DE3629769C2

DE3629769C2 -

Info

Publication number: DE3629769C2
Application number: DE3629769A
Authority: DE
Inventors: Nils Aalgaard No Blomberg; Eldar O. Soegne No Dingsoeyr; Per J. Vaagsbygd No Svenkerud; Bjoern Stavanger No Vassoey
Original assignee: Elkem ASA; Den Norske Stats Oljeselskap AS
Current assignee: Elkem ASA
Priority date: 1985-09-03
Filing date: 1986-09-02
Publication date: 1989-04-20
Also published as: CN86105387A; DK389986A; IT8621303A0; PH21707A; MX168693B; NO158499C; GB2179933A; FR2587988B1; NO158499B; NL190192C; DK389986D0; GB8621179D0; RU1799369C; DK168483B1; NL190192B; GB2179933B; US4933031A; NO853453L; IT1213468B; FR2587988A1

Description

Die Erfindung betrifft hydraulische Zementschlämme auf Basis von hydraulischem Zement und an sich bekannten Zementzusatzmitteln und -zuschlagstoffen zur Zementation von Bohrlöchern, insbesondere bei der Erdölbohrung durch lockeres und gasführendes Gestein, durch Verpressen in den Ringraum zwischen der Verrohrung des Bohrloches und der Bohrlochwand. Das Hauptziel der Erfindung richtet sich auf eine gasundurchlässige Zementschlämme geringer Dichte.

Die Zementation von Bohrlöchern dient zwei Hauptzielen, nämlich einerseits der Abdichtung gas- und flüssigkeitsführender bzw. -durchlässiger Formation einschließlich der Verhinderung eines Abflusses in eine benachbarte Formation und andererseits dem Zusammenhalt und der Abstützung der Verrohrung. Über die öl-, gas- und wasserabsperrende Wirkung hinaus übt die Zementation zugleich einen Korrosionsschutz für die Verrohrung aus und verhütet Gas- oder Öleruptionen zwischen der Verrohrung und der Bohrlochwand hindurch, da die Zementschlämme die Fluidquelle rasch abdichtet. Im weiteren schützt sie die Verrohrung gegen Stoßbelastung bei Erschütterungen und verschließt durchlässige Formationen, um den Fluß zwischen verschiedenen Gebirgsschichten zu verhindern und Verluste an dem Fördergut ins Gestein zu vermeiden.

Für eine wirksame Zementation muß die hydraulische Zementschlämme eine Reihe von Anforderungen erfüllen. Ihre rheologischen Eigenschaften müssen sie leicht pump- und verpreßbar machen; sie muß wirksam das Bohrklein bzw. den Bohrschlamm aus dem Ringraum zwischen der Verrohrung und dem Gestein verdrängen; sie darf, um einen Verlust an Flüssigkeit aus der Schlämme heraus in die Formation hinein zu vermeiden, nur geringe druckbedingte Flüssigkeitsverluste aufweisen, da ein Flüssigkeitsverlust der Schlämme deren Viskosität erhöht; ferner muß die Zementschlämme allgemein eine kleinstmögliche Tendenz zur Wasserausscheidung besitzen. Desweiteren muß die Abbindezeit der Zementschlämme so eingestellt sein, daß sich die Schlämme weder vor ihrer Verpumpung in das Bohrloch, noch vor Erreichen ihres Einsatzortes im Bohrloch verfestigt, wobei die Abbindezeit unter anderem von der Materialstärke der Zementationsschicht und von der Temperatur im Bohrloch abhängt.

Von entscheidendem Einfluß für den Zementationsprozeß und die dabei erreichten Ergebnisse ist die Dichte der Zementschlämme, die je nach den Bohrumständen größer oder kleiner sein muß. So werden für Bohrungen durch hochverdichtetes Gestein Zementschlämme höherer Dichte verwendet, um unkontrollierte Gas- oder Flüssigkeitsausbrüche während des Zementationsprozesses zu verhindern. Für Bohrungen durch niederverdichtete Formation hingegen, die keinem hohen hydrostatischen Druck ausgesetzt werden dürfen, sind Zementschlämme geringer Dichte verwendet worden, da Zementschlämme hoher Dichte und demzufolge hohen hydrostatischen Drucks die Formation zusammenbrechen lassen und deswegen eine verlustreiche Einströmung von Zementschlämmen in die Formation bewirken könnte.

