NO20140106A1

NO20140106A1 - Borehullforseglingssystem som anvender sementaktivert materiale og framgangsmåte for borehullforsegling

Info

Publication number: NO20140106A1
Application number: NO20140106A
Authority: NO
Inventors: Edward T Wood; James R Korte; Justin C Bowersock
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2014-01-30
Also published as: CA2845366A1; WO2013033531A1; US20130056207A1; US8875800B2; NO347798B1; CA2845366C

Abstract

Et borehullforseglingssystem omfatter et reaktivt materiale tilveiebrakt på en rørkonstruksjon og omfatter et oksiderbart stoff; og et forseglingsmateriale, der det oksiderbare stoffet oksiderer når det kommer i kontakt med forseglingsmaterialet. En framgangsmåte for å tilveiebringe en forsegling i et borehullsystem er også inkludert.

Description

BOREHULLFORSEGLINGSSYSTEM SOM ANVENDER SEMENTAKTIVERT

MATERIALE OG FRAMGANGSMÅTE FOR BOREHULLFORSEGLING

KRYSSHENVISNING TIL TILKNYTTEDE SØKNADER

Denne patentsøknaden krever nytten av U.S. patentsøknad nr. 13/224496, inngitt den 2. september 2011, som er innlemmet heri i sin helhet.

BAKGRUNN

[0001] I borings- og ferdigstillelsesindustrien, er formasjon av borehull med det som formål å produsere eller injisere fluider, vanlig. Borehullene brukes til leting eller utvinning av naturressurser som hydrokarboner, olje, gass, vann, og C02-sekvestrasjon. Ved konstruksjon av borehullet, er det vanligvis nødvendig å fylle og/eller forsegle minst visse kritiske seksjoner mellom foringsrør eller mellom foringsrør og åpen brønn med sement. For at sementen skal forsegles ved kritiske punkter, må det være en fullstendig effektiv fortregning av slam med sementen. Hvis ringrommet ikke er fylt med sement eller hvis sementen taper samlet volum i løpet av hydratiseringsprosessen, da kan de usementerte seksjonene danne en lekkasjevei for gass eller olje. I tillegg til dårlig fortrengning og tap av samlet sementvolum, kan sementlaget skades av varmevirkninger eller trykkfluktuasjoner.

[0002] En eksisterende teknikk for å forsegle de uønskede strømningsveiene som dannes inne i sementlaget omfatter bruk av et reaktivt eller svellende materiale som reagerer med enten olje eller vann for å svelle og forsegle strømningsveiene. Likevel er en begrensning ved denne framgangsmåten en mangel på kontroll over aktiveringen eller svellingshastigheten av disse elementene i kontakt med olje, vann eller sement. Andre framgangsmåter slik som svellbare elastomerer på ekspanderbare åpen brønn systemer unngår fullstendig bruk av sement for å eliminere problemer med kanaldannelse, men de drar heller ikke nytte av de fordelaktige egenskapene ved sement, slik som at den har lav kostnad, er enkel å bruke og har forutsigbare herdingsegenskaper.

KORT BESKRIVELSE

[0003] Et borehullforseglingssystem omfatter et reaktivt materiale tilveiebrakt på en rørkonstruksjon og omfatter et oksiderbart stoff; og et forseglingsmateriale, der det oksiderbare stoffet oksiderer når det kommer i kontakt med forseglingsmaterialet.

