zementschlamms exotherm ist.

Zur Bestimmung der Dauer und der Geschwindigkeit der Gasentwicklung, die jeweils wünschenswert ist, wird vorzugsweise zunächst vor dem tatsächlichen Einbringen des Zements die Zeit bis zum Beginn des Abbindens des Zementschlamms bestimmt, der in der hier beschriebenen Weise mit einem Gas behandelt werden soll. Dies kann durch die Analyse des Temperaturverlaufs in dem Zementschlamm geschehen. Bevorzugt werden solche Versuche auch mit ungefähr gleichen Mengen des Gasbildners in dem Zementschlamm durchgeführt, wie sie auch in der endgültigen Mischung, die in den Ringraum eingebracht wird, verwendet werden wird, da die Wärmetönung bei der Reaktion des Gasbildners den Beginn des Abbindens des Zementschlamms gegenüber einem Zementschlamm ohne diese Zusätze verkürzen kann.

Die Aluminiumteilchen können auf verschiedene Weisen in die Zementmischung eingebracht werden. So kann das Aluminiumpulver im Trockenen mit den anderen festen Bestandteilen des Zementschlamms vor der Zufügung des Wassers vermischt werden, oder es kann zunächst ein Flüssigkeitszusatz aus Wasser und Aluminiumpulver hergestellt und dann dem Zement zugesetzt werden, wodurch dann die endgültige Zusammensetzung des Zementschlamms hergestellt wird. Vorzugsweise wird jedoch das Aluminiumpulver in einem mehrwertigen Alkohol oder einem anderen, mit Wasser mischbaren organischen Träger verteilt und die so erhaltene Dispersion mit Wasser gemischt, bevor sie mit dem Wasser den übrigen Bestandteilen des Zementschlamms zugefügt wird. Vorzugsweise enthält der alkoholische Träger für das Aluminiumpulver eine geringe Menge eines Benetzungsmittels. Es hat sich herausgestellt, daß mit Alkohol als Träger für das Aluminium hergestellte Mischungen über lange Zeiten aufbewahrt werden können, ohne daß dabei nachteilhafte Wirkungen auftreten, und ohne Absetzen oder Aufschwimmen der Aluminiumteilchen, was gegenüber flüssigen Zusätzen auf der Basis von Wasser und Aluminium von Vorteil ist.

Im allgemeinen kann bei der Gaserzeugung in dem Zementschlamm selbst die chemische Gasquelle die unterschiedlichsten chemischen und physikalischen Zustände einnehmen. So können Metallpasten homogen mit dem Zementschlamm vermischt werden. Feste Teilchen können mit einem schützenden Überzug aus einem sich langsam auflösenden Film versehen werden. Es können chemische Reaktionspaare verwendet werden, die miteinander reagieren und dabei das erforderliche Gas entwickeln, ohne daß die Reaktion mit einer von vornherein in dem Zementschlamm enthaltenen Komponente oder mit einem Stoff erfolgt, der erst während des Abbindens entsteht.

Unter Berücksichtigung der vorstehenden Überlegungen kann bei Verwendung von Aluminium als Gasbildner, das in Pulverform zugefügt wird, die Menge des Pulvers entsprechend einem Gehalt von ca. 0,02 Gewichts-% im Allgemeinfall relativ flacher Bohrungen bis zu einer Menge entsprechend einem Gehalt von ca. 5 Gewichts-% im Allgemeinfall von Tiefbohrungen bis zu 9144 m (30 000 ft.) betragen. In den meisten Anwendungsfällen liegt die Menge des Aluminiumpulvers bei ca. 0,1 bis ca. 2 Gewichts-%, bezogen auf den trockenen Zement. Die Größe der Aluminiumteilchen wird durch die vorgenannten Faktoren bestimmt, jedoch wird im allgemeinen ein relativ feines Aluminiumpulver, das typischerweise eine Korngrößenverteilung ähnlich den Typen B, C und D in Tabelle II hat, für die meisten Bohrlöcher bevorzugt, wobei mit zunehmender Bohrlochtiefe die Pulver mit den größeren Anteilen an gröberen Teilchen verwendet werden.

Die nach den vorstehenden Grundsätzen zusammengesetzten Zementmischungen für das hier angewendete Verfahren enthalten im allgemeinen einen hydraulischen anorganischen Zement, Wasser in einer Menge entsprechend einem Gehalt von ca. 20 bis zu ca. 135 Gewichts-%, bezogen auf das Gewicht des trockenen Zements = 100%, vorzugsweise von ca. 35 bis 50 Gewichts-%, einen Flüssigkeitsverlustverhinderer in einer Menge entsprechend einem Gehalt von ca. 0,05 bis ca. 3,0 Gewichts-%, bezogen auf das Gewicht des trockenen Zements = 100% und ca. 0,1 bis ca. 15 Volum-% eines gut verteilten, beständigen Gases. Bei der Gasentwicklung innerhalb des Zementschlamms am Wirkungsort kann der Zement auch Calciumchlorid oder andere anorganische Beschleuniger enthalten, die eine vorzeitige Gelierung des Zements verhindern. Soweit das der Fall ist, wird Calciumchlorid in einer Menge entsprechend einem Gehalt von ca. 0,1 bis ca. 3 Gewichts-%, vorzugsweise 2 Gewichts-%, bezogen auf das Gewicht des trockenen Zements = 100% verwendet.

Im allgemeinen wird Portlandzement wegen seiner Kosten, seiner Verfügbarkeit und seiner allgemeinen Anwendbarkeit vorgezogen, jedoch können auch andere Zementarten, wie Puzzolanzement, Gipszemente und Zemente mit hohen Tonerdegehalten, verwendet werden. In den meisten Fällen werden hauptsächlich Portlandzemente der API-Klassen H und G eingesetzt, obwohl auch Zemente anderer API-Klassen verwendet werden können. Das Verhalten dieser Zemente ist in der API-Spezifikation 10-A beschrieben. Eine für das hier auszuführende Verfahren sehr brauchbare und wirksame Zusammensetzung von Zementschlamm enthält Zement der API-Klasse H, der mit Wasser in einer solchen Menge vermischt wird, daß eine Dichte von 1,2 bis 2,4 g/ml (10-20 lb/gal) erhalten wird.

Das Wasser zur Herstellung des Zementschlamms kann jeder beliebigen Quelle entstammen, soweit es nicht besonders viel organische Substanz oder Salze enthält, die die Stabilität des Zementschlamms beeinträchtigen.

Wird das Verfahren dadurch ausgeführt, daß (im Gegensatz zur Gasentwicklung innerhalb des Zementschlamms selbst) das Gas beim Zusammenmischen des Zementschlamms eingerührt oder zugefügt wird, so sollte der Mischung vorzugsweise ein Schaumstabilisator beigefügt werden. Ein solcher Schaumstabilisator kann eine organische oberflächenaktive Substanz und blättchenartig ausgebildete Teilchen eines anorganischen Materials enthalten. Die Menge des Schaumstabilisators entspricht typischerweise einem Gehalt von ca. 0,15 bis ca. 2,5 Gewichts-%, bezogen auf das Gewicht des trockenen Zements = 100%. Die Auswahl solcher Zuschläge liegt innerhalb des Erfahrungsbereichs der auf dem Gebiet der Zementierung von Ölquellen tätigen Fachleuten.