Ein entscheidender weiterer Aspekt ist die Frühfestigkeit der Zementation, da es von der Frühfestigkeit abhängt, wie schnell nach der Fertigstellung eines Zementationsabschnittes die Weiterbohrung aufgenommen werden kann.

Zemente mit einer Druckfestigkeit nach 24 Stunden von wenigstens 1,5 MPa genügen gewöhnlicherweise den Anforderungen. Allerdings hängt die Entwicklung der Frühfestigkeit in hohem Maße von der Temperatur in dem Bohrloch ab. Wenngleich sich die Erfindung mit der Zementation von kalten Bohrlöchern, wie Ölbohrlöchern, befaßt, sei erwähnt, worauf weiter unten näher eingegangen wird, daß für Zementschlämme zur Zementation speziell von heißen Bohrlöchern besonders gefordert ist, daß der ausgehärtete Zement einem sehr niedrigen Dauerfestigkeitsverlust unterliegt.

Bei Bohrungen durch gashaltiges Gestein können Schwierigkeiten besonderer Art auftreten, wenn die an die Zementausfüllung zwischen Verrohrung und Bohrlochwandung angrenzenden Gesteinsschichten unter hohem Gasdruck stehen und das Gas während des Zementationsprozesses in die noch nicht ausgehärteten Zementschlämme eindringt und das Problem der sogenannten Gasmigration auslöst. Unter dieser Gasmigration, die während des Abbindens der Zementschlämme ihren Ausgang nimmt, versteht man folgendes.

Die frisch eingepumpte Zementschlämme ist zunächst gasundurchlässig, versperrt also andringendem Gas den Durchtritt durch den Zementationsmantel. In der Folgezeit bindet die Zementschlämme dann rasch ab und verfestigt sich, ohne jedoch schon ausgehärtet zu sein. Wenn die Zementschlämme in dieser kritischen Phase nicht in der Lage ist, dem Gasdruck standzuhalten, bilden sich in der erst teilweise erhärteten Zementmasse und/oder zwischen Zementmantel und Bohrlochwand Spalte aus, die sich unter dem Gasdruck weiterbilden und bis zum Kopf des Bohrloches fortsetzen können. Gefördert wird die Gasmigration, sofern die Zementschlämme Wasser abscheidet und dieses in die Formation abgibt. Die Gasmigration bedingt Produktionsverluste, falls das zu fördernde Gas dadurch aus einer Formation in eine andere übertritt und in dieser verlorengeht.

Um nun Zementschlämme mit den für die jeweilige Bohrsituation erforderlichen Eigenschaften herzurichten, kennt man eine Reihe von Zusätzen, so Plastifizierer oder Zementverflüssiger zur Beeinflussung der rheologischen Eigenschaften der Zementschlämme, Wassserbindemittel zur Reduzierung oder Unterdrückung von Wasserverlusten aus der Schlämme, oder Abbinderegulierer, nämlich Abbindebeschleuniger und -verzögerer, zur Beeinflussung der Abbindezeit und der Frühhärte.

Für die Beherrschung der Gasmigration wurden als Zusatzmittel zur Zementschlämme schon Wasserbindemittel oder ein Latex, beispielsweise als Styrol-Butadien-Copolymer, vorgeschlagen. Doch bereitet die Gasmigration noch immer ganz besondere Schwierigkeiten, falls wegen einer zu bohrenden lockeren Gesteinsart nur Zementschlämme geringer Dichte verwendbar sind.

Beispiele für derartige Bohrgründe liefern etwa die Ölfelder "Gullfaks", "Oseberg" und "Sleipner" in der Nordsee, für deren Bohrlochzementation nur Zementschlämme brauchbar sind, die einerseits eine geringe Dichte aufweisen und die andererseits während der Abbindephase gasmigrationsfest bleiben.