[0004] Framgangsmåte for å tilveiebringe en forsegling i et borehullsystem, der framgangsmåten omfatter: å plassere en rørkonstruksjon med et reaktivt materiale derpå i et borehull, der det reaktive materialet omfatter et oksiderbart materiale som reagerer ved en første hastighet på vann; og å sende et forseglingsmateriale ned gjennom rørkonstruksjonen, der det oksiderbare materialet reagerer ved en andre hastighet, raskere enn den første hastigheten, på forseglingsmaterialet.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

[0005] Følgende beskrivelser skal ikke betraktes som begrensende på noe vis. Med henvisning til de vedlagte tegningene, har like elementer like nummer:

[0006] FIG. 1 avbilder et tverrsnittbilde av en eksempelvis utførelsesform av en rørkonstruksjon i et borehull som bærer et reaktivt materiale derpå;

[0007] FIG. 2 avbilder et tverrsnittbilde av en annen eksempelvis utførelsesform av en rørkonstruksjon i et borehull som bærer et reaktivt materiale derpå;

[0008] FIG. 3 avbilder et tverrsnittbilde av en eksempelvis utførelsesform av en forsegling dannet rundt en rørkonstruksjon i et borehull;

[0009] FIG. 4 avbilder et tverrsnittbilde av en eksempelvis utførelsesform av en rørkonstruksjon i et borehull som bærer et reaktivt materiale deri; og,

[0010] FIG. 5 avbilder et tverrsnittbilde av en eksempelvis utførelsesform av en forsegling dannet inne i rørkonstruksjonen i et borehull;

DETALJERT BESKRIVELSE

[0011] En detaljert beskrivelse av én eller flere utførelsesformer av det beskrevne apparatet og fremstillingsmåten presenteres her ved hjelp av eksemplifisering og ikke begrensning med henvisning til figurene.

[0012] Med henvisning til FIG. 1, for å overvinne begrensningene ved tidligere forseglingsframgangsmåter ved bruk av sementlag, anvendes et reaktivt materiale 10 som omfatter et oksiderbart materiale som reagerer svært sakte med vann eller olje, men som reagerer raskt når det eksponeres for de kjemiske egenskapene hos en base slik som sement 12. En spesifikk egenskap ved sement 12 er en svært høy pH-verdi i forhold til andre fluider som man vanligvis møter i industrien. Når det reaktive materialet 10 kommer i kontakt med sement 12, utløses en reaksjon som gjør det mulig for et ringrom 14, eller et annet område som skal forsegles, å forsegles mens sementen 12 er vesentlig flytende, og fortsetter en svelleprosess til den absorberer og fyller hulrommene i sementen 12. Hvis sementen 12 deretter er skadet av varmevirkninger eller trykkfluktuasjoner, kan utførelsesformer av det reaktive materialet 10 ytterligere omfatte svellende materialer som da vil reagere med vann eller olje for å fortsette å forsegle lekkasjeveiene.

[0013] I en eksempelvis utførelsesform, er det reaktive materialet 10 en sammensetning som omfatter et oksiderbart materiale brukt som en propp for sementen 12. Den uoksiderte tilstanden til det oksiderbare materialet har mindre dimensjoner enn i den oksiderte tilstanden, slik at det oksiderbare materialet kan brukes som en mekanisk kraft-generator. Det oksiderbare materialet kan være et metallpulver slik som aluminium, men andre oksiderbare materialer og metaller kan også brukes.

[0014] Aluminum, for eksempel, er svært stabilt ved pH-verdier fra 4-8, men reaktivt utenfor disse verdiene. Følgelig er aluminum en god kandidat for et pulvermateriale for en sementeringsanvendelse siden aluminum er stabilt i vann eller olje, ikke desto mindre er det ekstremt reaktivt når det kommer i kontakt med sement, som har en høy pH-verdi, opp til cirka 13 og til og med cirka 14.1 en eksempelvis utførelsesform, kan reaksjonshastigheten for forskjellige anvendelser skreddersys, slik som ved å påføre et konstruert katalysatorbelegg eller korrosjonsbestandig belegg på al-pulveret for å akselerere eller bremse reaksjonen som påføringssikkerhet, samtidig som det gjør pulveret mekanisk sterkt.