Bei einer weiteren Art der Ausführung des Verfahrens werden Materialien, die bei der Umgebungstemperatur an der Erdoberfläche Flüssigkeiten sind, aber bei den Temperaturen am Wirkungsort des Zements gasförmig werden, eingesetzt und dem Zementschlamm vor dem Einbringen beigefügt. Das kann beispielsweise Propan oder Butan sein. Auch kann in Azeton unter Druck gelöstes Azetylen an der Erdoberfläche unter Druck mit dem Zementschlamm vermischt werden, das später bei den Temperaturen im Bohrloch als Gas freigesetzt wird.

Zur Modifikation der Eigenschaften des Zements nach dem Abbinden können auch noch andere gut bekannte und mögliche Zuschläge in den Zementschlamm eingebracht werden, beispielsweise zur Änderung der Abbindezeit und der Härtungsgeschwindigkeit des Zementschlamms. Solche Zuschläge enthalten unter anderem viskositätserhöhende Stoffe oder Dispergiermittel und Materialien, mit denen das Gewicht eingestellt wird.

Weiterhin können zusätzliche Dispersionsmittel verwendet werden, damit die Verwendung geringerer Wassermengen erleichtert und eine höhere Abbindefestigkeit des Zements erreicht wird. Auch können dem Zementschlamm reibungsvermindernde Stoffe, durch die eine größere Beweglichkeit der noch nicht abgebundenen Mischung bewirkt und das Einpumpen des Zementschlamms in den Ringraum erleichtert wird, in den Zementschlamm in Mengen entsprechend einem Gehalt von ca. 2,0 Gewichts-%, bezogen auf das Gewicht des trockenen Zements = 100% zugesetzt werden. Einige Zuschläge mit doppelter Funktion wie Ligninsulfonate, die sowohl als Dispergiermittel, wie auch als Abbindeverzögerer wirken, können ebenfalls dem Zementschlamm beigefügt werden, falls ihre Verwendung für die jeweilige Zementierungsaufgabe vorteilhaft ist.

Beschleuniger wie lösliche, anorganische Salze können zusätzlich zum Calciumchlorid in Gehalten bis zu ca. 8%, bezogen auf das Gewicht des trockenen Zements = 100% verwendet werden. Verzögerer werden dort, wo sie eingesetzt werden, in Mengen entsprechend einem Gehalt von ca. 0,1 bis zu 5,0 Gewichts-%, bezogen auf das Gewicht des trockenen Zement = 100% eingesetzt. Darüber hinaus können auch sonst verschiedene Arten von feinteiligen Zuschlägen oder Füllstoffen, wie Flugaschse, Quarzmehl, feiner Sand, Diatomeenerde, leichtgewichtige Stoffe und Hohlkugeln, zugesetzt werden.

Die Verwendung dieser Stoffe ist in diesem Bereich der Technik bekannt; sie können auch hier über weite Konzentrationsbereiche eingesetzt werden, solange sie im Hinblick auf die Stabilität des wesentlichen Gasbestandteils in diesen Zementmischungen verträglich sind.

Wie bereits angedeutet wurde, haben einige der vorerwähnten üblichen Zusätze die Fähigkeit, unzulässig hohe Flüssigkeitsverluste aus dem Zementschlamm während der Zeit des Abbindens zu verhindern.

Eine bevorzugte Mischung enthält Portlandzement der API-Klasse H, Wasser in einer Menge entsprechend ca. 35 bis 50 Gewichts-%, einen Flüssigkeitsverlustverhinderer in einer Menge entsprechend ca. 1 Gewichts-%, Calciumchlorid in einer Menge entsprechend ca. 2 Gewichts-% und relativ feines Aluminiumpulver in einer Menge entsprechend ca. 0,1 bis ca. 1,5 Gewichts-%, alle Gehaltsangaben bezogen auf das Gewicht des trockenen Zements = 100%. Eine solche Mischung ist bei ausschließlicher Variation in der Menge und Größe der Aluminiumteilchen sehr wirksam für die Hauptzementierung von Bohrlöchern in Tiefen von ca. 30,5 g (100 ft.) bis zu ca. 6096 m (20 000 ft.). Wie bereits vorstehend erläutert wurde, wird die Menge und Reaktionsgeschwindigkeit des Aluminiumpulvers in der Mischung entsprechend der Bohrlochtiefe, in welcher der Zementschlamm zum Einsatz kommen soll, verändert.

Die folgenden Beispiele sollen das vorstehend beschriebene Verfahren und einige der neuen kompressiblen Gaszemente, die dabei verwendet werden, erläutern. In allen Beispielen sind Gehaltsangaben in Gewichts-% auf das Gewicht des trockenen Zements = 100% bezogen.

Beispiel I

In einer ersten Gruppe von Versuchen werden abgemessene Mengen von hydraulischem Zement der API-Klasse H mit Wasser und verschiedenen Zuschlägen gemischt. Verschiedene Arten von handelsüblichem Aluminiumpulver sind in den Versuchs-Zementschlämmen enthalten. Diese Schlämme werden dann in ein Prüfgerät der in Fig. 1 gezeigten Art eingebracht. Das Prüfgerät enthält ein langgestrecktes Rohr 10 mit einem Innendurchmesser von ca. 5,1 cm (2 Zoll) und hat ein mit Schlitzen versehenes oder perforiertes Mittelteil 12. Um das geschlitzte Mittelteil 12 des Rohres 10 herum ist ein mit Wasser gesättigter, durchlässiger Ringkörper 14 fest angeordnet und bestimmt zusammen mit dem Mittelteil 12 einen Ringraum 16. Das ganze Prüfgerät ist von einem Wassermantel 17 umgeben, mit dem gleichförmig erhöhte Temperaturen erzeugt werden können.

Am Boden des Prüfgerätes ist eine Fülleitung 18 für den Zement über ein Füllventil 20 angeschlossen, durch die der Zementschlamm in das Prüfgerät eingeführt werden kann. Das Prüfgerät wird mit Zementschlamm gefüllt, bis dieser das Austrittsventil 22 am oberen Ende des Prüfgerätes erreicht. Nach Einbringen des Zementschlamms in das Prüfgerät wird dies geschlossen und von oben her durch Wasser aus einem Tank, in dem unter Stickstoff ein Druck von 34,5 bar (500 psi) erzeugt wird, unter Druck gesetzt. Der von oben her auf das Prüfgerät gegebene Druck gestattet die Simulierung des hydrostatischen Druckes der Zementsäule in einem wirklichen Bohrloch.