Die zur Zementation von Erdölbohrlöchern bisher bekannten Zementschlämme niederer Dichte lassen sich in drei grundsätzlich unterschiedliche Gruppen einteilen (siehe z. B. D. Schlumberger, Cementing Technology, Kapitel Additives for Oil-Well Cements, Tabelle 6.12):

1. Die Zementschlämme weisen einen hohen Wasserzementwert (Massenverhältnis von Wasser zu Zement) auf und enthalten ein Bentonit oder Wasserglas als Verdicker.
Ferner ist bekannt, statt der Bentonit und Wasserglas das aus den Schmelzofenabgasen bei der Silicium- oder Ferrosiliciumgewinnung anfallende Kieselsäure-Aerosol (amorphes Mikrosiliciumdioxid) einzusetzen.
Mit Bezug auf die Anforderungen an die Frühhärte lassen sich Zementschlämme von hohem Wasserzementwert mit Bentoniten als Verdicker bis zu Dichten herab um 1,6 g/cm³ verwenden, während bei Zementschlämme mit Wasserglas und/oder amorphem Kieselsäure- Aerosol die Dichte bis herab zu 1,4 bis 1,6 g/cm³ gehen kann.
2. Die Zementschlämme enthalten Leichtzuschlagstoffe, beispielsweise in Form kleinster Hohlkörperchen.
Unter dem Gesichtspunkt ausreichender Zementfestigkeit erlauben derartige Zementschlämme Verwendungsdichten bis herab zu 1,1 g/cm³ oder ein wenig tiefer, sofern geringere Zementfestigkeiten ausreichen.
3. Die Zementschlämme enthalten eingemischten Schaum (Schaumzement), beispielsweise von Stickstoff oder Wasserstoff und lassen sich mit Dichten bis herab zu etwa 1,0 g/cm³ zubereiten.

Die zu diesen drei Gruppen genannten Dichtewerte der Zementschlämme gelten jedoch nur vom Standpunkt genügender Festigkeit des Zementmantels aus. Sofern die Schlämme obendrein auch gasdicht sein soll, muß die Schlämmdichte höher liegen und darf bei den Gruppen 1 und 2 den Wert 1,5 g/cm³ nicht unterschreiten.

Bei Zementschlämme nach Gruppe 3 (Schaumzemente) sind Schlämmdichten unter 1,5 g/cm³ möglich, doch sind derartig reduzierte Dichten dann von einer Reihe von Nachteilen und Störungen bei der Zementation des Ölbohrloches begleitet. Einerseits wird das Schaumbas bei steigendem hydrostatischen Druck mehr und mehr komprimiert, und andererseits entspannt sich das Schaumgas bei der Verteilung der Zementschlämme abwärts in dem Ringraum zwischen der Verrohrung und der Bohrlochwand. Der Einsatz von Schaumzementen verlangt daher komplizierte und kostenintensive Maßnahmen zur Einstellung und Steuerung des Schaumgasgehaltes der Zementschlämme; darüber hinaus ist eine genaue Überwachung des Zementationsvorgangs vonnöten. Im Falle von Wasserstoffschaum besteht das zusätzliche Erschwernis einer Explosionsgefahr, der durch umfassende Sicherheitsmaßnahmen begegnet werden muß. Schließlich kann in der Zementschlämme eingeschlossene Schaumgas zur Entwicklung von Kanälen oder Spalten im Zementmantel beitragen.

Zur Abrundung des Standes der Technik sei nun auf die bereits angedeuteten besonderen Probleme bei der Zementierung von heißen Bohrlöchern anhand der US-PS 42 34 344 näher eingegangen, nach der die bei heißen geothermischen Energiequellen eingesetzten Zementschlämme extremen Temperatur- und Druckbedingungen standhalten müssen, nämlich Verarbeitungstemperaturen für die Zementschlämme bzw. Betriebstemperaturen für die festen Zementkörper von oberhalb 150°C bis hinaus zu 370°C und geostatischen Drücken bis zu 39 oder 55 MPa. Die auf diesem speziellen Gebiet der Erdbohrung besonders geforderten Eigenschaften für die Zementschlämme sind geringe Dichte (wie generell bei Bohrlochzementen erforderlich), geringe Durchlässigkeit für heiße und chemisch aggressive Flüssigkeiten und als Ergebnis ein Zementmantel, der unter den genannten extremen Temperatur- und Druckzuständen einem nur geringen Dauerfestigkeitsverlust unterliegt.