[0015] I en eksempelvis utførelsesform av en sementeringsanvendelse, slik det vises i FIG. 1, er det reaktive materialet 10 inkludert det oksiderbare materialet plassert på en rørkonstruksjon 16, slik som en foring eller et foringsrør. Det reaktive materialet 10 kan belegges på en utvendig flate 20 på rørkonstruksjonen 16 eller kan dannes separat i en rørform som skal plasseres over rørkonstruksjonen 16 slik som ved glidning eller fastklemming. Det oksiderbare materialet i det reaktive materialet 10 reagerer og oksiderer ikke, eller reagerer og oksiderer svært sakte, ved tilstedeværelse av vann og/eller olje, og derfor kan rørkonstruksjonen 16 plasseres i en åpen brønn 18 eller inne i et annet foringsrør i et borehull, uten vesentlig endring eller forandring ved tilstedeværelse av vanligvis møtte borehullfluider. Enkelte ikke-reaktive materialer, slik som et inert polymert materiale, kan kombineres med det oksiderbare materialet i det reaktive materialet 10, for å tilveiebringe et reaktivt materiale 10 med smørbare egenskaper, styrke, fleksibilitet, osv. Slik det vises i FIG. 2, kan et nedbrytbart belegg 20 plasseres på det reaktive materialet 10 slik at det oksiderbare materialet inne i det reaktive materialet 10 ikke blir skadet eller for tidlig oksidert i løpet av plasseringen av rørkonstruksjonen 16 i borehullet 18 eller i rørkonstruksjonen. Det nedbrytbare beskyttelsesbelegget 20 kan nedbrytes ved tilstedeværelse av olje og/eller vann slik at det reaktive materialet 10 eksponeres.

[0016] Når rørkonstruksjonen 16 er klar for sementering inne i en åpen brønn 18 eller i en annen rørkonstruksjon 16, kan sementen 12 føres inn på en kjent måte i en borehullretning slik det angis av pilene i rørkonstruksjonen 16, slik som ved å pumpe sementen 12 ned i rørkonstruksjonen 16 og så tilbake opp gjennom det ledige ringrommet 14 mellom rørkonstruksjonen 16 og formasjonsveggen 22 eller mellom rørkonstruksjonen 16 og en utvendig rørkonstruksjon, hvor sementen 12 da binder rørkonstruksjonen 16 til formasjonsveggen 22 eller annet foringsrør for å hindre at fluider slik som olje og vann, beveger seg fra ett område til et annet. Sementen 12 føres inn i et flytende format og størkner ikke før minst en time etter at det er kommet på plass for tetning. Fortrengningsfluid kan brukes for å skyve sementen 12 ut av rørkonstruksjonen 16.

[0017] Den uoksiderte tilstanden til det oksiderbare materialet har mindre dimensjoner enn en oksidert tilstand. Når den flytende sementen 12 kommer i berøring med det oksiderbare materialet i det reaktive materialet 10, reagerer det oksiderbare materialet med den høye pH-verdien hos sementen og begynner å oksidere raskt og ta opp et større volum og slipper ut hydrogen, noe som åpner permeabiliteten hos sementen 12 slik at sementen 12 danner en sementforsegling 24 som fyller ringrommet 14 og forsegler ringrommet 14 slik det er vist i FIG. 3.