Drei ca. 30 cm lange Thermoelemente 24 werden zur Temperaturmessung in dem Zementschlamm von unten her in die Zementschlammsäule eingeführt. Die Temperaturmessungen dienen dazu, den Beginn des Abbindens des Zementschlamms festzustellen. Der Druck am Boden des Prüfgerätes wird über eine Gummimembran 26 übertragen und durch einen Druckschreiber registriert. Der Druck am unteren Ende des Prüfgerätes und die Temperatur werden bei jedem Versuch wiederholt und über eine Dauer von wenigstens 12 Stunden gemessen.

Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle I dargestellt. Außer im Versuch 12 enthalten alle Zementschlämme 48 Gewichts-% frisches Wasser, im Versuch 12 dagegen 51 Gewichts-% Seewasser. In allen Versuchen außer dem Versuch 12 werden Zement und Wasser zu einem Schlamm mit einer Dichte von 1,86 g/ml (15,5 1b/gal) gemischt, wobei die Ausbeute 34 Liter (1,2 ft³) pro Sack Zement beträgt.

In allen Versuchen außer den Versuchen 8 und 9 werden zur Verhinderung vorzeitiger Gelierung 2 Gewichts-% Calciumchlorid verwendet. Die in den Versuchen 8 und 9 eingesetzten Zementschlämme enthalten kein Calciumchlorid.

Die speziellen, jeweils verwendeten Aluminiumpulver sind in Tabelle II nach ihrer Korngrößenverteilung aufgetragen. Bei allen mit dem Prüfgerät ausgeführten Versuchen betrug der Aluminiumgehalt in jedem einzelnen Versuch 0,25 Gewichts-%. Bei den Versuchen 1 bis 7 wurde das Aluminiumpulver im trockenen Zustand mit dem Zementschlamm vermischt. Bei den Versuchen 8 bis 13 wurde das Aluminiumpulver zunächst mit Wasser vermischt, das eine kleine Menge eines Benetzungsmittels enthielt, und bei den Versuchen 14 und 15 wurde das Aluminium mit Ethylenglykol als Trägerflüssigkeit gemischt.

Bei den Versuchen 7 und 10 bis 15 sind die Temperatursprünge, die den Beginn des Abbindens der Zementschlämme anzeigen, nicht klar definiert, so daß der Beginn der Abbindezeit nicht bestimmt werden konnte.

Bei den Versuchen 1 bis 8 und 13 bis 15 wurde ein handelsübliches Copolymeres, bei den Versuchen 9 bis 12 eine handelsübliche Mischung aus einem modifizierten Polysaccharid und einem polymeren aromatischen Sulfonat als Flüssigkeitsverlustverhinderer verwendet.

Bei den Versuchen 10 bis 15 bestand das Dispergiermittel aus einem polymeren aromatischen Sulfonat.

Bei den Versuchen 13 bis 15 bestand der Verzögerer aus einem handelsüblichen, modifizierten Lignin.

Der Versuch 9 versagte wegen vorzeitiger Gelierung nach 20 Minuten.

Die Tabelle II zeigt eine Korngrößenanalyse verschiedener Typen des Aluminiumpulvers, die mit Ausnahme des Typs A aus der Schwächung von Röntgenstrahlen durch Proben, in denen das Aluminium durch Ultraschall dispergiert wurde, gewonnen wurde. Die Daten für den Typ A wurden durch Siebanalyse ermittelt. In der Tabelle sind die Anteile des Pulvers mit den angegebenen maximalen Formgrößendurchmessern in Prozent der Gesamtmenge angegeben.

Tabelle II


Man erkennt aus der Tabelle I, daß das relativ grobe, im Versuch 1 verwendete Aluminiumpulver nicht rasch genug reagiert, um den anfänglichen simulierten hydrostatischen Druck innerhalb der Säule von Zementschlamm aufrechtzuerhalten bis das Abbinden nach 2S Stunden nach Versuchsbeginn einsetzt. Dabei sollte jedoch beachtet werden, daß im allgemeinen die in den Ringraum eingebrachten Zementschlämme anfänglich einen hydrostatischen Druck haben, der größer ist als der des Bohrschlamms zum Bohren des Bohrlochs. Aus diesem Grunde übersteigt der anfängliche hydrostatische Druck oft den Gasdruck eines möglicherweise übertretenden Gases um ein Beträchtliches, so daß ein gewisser Abfall des hydrostatischen Drucks hingenommen werden kann, solange er oberhalb des Drucks des Formationsgases bleibt.

Bei Gebrauch des feineren Aluminiumpulvers von Typ C in Versuch 3 ist die Gesamtwirksamkeit des Aluminiumpulvers sehr gut, wobei sich während der ersten Stunde eine Druckzunahme bis zu 47,6 bar (690 psi) aufbaut. Weiterhin fällt der Druck erst nach 9 Stunden unter den Anfangsdruck von 34,5 bar (500 psi) zu Beginn des Versuchs ab. In diesem Fall erfolgt das Abbinden des Zementschlamms nach 3S Stunden.

Der Versuch 8 ist der erste, bei dem ein Zementschlamm, der kein Calciumchlorid enthielt, eingesetzt wurde. Wie sich aus einem Vergleich mit dem Versuch 3 ergibt, in dem der gleiche Zementschlamm mit Calciumchlorid verwendet wurde, wird die Gesamtwirksamkeit des Zementschlamms durch den Zusatz von Calciumchlorid verbessert. Im Fall des Versuchs 3 beträgt die Zeit für den Abfall des Drucks unter den Wert von 34,5 bar (500 psi) 9 Stunden, während der gleiche Zementschlamm ohne Calciumchlorid den Druck nur für 4S Stunden oberhalb des anfänglichen hydrostatischen Drucks hält.

Der Versuch 12 wurde durchgeführt um zu bestimmen, ob die Zementschlämme auch unter Verwendung von Seewasser gemischt werden können und so an Unterwasserbohrungen angepaßt werden können. In diesem Zementschlamm wird eine relativ große Menge eines reibungsvermindernden Dispergiermittels zugesetzt, um die sehr hohen Viskositäten zu steuern, die beim Mischen des Zementschlamms auftreten. Die Versuchsergebnisse werden als einigermaßen erfolgreich angesehen, wobei ein Maximaldruck von 40,7 bar (590 psi) erreicht wird und über 5S Stunden ein Druck oberhalb von 34,5 bar (500 psi) aufrechterhalten wird.

Im Versuch 15 wird der anfänglich durch Druckwasser auf das obere Ende der Zementschlammsäule ausgeübte Druck auf 69 bar (1000 psi) erhöht, um die Verhältnisse bei der Zementierung tieferer Bohrungen zu simulieren. Wegen dieses höheren Drucks ist die während der Gasentwicklung beobachtete Druckzunahme klein im Vergleich zu den übrigen, bei einem Anfangsdruck von 34,5 bar (500 psi) durchgeführten Versuchen. Die Versuchsergebnisse werden nichtsdestoweniger als gut angesehen, da ein Druck oberhalb von 69 bar (1000 psi) für über 29 Stunden aufrechterhalten wird.