Die US-PS 42 34 344 geht von der vorbekannten Kenntnis aus, daß ein Kieselsäuregehalt der Zementschlämme zur Steigerung der geforderten Hochtemperatureigenschaften der Zementierung beiträgt, und daß zur Reduzierung der Schlämmdichte erhöhte Mengen an Wasser eingesetzt werden können. Für beide Effekte bediente man sich zuvor besonders eines wasserfreien Natriummetasilikats, das als wasserbindender Füllstoff beim Anmachen der Schlämme zwar einen erhöhten Wassergehalt und eine dementsprechend reduzierte Dichte der Schlämme bewirkte, andererseits aber auf Kosten der Früh- und Endhärte des Zementmantels ging und außerdem zu der gegenüber den aggressiven heißen Flüssigkeiten erhöhten Durchlässigkeit der Bohrlochauskleidung führte.

Zur Herstellung von demgegenüber verbesserten Hochtemperatur- Zementschlämmen lehrt die US-PS 42 34 344, anstatt der zuvor eingesetzten hohen Wassermengen und der wasserbindenden Kieselsäurequalitäten nun ein Wasser nicht bindendes, körniges, kristallines Kieselsäurematerial zusammen mit einem Lichtzuschlagstoff, der Wasser gleichfalls nicht bindet, zu verwenden. Die dafür bevorzugte kristalline Kieselsäure ist ein Kieselsäuremehl mit Korngrößen zwischen unterhalb 2,0 und 0,25 mm; als Wasser nicht bindenden Leichtzuschlagstoff werden Gase, wie Wasserstoff, Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Edelgase, und poröse Teilchen aus Kieselsäurematerial, Glas, Keramik und aus Flugasche gewonnene Hohlkügelchen empfohlen.

Mit diesen Materialien lassen sich Zementschlämme einer Dichte bis unter 1,25 g/cm³ gewinnen, die eine gute Frühfestigkeit bei Verarbeitungstemperaturen oberhalb 150°C zeigen und dauerhafte Festkörper bilden, die Drücken bis 43,5 MPa, Temperaturen bis 370°C und dem Angriff aggressiver, heißer Flüssigkeiten ohne merklichen Dauerfestigkeitsverlust standhalten.

Auf Probleme der Gasmigration geht die US-PS 42 34 344 nicht ein, und wie sich weiter unten (zu Beispiel 2) zeigen wird, wären ein kristallines Kieselsäurematerial enthaltende Lichtzementmischungen gemäß der US-PS 42 34 344 für einen Einsatz bei kalten Bohrlöchern bereits aus Gründen sehr hoher Abbindezeiten bei Normaltemperatur völlig ungeeignet.

Gegenüber den für die Zementation von kalten Bohrlöchern, insbesondere Ölbohrlöchern, erläuterten Unvollkommenheiten der bekannten Zementschlämme liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, hydraulische Zementschlämme zur Zementation von Bohrlöchern, die insbesondere durch lockeres und gasführendes Gestein führen können wie typischerweise bei gewissen submarinen Erdöllagerstätten, zur Verfügung zu stellen, die die erforderliche geringe Dichte und benötigte mechanische und Migrationsfestigkeit besitzen und die einfach herzustellen und zu verwenden sind.

Gemäß der Erfindung werden diese Anforderungen, insbesondere die Gasmigrationsfestigkeit, überraschenderweise bei Zementschlämmen mit folgender Zusammensetzung erfüllt:

100 Gewichtsanteile
hydraulischer Zement;
5-100 Gewichtsanteile	amorphes Kieselsäure-Aerosol;
2-200 Gewichtsanteile	Leichtzuschlagstoff einer wahren Dichte zwischen 0,1 und 1,5 g/cm³;
0-5 Gewichtsanteile	(Trockengewicht) Zementverflüssiger
0-10 Gewichtsanteile	(Trockengewicht) Wasserbindemittel; und Wasser zu einem Anteil, daß die Dichte der Aufschlämmung zwischen 0,8 und 2,0 g/cm³ liegt,

wobei die Schlämme bei Bedarf oder Wunsch wenigstens ein weiteres Zementzusatzmittel, etwa ein Abbindebeschleuniger oder -verzögerer, zugesetzt sein kann.

Hierbei kann ein gewöhnlicher hydraulischer Zement verwendet werden, beispielsweise Portlandzement, bevorzugt sind jedoch API-Zemente (nach Normen des American Petroleum Institute spezifizierte Zemente).