[0018] I en annen eksempelvis utførelsesform, omfatter det reaktive materialet 10 én eller begge av en oljesvellende pakker og en vannsvellende pakker i kombinasjon med det oksiderbare materialet. Det oksiderbare materialet behøver ikke være kjemisk bundet til polymerer hos de svellbare pakkerne. Den svellende pakkeren kan brukes til å supplere det oksiderbare materialet som den primære sementpakkeren. Den oljesvellende pakkeren kan omfatte en oljereaktiv elastomer slik som en oleofil hydrokarbonelastomer. Typen gummi som brukes i den oljesvellende pakkeren består av oleofile hydrokarbonkjeder. Polymerkjedens molekylstruktur kjennetegnes ved svake tiltrekningskrefter som virker mellom nabokjeder, fragmenter av den samme kjeden, og ved et relativt lite antall kjemiske tverrbindinger og kjedesammenfiltringer. Olje er også en blanding av hydrokarbonmolekyler og hvert fragment av den oleofile hydrokarbonpolymerkjeden har en nøytral affinitet for oljemolekyler. Denne affiniteten beskrives av Hildebrands oppløselighetsparameter, som er en termodynamisk måling av den molekylære tiltrekningen mellom liknende materialer. Oljemolekyler spres inne i elastomeren, omgir polymerkjedene, og erstatter eller interfererer følgelig med tiltrekningsinteraksjoner mellom nabopolymerkjedene eller polymerfragmenter innen den samme kjeden med interaksjonene fra oljemolekyler. Polymerkjedene atskilles fra hverandre og begynner å strekkes. Denne prosessen gjør det mulig for flere oljemolekyler å penetrere elastomeren, og pakkeren sveller til slutt og når en likevektstilstand hvor oljen beveger seg inn og ut av gummien. Størrelsesordenen av denne svelleprosessen fastsettes, delvis, av hvor nære oppløselighetsparametrene til oljen og polymeren er. Denne prosessen kan beskrives som spredning drevet av oppløselighet.

[0019] En eksempelvis utførelsesform av en vannsvellende pakker kan omfatte en superabsorberende polymer i en bærerelastomer. En slik svellende pakker består av nitrilgummi som inneholder superabsorberende polymerdomener. Polymerkjeder av superabsorberende polymer inneholder et svært stort antall delvis negativt ladede oksygenatomer og delvis positivt ladede hydrogenatomer. Elektrostatiske interaksjoner mellom de positivt og negativt ladede atomene til de superabsorberende polymerkjedene (hydrogenbinding) tvinger kjedene til å anta den nesten sfæriske formen (lavvolumformen). I naturen beveger væske- og gassmolekyler seg fra høy konsentrasjons- til lavkonsentrasjonsregioner. Derfor spres vannmolekyler og ioner fra saltoppløsning inn i elastomerforbindelsen, siden vannkonsentrasjonen i elastomeren er lav. Når vannmolekyler, som også er sammensatt av delvis negativt ladede oksygenatomer og delvis positivt ladede hydrogenatomer, nærmer seg den superabsorberende polymeren, etableres elektrostatiske interaksjoner mellom vannmolekylene og de ladede atomene i polymerkjeden. Vannmolekyler og ladede metalliske ioner fra saltoppløsninger omgir de superabsorberende polymerkjedene en etter en og ødelegger det intra- og intermolekulære hydrogenbindende nettverket, som, igjen, hydrogenbinding er det som holder den superabsorberende polymeren i den kompakte usvellende tilstanden. Med spredning av vannmolekyler inn i polymernettverket, er kjeder hos den superabsorberende polymeren tilbøyelige til å strekkes ettersom et større antall vannmolekyler omgir dem og vil til slutt oppnå en likevektstilstand. Dette fører til at volumet til det superabsorberende polymerdomenet øker med nitrilgummien, og derfor, sveller pakkeren. Denne prosessen kan beskrives som en spredningsprosess med konsentrasjonsgradient.

[0020] Når det oksiderbare materialet kombineres med et oljesvellende materiale og/eller et vannsvellende materiale, kan det reaktive materialet 10 inkludert denne kombinasjonen være belagt eller sikret på en annen måte til en utside eller innside av en rørkonstruksjon 16 slik det er beskrevet tidligere med henvisning til FIG. 1. Når rørkonstruksjonen 16 treffer vann og/eller olje, begynner det respektive vannsvellende materialet og/eller oljesvellende materialet å svelle. Når det føres sement 12 inn i ringrommet 14 som skal fylles, vil det oksiderbare materialet oksidere og korrodere raskt, noe som åpner opp permeabiliteten hos sementen 12, noe som muliggjør at de svellende materialene blir mer aktive. Det vil si at det oksiderbare materialet tjener som en propp for å åpne strømningsveier som gjør det mulig for fluid å komme i kontakt med det svellende materialet, som igjen gjør det mulig for det svellende materialet å fylle eventuelle lekkasjeveier i sementen 12.