Beispiel II

In dem in Fig. 1 dargestellten Prüfgerät wird ein Versuch mit einem Zementschlamm ausgeführt, in den bei der Mischung Stickstoff eingeführt wurde. Der Zementschlamm ist folgendermaßen zusammengesetzt: Zement der API-Klasse H, 53 Gewichts-% Wasser, 0,75 Gewichts-% eines handelsüblichen Flüssigkeitsverlustverhinderers (modifiziertes Polyacrylamid), 2,0 Gewichts-% Calciumchlorid, 2,0 Gewichts-% eines handelsüblichen oberflächenaktiven Schwefelsäureesters, 0,5% eines handelsüblichen Schaumstabilisators. Während der Mischung des Zementschlamms wird Stickstoff in diesen in ausreichender Menge eingeführt, um bei einem anfänglichen hydrostatischen Druck von 54,5 bar (500 psi) einen Gasanteil von ungefähr 10 Volum-% in dem Zementschlamm zu ergeben.

Nach Überführung in das Prüfgerät und Aufbringen des hydrostatischen Drucks wird ein Maximaldruck von 37,9 bar (550 psi) 1 Stunde nach Versuchsbeginn erreicht. Über 2 Stunden und 45 Minuten bleibt der Druck oberhalb von 44,5 bar (500 psi). Es wurde festgestellt, daß das Abbinden nach 1 Stunde und 50 Minuten erfolgt. Der Versuch wird als erfolgreich angesehen.

Beispiel III

Zu Vergleichszwecken wird ein handelsüblicher, expandierender Zement, das ist ein Portlandzement, der wasserfreies Calciumsulfoaluminat enthält, mit 46 Gewichts-% Wasser, 2 Gewichts-% Calciumchlorid, 1 Gewichts-% eines handelsüblichen Flüssigkeitsverlustverhinderers (Polyacrylamide) und 0,25 Gewichts-% eines handelsüblichen Verzögerers (modifiziertes Lignin) gemischt. Der so zusammengesetzte Zementschlamm wird in dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Prüfgerät mit einem Anfangsdruck von 34,5 bar (500 psi) in der bereits vorher beschriebenen Weise geprüft. Bei diesem Zementschlamm tritt nach 10 Minuten keine Übertragung des Drucks auf das untere Ende der Zementschlammsäule mehr auf.

Beispiel IV

Ein wie in dem Beispiel 3 hergestellter Zementschlamm, aber mit einem Gehalt von 64 Gewichts-% Wasser wird wie vorher mit einem Druck von 34,5 bar (500 psi) beaufschlagt und geprüft. Nach 15 Minuten fällt der Druck sehr rasch auf einen Wert von 8,3 bar (120 psi).

Beispiel III und dieses Beispiel zeigen, daß die expandierenden Eigenschaften des handelsüblichen Expansionszementes keine Verbesserung in der Fähigkeit des Zementschlamms zur Übertragung von hydrostatischem Druck erbringen.

Beispiel V

In einer weiteren Versuchsreihe mit entsprechend ausgebildeten Rohren in dem Prüfgerät werden Gasvolumina und die Kompressibilität von Zementschlämmen im Laufe der Reaktion verschiedener Typen von Aluminiumpulvern bestimmt, die den Zementschlämmen in verschiedenen Konzentrationen zugesetzt wurden. Bei diesen Versuchen wurden Bohrlochverhältnisse mit hohen Drücken und Temperaturen simuliert, wobei die Temperaturen im Bereich von 60 bis 110°C (140 bis 230°F) und die Drücke im Bereich von 138 bis 655 bar (2000 bis 9500 psi) lagen. In allen Versuchen wurde Zement der API-Klasse H verwendet; der Zementschlamm enthielt 46 Gewichts-% Wasser und 1 Gewichts-% eines handelsüblichen Flüssigkeitsverlustverhinderers, der eine Mischung aus einem modifizierten Polysaccharid und einem polyaromatischen Sulfonat darstellte.

Die in diesen Versuchen ermittelten Kompressibilitäten, Gasvolumina und Reaktionsgeschwindigkeiten sind in Tabelle III dargestellt.

Die verschiedenen Typen von Aluminiumpulver sind nach ihrer Formgrößenanalyse in Tabelle II dargestellt. Die Kompressibilität ist in Einheiten von µ dv/v pro Atmosphäre angegeben.

In der siebten Spalte der Tabelle III ist das Gasvolumen bezogen auf das Volumen des Zementschlamms angegeben, das theoretisch durch die Reaktion des Aluminiums in dem Zementschlamm erzeugt wird. In der Spalte 8 ist das Gasvolumen angegeben, das sich aus der gemessenen Kompressibilität ergibt. Bei den Versuchen 2 und 4 bis 6 war die Umsetzung des Aluminiums bei Versuchsende noch nicht vollständig. Beim Versuch 5 wurden dem Zementschlamm zur Beschleunigung der Reaktion des Aluminiums 3% Salz und 0,5% Natriumthiosulfat zugefügt.

Die in Tabelle III dargestellten Versuchsergebnisse zeigen, daß dann, wenn die Reaktion des Aluminiums vor dem Beginn des Abbindens des Zements abgelaufen ist wie in den Versuchen 3 und 8 bis 10, die aus den gemessenen maximalen Kompressibilitäten errechneten Gasvolumina praktisch den theoretisch berechneten Gasvolumina aus dem Verbrauch des Aluminiums gleich sind. Bei einem Gehalt an Aluminiumpulver von 1 Gewichts-% lassen sich leicht Kompressibilitäten bis zu 100 µv/v pro Atmosphäre nach den API-Vorschriften für eine Verrohrung in Tiefen von 3048 m (10 000 ft.) Tiefe erreichen. Die Daten zeigen auch, daß bei einer bestimmten eingesetzten Aluminiummenge die Kompressibilität proportional mit dem Abfall des Drucks zunimmt. Darüber hinaus ergibt sich, daß die feineren Aluminiumteilchen sehr viel schneller als die gröberen Aluminiumteilchen reagieren und die Reaktionsgeschwindigkeit mit der Temperatur zunimmt.

Nach Beendigung der Versuche wurde das Prüfgerät auseinandergenommen, und die abgebundenen Zementstopfen wurden untersucht. Dabei ergab sich kein Hinweis darauf, daß bei irgendeinem Versuch eine Abtrennung des Gases erfolgt war.

Beispiel VI

Eine Versuchsreihe wurde mit Zementschlämmen aus Zement der API-Klasse H durchgeführt, die verschiedene Typen von Aluminiumpulver in einer Konzentration von 0,143 Gewichts-% enthielten. Bei jedem Versuch wurden zunächst 50 Milliliter des Testschlamms in einen Meßzylinder von 250 Milliliter eingefüllt; die Reaktion lief in diesem Zementschlamm unter Atmosphärendruck ab. Die Versuche wurden bei zwei verschiedenen Temperaturen, nämlich bei 60°C (140°F) und 9,3,°C (200°F) durchgeführt. Die Zunahme des Gesamtvolumens des Zementschlamms in % wurde zu verschiedenen Zeiten während der Reaktion gemessen und dadurch die Gasbildung durch das Aluminiumpulver bestimmt. Bei allen Versuchen wird eine theoretische Zunahme des Volumens des Zementschlamms auf 270% für die vollständige Reaktion des zugesetzten Aluminiumpulvers angenommen, falls kein Gas durch Schäumen aus dem Zementschlamm ausbricht. Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle IV dargestellt. Tabelle IV



Die in der Tabelle IV mit N bezeichneten Versuche wurden mit einem Zementschlamm mit einem Wassergehalt von 38 Gewichts-% durchgeführt.