Als Kieselsäure-Aerosol für die Zementschlämme gemäß der Erfindung dient vorzugsweise der aus dem Ofenabgas von elektrothermischen Schmelzöfen für die Silicium- oder Ferrosiliciumerzeugung gewonnene Flugstaub, wobei der Siliciumgehalt des produzierten Ferrosiliciums wenigstens 75 Gew.-% beträgt; doch sind auch Kieselsäurestäube aus Schmelzprozessen zur Herstellung von Ferrosilicium mit einem Siliciumgehalt von 50 Gew.-% durchaus verwendbar.

Gewünschtenfalls läßt sich der Schmelzofenbetrieb so steuern, daß das Kieselsäure-Aerosol nicht als Neben- sondern als Hauptprodukt anfällt. In jedem Falle ist die Kieselsäure amorph und tritt in Form kleinster, vorzugsweise sphärischer Partikel auf. Amorphe Kieselsäure dieser Qualität läßt sich ferner synthetisch ohne Reduktion und Reoxidation herstellen. Alternativ kann kleinstteilige Kieselsäure aus einem Kieselsäuregenerator erhalten oder durch Fällung gewonnen werden.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen hydraulischen Zementschlämme verwendete amorphe Kieselsäure besteht zu einem ganz hohen Anteil aus sphärischen Partikeln im Submikronbereich. Die Kieselsäurepartikel weisen einen Gehalt von 60-100 Gew.-% SiO₂ auf, besitzen eine wahre Partikeldichte zwischen 2,0 und 2,4 g/cm³ und eine spezifische Oberfläche von 15-20 m²/g. Die Partikel sind im wesentlichen sphärisch und ihr Durchmesser liegt unter 1 µm. Die Werte können selbstverständlich schwanken. Liegt beispielsweise der SiO₂-Gehalt niedriger, kann man die Partikelgrößenverteilung durch Ausscheiden der gröberen Teilchen angleichen.

Soll die Zementschlämme besonders gasundurchlässig sein, enthält sie mit Bezug auf den Zementanteil vorzugsweise 10-70 Gew.-% an der amorphen Kieselsäure; im allgemeinen ist jedoch ein Gehalt an Kieselsäure-Aerosol von 15-50 Gew.-% besonders bevorzugt.

Der Gehalt der hydraulischen Zementschlämme gemäß der Erfindung an Leichtzuschlagstoffen beträgt 10-100 Gew.-% des eingesetzten Zements, wobei vorzugsweise die aus Flugasche gewonnenen Hohlkugeln Verwendung finden.

Wenn auch die aus Flugasche gewonnenen Hohlkugelprodukte den bevorzugten Leichtzuschlagstoff abgeben, erfüllt eine Reihe weiterer Arten von Leichtzuschlagstoffen die Anforderungen befriedigend, beispielsweise Hohlkugeln aus Glas, Aluminiumoxid oder expandiertem Ton oder dergleichen.

Die hydraulische Zementschlämme gemäß der Erfindung enthält vorzugsweise einen Zementverflüssiger mit einem Anteil von 0,1-2 Gew.-% (Trockengewicht) des eingesetzten Zements, wobei als Verflüssiger die auf dem Gebiete üblichen wirksamen bis hochwirksamen Substanzen Verwendung finden können. Als solche Zusatzmittel kennt man beispielsweise Ligninsulfonate, Polyhydroxycarbonsäuren, sulfonierte Naphthalinformaldehyde oder sulfonierte Melaminformaldehydverbindungen.

Ferner enthält die hydraulische Zementschlämme gemäß der Erfindung vorzugsweise 0,1-5 Gew.-% (Trockengewicht) des eingesetzten Zements an einem Wasserbindemittel. Auch solche Mittel sind bekannt und basieren beispielsweise auf Stärke oder Stärkederivaten, auf Cellulosederivaten, wie Carboxymethylcellulose, Methylcellulose oder Ethylcellulose, oder sind synthetische Polymere wie Polyacrylnitrile oder Polyacrylamide.

Als Anmachwasser für eine Zementschlämme gemäß der Erfindung läßt sich sowohl Frisch- als auch Meerwasser verwenden.

Sofern erforderlich, kann die hydraulische Zementschlämme noch einen Zusatz an einem Abbindebeschleuniger oder an einem Abbindeverzögerer aufweisen.

Zur Erfindung werden nachstehend Beispiele gegeben.