[0021] Kombinasjonen av det oksiderbare materialet og de olje- og vannsvellende materialene forbedrer forseglingen hos en sementforsegling 24 ved å reagere med omgivende fluider, slik som olje og/eller vann, og sement 12. Dessuten hjelper tilsetedeværelsen av det oksiderbare materialet de svellende materialene med å fylle eventuelle mikrokanaler og hulrom som oppstår inne i sementen 12. Hvis sementforseglingen 24 deretter er skadet av varmevirkninger eller trykkfluktuasjoner, kan de olje- og vannsvellende materialene reagere med vann eller olje for å fortsette å forsegle eventuelle lekkasjeveier.

[0022] Selv om det reaktive materialet 10 er blitt spesifikt beskrevet som det som danner en sementforsegling 24 inne i et ringrom 14, kan, i en annen eksempelvis utførelsesform, det reaktive materialet 10 tilveiebringes på en innvendig flate 30 av en rørkonstruksjon 16 slik det vises i FIG. 4 for å reagere med sement 12 for å danne en sementpropp 26 på innsiden 28 av rørkonstruksjonen 16 slik det vises i FIG. 5. Slik det er beskrevet tidligere, omfatter det reaktive materialet 10 et oksiderbart materiale, og kan ytterligere omfatte et vannsvellende materiale og/eller et oljesvellende materiale, inerte bærere, nedbrytbare beskyttende materialer, akseleratorer eller bremsere, osv. Noen ikke-begrensende eksempler på nedbrytbare beskyttende materialer er: harpikser med herdere slik som fiberglass, polyuretaner, krympe-wrap filmer med forskjellige smelte- eller nedbrytningstemperaturer slik som PVC, PVA, PET, og PTFE eller liknende.

[0023] Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet med henvisning til en eksempelvis utførelsesform eller utførelsesformer, vil det bli forstått av fagkyndige på området at forskjellige endringer kan bli utført og ekvivalenter kan bli erstattet med elementer herav uten å avvike fra oppfinnelsens omfang. Dessuten kan mange endringer gjøres for å tilpasse en spesiell situasjon eller materiale til oppfinnelsens lære uten å avvike fra det vesentlige området herav. Derfor er det ment at oppfinnelsen ikke skal begrenses til den særlige beskrevne utførelsesformen som den beste fremgangsmåten som er overveid for å iverksette denne oppfinnelsen, men at oppfinnelsen skal omfatte alle utførelsesformer som kommer inn under patentkravenes område. I tegningene og beskrivelsen er det også beskrevet eksempelvise utførelsesformer av oppfinnelsen og selv om spesifikke benevnelser kan ha blitt brukt, er de med mindre noe annet er oppgitt brukt i generisk og beskrivende betydning og ikke med det formål å begrense, og oppfinnelsens område er derfor ikke så begrenset. Videre antyder ikke bruken av benevnelsene første, andre, mv. noen rekkefølge eller betydning, men benevnelsene første, andre, mv. er snarere brukt for å atskille ett element fra et annet. Dernest antyder ikke bruken av benevnelsene, en, ett, mv. en mengdebegrensning, men antyder snarere tilstedeværelsen av minst ett av de henviste elementene.

Claims

1. Borehullforseglingssystem som omfatter: et reaktivt materiale tilveiebrakt på en rørkonstruksjon og som omfatter et oksiderbart stoff; og et forseglingsmateriale, der det oksiderbare stoffet oksiderer når det kommer i kontakt med forseglingsmaterialet.