Die in der Tabelle IV mit H bezeichneten Versuche wurden mit einem Zementschlamm mit einem Wassergehalt von 46 Gewichts-% und dem Zusatz eines Flüssigkeitsverlustverhinderers in einer Konzentration von 1 Gewichts-% durchgeführt. Der Flüssigkeitsverlustverhinderer war eine handelsübliche Mischung eines Zellulosederivates und eines polyaromatischen Sulfonates.

Bei den Versuchen 15 und 16 wurde das Aluminiumpulver vor dem Zusatz in dem zu der Mischung verwendeten Wasser vorgemischt.

In Versuch Nr. 17 wurde das Aluminiumpulver durch Behandlung mit verdünnter Salzsäure vorgereinigt.

Aus den Versuchsergebnissen der Tabelle IV kann man entnehmen, daß Zuschläge zu dem Zementschlamm mit dem Aluminiumpulver die Reaktionsgeschwindigkeit des Aluminiumpulvers in ähnlicher Weise beeinflussen wie ihre normale Wirkung auf die Eindickungszeit des Zementschlamms ist. So wirken die hier verwendeten Flüssigkeitsverlustverhinderer in den meisten Zementschlammformulierungen auch als Verzögerer und bewirken eine Verlangsamung der Reaktion des Aluminiums. Calciumchlorid, Salz und eine Kombination von Salz und Natriumthiosulfat beschleunigen die Reaktion.

Die Versuchsergebnisse in Tabelle IV zur Expansion des Zementschlamms unter Atmosphärendruck zeigen ebenfalls, daß das in Versuch 31 verwendete relativ feine Aluminiumpulver recht rasch reagiert, wobei eine Expansion auf 177% in nur 10 Minuten erfolgt. Wenn ein gröberes Aluminiumpulver der Art, die in Tabelle II als Typ G bezeichnet ist, in dem gleichen Zementschlamm verwendet wird, beträgt die Expansion in 10 Minuten nur 5% bei der gleichen Temperatur, wie Versuch 6 zeigt.

Offenbar sind diese Aluminiumteilchen besser für einen Zementschlamm geeignet, der relativ langsam eingebracht wird und eine relativ lange Abbindezeit hat.

Die Expansionsversuche unter Atmosphärendruck zeigen auch, daß die Reaktionsgeschwindigkeit des Aluminiumpulvers sehr stark von der Temperatur beeinflußt wird. So zeigt im Versuch 29 ein Zementschlamm mit Aluminiumpulver vom Typ D der Tabelle II bei 60°C (140°F) nach 10 Minuten eine Ausdehnung von 0%, aber nach Versuch 33 bei einer Temperatur von 93,3°C (200°F) eine Expansion um 148%.

Beispiel 7

Unter Anwendung des im Zusammenhang mit Beispiel 1 beschriebenen Prüfverfahrens wurden in dem Prüfgerät Versuche mit zwei Zementschlämmen durchgeführt, von denen einer eine mittlere Menge eines Flüssigkeitsverlustverhinderers enthielt und der andere keinen solchen Zusatz. Jeder der Zementschlämme enthielt Zement der API-Klasse H, 40 Gewichts-% Wasser, 2 Gewichts-% Calciumchlorid und 0,25 Gewichts-% Aluminiumpulver des Typs C (vgl. Tabelle II). Die Versuche wurden mit einem die Mitte des Prüfgerätes umgebenden Ringkörper niedriger Durchlässigkeit durchgeführt; der am oberen Ende des Prüfgerätes anliegende Druck betrug 34,5 bar (500 psi) und die Temperatur 60°C (140°F). In dem Versuch mit dem Zementschlamm ohne Flüssigkeitsverlustverhinderer wurde der am anderen Ende des Prüfgerätes auftretende Druck ständig über eine Wassersäule mit einer Geschwindigkeit von ca. 10 ml pro Minute abgelassen. Der am unteren Ende des Prüfgerätes auftretende Druck wurde während des Versuchs ständig aufgezeichnet.

Der zweite Zementschlamm mit einem Gehalt von 0,5% eines handelsüblichen Wasserverlustverhinderers wurde unter den gleichen Bedingungen geprüft, außer daß der Druck am unteren Ende des Prüfgerätes mit einer Geschwindigkeit von 2 ml Wasser pro Minute abgelassen wurde.

Bei dem Zementschlamm ohne Wasserverlustverhinderer fällt der Druck am unteren Ende des Prüfgerätes nach 92 Minuten auf einen Wert von 15 bar (218 psi). Bei dem Zementschlamm mit dem mittleren Gehalt des Flüssigkeitsverlustverhinderers bleibt der Druck am unteren Ende der Säule oberhalb von 34,5 bar (500 psi) über 55 Minuten; er bleibt 2 Stunden und 40 Minuten oberhalb von 27,6 bar (400 psi) und 4 Stunden und 20 Minuten oberhalb von 20,7 bar (300 psi).

Beispiel 8

Eine Versuchsreihe mit Zementschlämmen, die Aluminiumpulver der Typen B und C (vgl. Tabelle II) enthielten, wurden mit dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Prüfgerät durchgeführt. Die Zementschlämme enthielten verschiedene Arten von handelsüblichen Flüssigkeitsverlustverhinderern, und in zwei Versuchen wurden andere Arten von Zement eingesetzt. Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle V dargestellt.

Bei diesen Versuchen wurden die Temperatur des Zementschlamms, der an das obere Ende der Zementschlammsäule angelegte Druck und der am unteren Ende auftretende Druck periodisch über wenigstens 12 Stunden gemessen. Dabei wurde überwiegend ein Ausgangsdruck von 34,5 bar (500 psi) am oberen Ende der Säule angelegt, ein den Mittelteil der Säule umgebender Ringkörper von niedriger Durchlässigkeit verwendet und der Druck am unteren Ende der Säule während des Versuches nicht abgelassen. In den Versuchen 2 und 4 wurde am oberen Ende der Zementschlammsäule ein Ausgangsdruck von 69 bar (1000 psi) anstelle des Druckes von 34,5 bar (500 psi) angelegt. In Versuch 6 wurde in den Zementschlamm bei der Mischung Kohlendioxid eingebracht.

Die Zementschlämme der Versuche 1 bis 4 und 7 enthielten 0,25 Gewichts-% eines handelsüblichen Dispergiermittels (polymeres aromatisches Sulfonat der Art, wie in US-PS 33 58 225 und 33 59 225 beschrieben).

Die Zementschlämme der Versuche 1 bis 4 und 6 enthielten 2,0 Gewichts-% Calciumchlorid.

Die Sorten des Zements sind bei den Versuchen 1 bis 6 entsprechend den API-Klassen angegeben; in Versuch 7 wurde ein Zement der Sorte Ciment Fondu eingesetzt.

In dem Versuch 5 enthielt der Zementschlamm außer den angegebenen Komponenten noch 4 Gewichts-% Betonit und 10,4 kg/sk (23 lbs/sk) Gilsonite.

In Versuch 6 enthielt der Zementschlamm zusätzlich 2 Gewichts-% einer handelsüblichen oberflächenaktiven Substanz (Howco suds) und 0,5 Gewichts-% eines handelsüblichen Polyethylenoxids (Carbo Wax).

Die Ergebnisse der Versuche 1 bis 4 zeigen, daß die beiden Typen von in den Zementschlämmen untersuchten Aluminiumpulvern keine großen Unterschiede in ihrer Wirksamkeit bei der Gasentwicklung aufweisen. Der Unterschied in den Korngrößen bei diesen beiden relativ feinen Aluminiumpulvern ist daher bei den untersuchten Zementschlämmen relativ wenig signifikant.

Der Versuch 5 betrifft einen Zementschlamm mit hohem Wasseranteil. Die Ergebnisse dieses Versuchs deuten darauf hin, daß ein hoher Wassergehalt in dem Zementschlamm die Aufrechterhaltung des Drucks nicht schädlich beeinflußt.

Der Zementschlamm in Versuch 6 enthält eine oberflächenaktive Substanz, um das eingebrachte Kohlendioxidgas, das anstelle von Aluminiummetall zur Gaserzeugung verwendet wird, zu stabilisieren und in dem Zementschlamm verteilt zu halten. Im Laufe des Versuchs wurde mehr als eine große Kohlendioxidflasche unter einem angezeigten Druck von 34,5 bar (500 psi) vor dem Einbringen in das Prüfgerät in den Zementschlamm eingeführt, ohne daß dabei eine erkennbare Volumenänderung beobachtbar war. Im Prüfgerät fällt der Druck am unteren Ende der Zementsäule innerhalb von 18 Minuten auf Werte unterhalb von 34,5 bar (500 psi) und in 40 Minuten auf 5,9 bar (85 psi). Aus diesen Versuchen wird geschlossen, daß Kohlendioxid im Wasser des Zementschlamms zu weitgehend löslich ist und/oder gegenüber dem Portlandzement zu reaktionsfähig ist, um anstelle eines Gasbildners diesem Zementschlamm bei seiner Herstellung zugesetzt zu werden. Es ist jedoch zu beachten, daß bei einem Zement mit hohem Gipsanteil die Beimischung von Kohlendioxid zu einem Zementschlamm führt, der wirksam zur Unterdrückung von Gaseinbrüchen eingesetzt werden kann.

Der in Versuch 7 eingesetzte spezielle Zement ist kein Portlandzement, sondern ein Zement mit hohem Gehalt an Tricalciumaluminat. In dem Versuch blieb der Druck über mehr als 18 Stunden auf einem Wert oberhalb von 34,5 bar (500 psi).

Beispiel 9

Eine Anzahl von Zementschlämmen werden aus Portlandzement unter Zusatz verschiedener Abbindeverzögerer und Beschleuniger hergestellt. Die Zementschlämme enthalten weitere Stoffe, um ihre Gasbildungsfähigkeit zu untersuchen. Die Zementschlämme werden unter einem Druck von 138 bar (2000 psi) in das Prüfgerät eingebracht. Der die Prüfzelle umgebende Wassermantel wird im Laufe der Versuche auf verschiedene Temperaturen im Bereich zwischen 60 und 98,9°C (140 und 210°F) erhitzt.

Während jedes Versuchs wird die Temperatur im Inneren des Prüfgerätes nach der Druckaufgabe und Beginn der Aufheizung des Umlaufwassers in dem Wassermantel in bestimmten Zeitabständen gemessen. Zu den Zeitpunkten der Temperaturmessung wird auch die Volumzunahme der Zementschlämme bestimmt, falls eine solche Volumzunahme erfolgt ist, und diese Volumzunahme wird um die thermische Ausdehnung korrigiert, um die Volumzunahme in % durch das entwickelte Gas zu bestimmen. Am Ende jeder Versuchszeit wird die Kompressibilität des untersuchten Zementschlamms gemessen und aus der Kompressibilität der Prozentgehalt an Gas berechnet.

Die Versuchsergebnisse sind in den Tabellen VIa und VIb dargestellt.

In den Tabellen VIa, b wird mit F ein Zementschlamm der folgenden Zusammensetzung bezeichnet: Zement der API-Klasse H, 46 Gewichts-% Wasser, 1 Gewichts-% eines handelsüblichen Flüssigkeitsverlustverhinderers.

In den Tabellen VIa, b ist mit G ein Zementschlamm der folgenden Zusammensetzung bezeichnet: Zement der API-Klasse H, 48 Gewichts-% Wasser, 2 Gewichts-% Calciumchlorid, 1 Gewichts-% eines handelsüblichen Verzögerers.

Bei den Versuchen in Tabelle VIb mit den Gasbildnern ZrOCl&sub2;, ZrCl&sub4; und CaC&sub2; war der Zementschlamm nach 80 Minuten gebunden.

Beispiel 10

Verschiedene in Beispiel 9 auf ihre Gasbildungsfähigkeit bei einem Druck von 138 bar (2000 psi) untersuchte Stoffe werden auch bei Atmosphärendruck und einer konstanten Badtemperatur von 60°C (140°F) untersucht. Bei diesen Versuchen besteht der Zementschlamm jeweils aus Zement der API-Klasse H und enthält 46 Gewichts-% Wasser und 1 Gewichts-% eines handelsüblichen Flüssigkeitsverlustverhinderers. Die Versuche wurden in einer Apparatur ausgeführt, die die direkte Messung der Gasverdrängung unter einem Gegendruck einer Wassersäule von 2,54 cm (1 Zoll) gestattet. Wahlweise wurden verschiedene Mengen und Arten von Beschleunigern zu dem Zementschlamm zugegeben.

Während des Versuchs wurde zu bestimmten Zeiten die entwickelte Gasmenge bestimmt. Die entwickelten Gasmengen werden nachfolgend in der Tabelle VII als Volumteile Gas unter Normalbedingungen pro Volumteil des untersuchten Zementschlamms angegeben.



Tabelle VIIb


In der Tabelle VIIa sind die Ergebnisse von Versuchen dargestellt, die in Abwesenheit oder in Anwesenheit bestimmter Beschleuniger ausgeführt worden sind. Nachfolgend sind die Beschleuniger und ihre Konzentration im Zementschlamm in Gewichts-% angegeben. 1: Kochsalz, 3 Gewichts-%. 2: Natriumthiosulfat, 1 Gewichts-%. 3: Calciumchlorid, 2 Gewichts-%. 4: Calciumchlorid, 2 Gewichts-%, und Natriumthiosulfat, 0,5 Gewichts-%. 5: Natriumhydroxid, 1 Gewichts-%. Die Versuche in Tabelle VIIb sind ohne Zusatz von Beschleunigern durchgeführt worden.