2. Borehullforseglingssystem i henhold til krav 1, der det oksiderbare stoffet er et metallpulver.

3. Borehullforseglingssystem i henhold til krav 1, der det oksiderbare stoffet er aluminium.

4. Borehullforseglingssystem i henhold til krav 1, der forseglingsmaterialet er sement.

5. Borehullforseglingssystem i henhold til krav 1, der det oksiderbare stoffet reagerer raskere på pH-verdien til forseglingsmaterialet enn på pH-verdien til vann.

6. Borehullforseglingssystem i henhold til krav 1, der det reaktive materialet ytterligere omfatter et svellende materiale som er svellende når det kommer i kontakt med minst én av olje og vann, og, når det oksiderbare stoffet oksiderer, åpnes permeabiliteten hos forseglingsmaterialet, og dette øker fluidtilgang til det svellende materialet.

7. Borehullforseglingssystem i henhold til krav 6, der det svellende materialet er en oleofil hydrokarbonelastomer.

8. Borehullforseglingssystem i henhold til krav 6, der det svellende materialet er en superabsorberende polymer i en bærerelastomer.

9. Borehullforseglingssystem i henhold til krav 1, der det reaktive materialet tilveiebringes på en utside av en rørkonstruksjon for å fylle et ringrom som omgir rørkonstruksjonen med forseglingsmaterialet.

10. Borehullforseglingssystem i henhold til krav 1, der det reaktive materialet tilveiebringes på en innside av rørkonstruksjonen for å tette rørkonstruksjonen igjen med forseglingsmaterialet.

11. Borehullforseglingssystem i henhold til krav 1, der det reaktive materialet ytterligere omfatter et stoff for å endre en oksidasjonshastighet hos det oksiderbare materialet.

12. Borehullforseglingssystem i henhold til krav 1, som ytterligere omfatter et nedbrytelig beskyttelseslag som beskytter det reaktive materialet fra for tidlig oksidasjon.

13. Borehullforseglingssystem i henhold til krav 1, der dimensjonene til det oksiderbare materialet i en uoksidert tilstand er mindre enn dimensjonene til det oksiderbare materialet i en oksidert tilstand.

14. Framgangsmåte for å tilveiebringe en forsegling i et borehullsystem, der framgangsmåten omfatter: å plassere en rørkonstruksjon med et reaktivt materiale derpå i et borehull, der det reaktive materialet omfatter et oksiderbart materiale som reagerer med en første hastighet på vann; og å sende et forseglingsmateriale ned gjennom rørkonstruksjonen, der det oksiderbare materialet reagerer med en andre hastighet, raskere enn den første hastigheten, på forseglingsmaterialet.

15. Framgangsmåte i henhold til krav 14, der det å sende forseglingsmaterialet omfatter å sprøyte sement ned i rørkonstruksjonen.

16. Framgangsmåte i henhold til krav 14, der det å plassere en rørkonstruksjon med et reaktivt materiale derpå omfatter å plassere en rørkonstruksjon med et reaktivt materiale på en utside av rørkonstruksjonen i borehullet, og ytterligere omfatter å forsegle et ringrom som omgir rørkonstruksjonen, med forseglingsmaterialet.

17. Framgangsmåte i henhold til krav 14, der det å plassere en rørkonstruksjon med et reaktivt materiale derpå omfatter å plassere en rørkonstruksjon med et reaktivt materiale på en innside av rørkonstruksjonen i borehullet, og ytterligere omfatter å tette en innside av rørkonstruksjonen med forseglingsmaterialet.

18. Framgangsmåte i henhold til krav 14, der det reaktive materialet omfatter et svellende materiale inne i det reaktive materialet, der det svellende materialet sveller i kontakt med vann eller olje.

19. Framgangsmåte i henhold til krav 18, der det oksiderbare materialet oksiderer når det kommer i kontakt med forseglingsmaterialet for å øke det svellende materialets kontakt med vann eller olje, og ytterligere omfatter å fylle lekkasjeveier hos forseglingsmaterialet med det svellende materialet.

20. Framgangsmåte i henhold til krav 14, der det reaktive materialet er belagt med et nedbrytbart beskyttende belegg.