Die in den Tabellen VIa, b und VIIa, b zeigen, daß eine Reihe von Chemikalien zur Gaserzeugung im Zementschlamm am Wirkungsort eingesetzt werden können, daß aber ihre Verwendbarkeit von dem Druck abhängig ist, der am Wirkungsort im Bohrloch auf dem Zementschlamm lastet. So zeigen einige der verwendeten Stoffe bei einem Druck von 138 bar (2000 psi) keine gute Wirksamkeit, während sie bei Atmosphärendruck beträchtliche Mengen von Gas entwickeln.

Beispiel 11

Feldversuche wurden mit einer Zwischenverrohrung bei zwei Unterwasserbohrungen im Golf von Mexico durchgeführt. Bei Bemühungen zum Ausbau sechs anderer Bohrungen von der gleichen Plattform traten nach der Zementierung mit einem Zement üblicher Zusammensetzung ohne darin verteiltes Gas Gaseinbrüche auf.

Bei einem der Feldversuche hat die Verrohrung einen Durchmesser von 24,45 cm (9 und 5/8 Zoll); die gesamte vertikale Tiefe der Bohrung beträgt 1524 m (5000 ft.) mit einer Umlauftemperatur am Grunde der Bohrung von 32,2°C (90°F).

Der Zementschlamm wird durch Mischung aus einem Zement der API-Klasse H erhalten und enthält 48 Gewichts-% frisches Wasser, 0,75 Gewichts-% eines handelsüblichen Flüssigkeitsverlustverhinderers, 0,4 Gewichts-% eines handelsüblichen reibungsvermindernden Dispergiermittels, 2,0 Gewichts-% Calciumchlorid, 0,2 Gewichts-% eines handelsüblichen Verzögerers aus modifiziertem Ligninsulfonat und 0,27 Gewichts-% Aluminiumpulver. Vor dem Vermischen mit dem Zement wird das Aluminiumpulver mit Ethylenglykol, das eine kleine Menge einer handelsüblichen oberflächenaktiven Substanz enthält, gemischt, so daß ein Gesamtvolumen von 17 l (4,5 gals) entsteht, das 4,54 kg (10 lbs) Aluminiumpulver enthält. Das verwendete Aluminiumpulver ist von der Art, die in Tabelle II mit B bezeichnet ist.

Zunächst wird ein Schub von 1,5 Kubikmeter (13 barrels) Wasser in das Bohrloch gepumpt und dann die Vermischung des Zements begonnen. Der Anfang des Zementpfropfens wird um 11.45 Uhr eingeführt und erreicht den Grund der Bohrung um 12.45 Uhr. Zur Herstellung des Zementschlamms werden ungefähr 1600 Sack Zement mit 23,1 m³ (200 barrels) Frischwasser gemischt, das das Aluminiumpulver in der alkoholischen Trägerflüssigkeit enthält, so daß die angegebene Konzentration von Aluminiumpulver in dem Zementschlamm erhalten wird. Der Zementschlamm läßt sich ohne Schwierigkeit vermischen, und es werden keine hohen Viskositäten beobachtet.

Insgesamt erweist sich die Zementierung als erfolgreich, und es tritt bei dieser Bohrung über den mit Zement gefüllten Ringraum kein Gas an die Oberfläche aus.

Bei einer zweiten Bohrung, bei der die Zementierung einer Zwischenverrohrung durchgeführt wird, wird das obere Ende der Zementsäule bis auf eine gemessene Tiefe von 1124 m (3686 ft.) gebracht, während sich das untere Ende der Verrohrung auf einer gemessenen Tiefe von 2440 m (8005 ft.) befindet. Für die Zementierung dieser Bohrung werden 1600 Sack Zement der API-Klasse H eingesetzt. Der Zementschlamm enthält 1 Gewichts-% eines handelsüblichen Flüssigkeitsverlustverhinderers, 2 Gewichts-% Calciumchlorid, 0,25 Gewichts-% eines handelsüblichen Entlüftungsmaterials, durch das die Lufteinschlüsse in dem Zement vermindert werden, und 0,25 Gewichts-% eines feinen Aluminiumpulvers. Dem Zement und den anderen trockenen Zuschlägen wird Wasser in einer solchen Menge zugefügt, daß der entstehende Zement eine Dichte von 1,85 g/ml (15,5 lbs/gal) hat.

Die Dichte des durch den Zementschlamm bei der Zementierung verdrängten Bohrschlamms beträgt 1,58 g/ml (13,2 lbs/gal). Nach dem Abschluß der Einbringung des Zements wurde der Sitz der Verrohrung geprüft und festgestellt, daß dieser einen Schlamm mit einer Dichte entsprechend 2,12 g/ml (17,7 lbs/gal) hält. Das deutet auf eine ausgezeichnete Bindung des Zements an die Verrohrung und die Formation und auf eine ausgezeichnete Dichtung durch den Zement. Es werden keine Umlaufverluste beobachtet, und es tritt auch nach langen Beobachtungszeiten kein Gas an der Oberfläche aus.

Bei einer von der gleichen Plattform ausgehenden dritten Bohrung wurde ebenfalls eine Zwischenverrohrung zementiert, wobei sich das obere Ende der Zementsäule auf einer gemessenen Tiefe von 1054 m (3459 ft.) und das untere Ende der Verrohrung auf einer gemessenen Tiefe von 2558 m (8392 ft.) befindet. Zur Zementierung werden 1826 Sack Zement eingesetzt, der aus einer 1 : 1-Mischung von Puzzolanzement und Zement der API-Klasse H besteht. Der wäßrige Zementschlamm enthält ferner 10 Gewichts-% Salz, 0,75 Gewichts-% eines handelsüblichen Reibungsverminderers und Seewasser, das mit den trockenen Bestandteilen in einer solchen Menge vermischt wird, daß ein Zementschlamm mit einer Dichte von 1,74 g/ml (14,5 lbs/gal) entsteht.

Nach Einbringen dieses Zementschlamms wird ein Zementschlamm nachgeschickt, der aus 986 Sack Zement der API-Klasse H und Seewasser in einer solchen Menge gebildet ist, daß der Zementschlamm eine Dichte von 1,92 g/ml (16,0 lbs/gal) erhält. Dieser Zementschlamm enthält 10 Gewichts-% Salz und 0,75 Gewichts-% eines handelsüblichen Reibungsverminderers.

Die Dichte des bei der Zementierung verdrängten Schlamms beträgt 1,58 g/ml (13,2 lbs/gal). Vor dem Einbringen des Zements wird der Schlamm umgepumpt bis er frei von Gas ist. Nach dem Zementieren der Bohrung wird beobachtet, daß nach 1 Stunde und 30 Minuten Gas an der Oberfläche auszutreten beginnt.

Bei einer weiteren von der gleichen Plattform ausgehenden Bohrung werden zur Zementierung einer Zwischenverrohrung, die von einer gemessenen Tiefe von 2344 m (7690 ft.) ausgeht, 1300 Sack Zement der vorerwähnten Mischung aus Puzzolanzement und Zement der API-Klasse H in den Ringraum eingebracht. Dieser Zementfüllung folgen weitere 500 Sack Zement der API-Klasse H, die mit Seewasser in einer solchen Menge gemischt werden, daß ein Zementschlamm einer Dichte von 1,92 g/ml (16 lbs/gal) entsteht. Der durch den Zement verdrängte und zunächst bis zur Gasfreiheit umgepumpte Schlamm hat eine Dichte von 1,57 g/ml (13,1 lbs/gal). Nach Abschluß der Zementierung bleibt die Bohrung über 12 Stunden tot, und es werden keine Umlaufverluste beobachtet. Vor der Ausbohrung wird die Verrohrung auf einen Druck von 345 bar (5000 psi) und mit einem Schlamm der Dichte 1,57 g/ml (13,1 lbs/gal) geprüft. 140 Stunden nach dem Abschluß der Zementierung wird an der Oberfläche Gas beobachtet, das durch die zementierte Zone des Ringraums hindurchtritt.

Bei weiteren zwei von der gleichen Plattform ausgehenden Bohrungen werden Zwischenverrohrungen mit Zementschlämmen einer Dichte von 1,87 g/ml (15,6 lbs/gal) zementiert, die unter Verwendung von Seewasser hergestellt wurden und keinen Gasbildner enthielten. Bei einer der Bohrungen tritt 1 Stunde nach Einbringen des Zementpfropfens Gas durch den Ringraum an die Oberfläche. Bei der zweiten Quelle tritt 35 Minuten nach Abschluß der Zementierung und Einbringen des Zementpfropfens Gas an der Oberfläche aus.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Verhinderung des Gasübertritts aus einer gasführenden Formation in den Ringraum zwischen einer Bohrlochverrohrung und einem Bohrloch, bei dem in den Ringraum über die Fläche der gasführenden Formation Zementschlamm eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zementschlamm ein Gas in einer solchen Menge eingemischt wird, daß vor dem Abbinden des Zementschlamms unter Ausbildung eines gehärteten Zustandes die Abnahme des Porendrucks in dem Zementschlamm im Bereich der gasführenden Formation gegenüber dem anfänglichen hydrostatischen Druck des Zementschlamms in diesem Bereich geringer ist als die Differenz zwischen dem anfänglichen hydrostatischen Druck und dem Vorratsdruck in der gasführenden Formation vor dem Abbinden des Zementschlamms unter Ausbildung des gehärteten Zustandes.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die eingemischte Gasmenge die Kompressibilität des Zementschlamms um mindestens 25% über die Kompressibilität des Zementschlamms ohne den Gaszusatz erhöht wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas vor der Einbringung des Zementschlamms in den Ringraum in den Zementschlamm eingemischt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zementschlamm vor der Einbringung in den Ringraum ein Gasbildner eingemischt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasbildner aus der Gruppe Flüssigkeiten, die am Wirkungsort gasförmig sind, und Stoffen, die in dem Zementschlamm unter Gasentwicklung reagieren, ausgewählt werden.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der unter Gasentwicklung reagierende Stoff aus fein verteilten, in dem Zementschlamm Wasserstoff entwickelnden Metallen, Calciumnitrid, Zirkonylchlorid, Zirkoniumtetrachlorid, Calciumcarbid, Kaliumtetrahydroborat oder deren Mischung ausgewählt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zementschlamm beim Mischen und vor der Einbringung in den Ringraum zur Gasentwicklung fein verteiltes Aluminium in einer Menge im Bereich von 0,02 bis 5,0 Gewichts-%, bezogen auf das Gewicht von trockenem Zement in dem Zementschlamm = 100, beigemischt wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zementschlamm ein den Flüssigkeitsverlust steuernder, mit der Gaserzeugung und dem Zementschlamm verträglicher Zusatz eingemischt wird und der Zusatz den Flüssigkeitsverlust aus dem Zementschlamm am Wirkungsort und vor dem Abbinden um mindestens 25% gegenüber dem Flüssigkeitsverlust aus dem Zementschlamm ohne diesen Zusatz vermindert.
  9. 9. Zementschlamm zur Zementierung des Ringraums zwischen einer Bohrlochverrohrung und einem Bohrloch, um den Gasübertritt aus einer gasführenden Formation in den Ringraum zu verhindern, gekennzeichnet durch ein in dem Zementschlamm in einer solchen Menge enthaltendes Gas, daß vor dem Abbinden des Zementschlamms unter Ausbildung eines gehärteten Zustandes die Abnahme des Porendrucks in dem Zementschlamm im Bereich der gasführenden Formation gegenüber dem anfänglichen hydrostatischen Druck des Zementschlamms in diesem Bereich geringer ist als die Differenz zwischen dem anfänglichen hydrostatischen Druck und dem Vorratsdruck in der gasführenden Formation vor dem Abbinden des Zementschlamms unter Ausbildung des gehärteten Zustandes.
  10. 10. Zementschlamm nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Zementschlamm enthaltene Gasmenge die Kompressibilität des Zementschlamms um mindestens 25% über die Kompressibilität des Zementschlamms ohne den Gaszusatz erhöht.
  11. 11. Zementschlamm nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Zementschlamm enthaltene Gas aus einem in den Zementschlamm eingemischten Gas besteht.
  12. 12. Zementschlamm nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch einen Gasbildner, der aus der Gruppe Flüssigkeiten, die am Wirkungsort gasförmig sind, und Stoffen, die in dem Zementschlamm unter Gasentwicklung reagieren, ausgewählt ist.
  13. 13. Zementschlamm nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der unter Gasentwicklung in dem Zementschlamm reagierende Stoff aus fein verteiltem, in dem Zementschlamm Wasserstoff entwickelnden Metall, Calciumnitrid, Zirkonylchlorid, Zirkoniumtetrachlorid, Calciumcarbid, Kaliumtetrahydroborat oder deren Mischung ausgewählt ist.
  14. 14. Zementschlamm nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das fein verteilte, in dem Zementschlamm Wasserstoff entwickelnde Metall Aluminium ist und in dem Zementschlamm in einer Menge im Bereich von 0,02 bis 5,0 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht von trockenem Zement in dem Zementschlamm = 100, enthalten ist.
  15. 15. Zementschlamm nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch einen den Flüssigkeitsverlust steuernden, mit dem Gasbildner und dem Zementschlamm verträglichen Zusatz, durch den der Flüssigkeitsverlust aus dem Zementschlamm am Wirkungsort und vor dem Abbinden um mindestens 25% gegenüber dem Flüssigkeitsverlust aus dem Zementschlamm ohne diesen Zusatz vermindert ist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com