Beispiel 1

Es wurden eine hydraulische Zementschlämme A gemäß der Erfindung und eine Zementschlämme B mit für die Zementation von Ölquellen bekannter Zusammensetzung hergestellt und dann miteinander verglichen. Die Zusammensetzungen der Zementschlämme ergeben sich aus den nachstehenden Zusammenstellungen, der Vergleich aus Tabelle 1.

Zementschlämme A

(Gemäß der Erfindung)

G-Zement (als Portlandzement)\|100,0 kg
Wasserglas (35 Gew.-% Trockensubstanz)	4,0 l
Meerwasser	97,7 kg
Theoretische Dichte	1,55 g/cm³

Tabelle 1

(Versuchsausführung und Versuchsdaten gemäß der API-Spezifikation 10)

Aus den Ergebnissen gemäß Tabelle 1 ergibt sich, daß die Zementschlämme A gemäß der Erfindung im wesentlichen die gleichen Eigenschaften wie die konventionelle Zementschlämme B aufweist. Damit erfüllt die Zementschlämme A zunächst die an eine Zementschlämme für die Zementation von Ölbohrlöchern üblicherweise gestellten Anforderungen.

Nun wurden die Vergleichsschlämmung A und B einem Gasdurchlässigkeitstest unterzogen. Die hierzu verwendete, in Abb. 1 gezeigte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem 2 m hohen Polyacrylzylinder 1 eines inneren Durchmessers von 80 mm und einer Wandstärke von 5 mm mit einem zentral in eine abnehmbare Bodenplatte 2 einmündenden Lufteinleitungsrohr 3 und einer darüber angeordneten luftdurchlässigen, aus einer Mischung aus Sand gleicher Korngröße und Epoxidpartikeln gebildeten Filterschicht 4. Für die Lufteinleitung ist ein über einem Druckregler 6 gesteuerter Luftkompressor 5 vorgesehen.

Ferner enthält die Vorrichtung innerhalb des Zylinders 1 eine Sonde 7 zur Messung hydrostatischer Drücke und eine Temperaturmeßsonde 11. Aus dem mit einem abnehmbaren Deckel geschlossenen Kopf des Zylinders 1 führt schließlich ein Luftaustrittsrohr 9 in einen Gasdurchflußzähler 10.

Die Gasmigrationsuntersuchungen wurden wie folgt ausgeführt. Der Zylinder 1 wurde jeweils bis ohenhin mit frisch angesetzter Zementschlämme ausgefüllt, worauf sogleich ein Luftüberdruck mittels des Kompressors 5 in dem Rohr 3 hergestellt und über den Regler 6 auf einem konstanten Wert gehalten wurde, der gleich dem Druck einer Wassersäule von der Höhe der Zementsäule in Zylinder 1 war ("Wassergradient"). Über den Gasdurchflußzähler 10 wurde dann beobachtet und gemessen, ob und nach welcher Versuchszeit ein Luftdurchbruch durch die Zementsäule in dem Zylinder 1 auftritt. Der Temperaturfühler diente der Kontrolle übereinstimmender Versuchstemperaturen der Zementschlämme und die Sonde 7 der Überwachung des hydrostatischen Druckes der Zementsäule, welcher sich bei Gaseinmischung in die Zementsäule wegen des abnehmenden Schüttgewichtes erniedrigt.

Die Versuchsergebnisse sind in Fig. 2 dargestellt und zeigen den von dem Durchflußzähler 10 gemessenen, gegen die Versuchszeit aufgetragenen Luftdurchtritt durch die Probesäule der Zementschlämme. Wie Fig. 2 erkennen läßt, blieb die Zementschlämme A gemäß der Erfindung über die gesamte Versuchszeit von etwa 17 Stunden völlig gasundurchlässig, wohingegen die konventionelle Zementschlämme B nach anfänglicher Gasundurchlässigkeit ab etwa 9 Stunden spontan Migrationsdefekte zeigte; eine derartige konventionelle Zementschlämme B ist für die Zementation von Bohrlöchern für die Exploratioin von Erdgas oder Erdöl bei Bohrungen durch gasführende Formationen also völlig ungeeignet.

Beispiel 2

Es wurden drei weitere, anders als zu Beispiel 1 zusammengesetzte Zementschlämme C, D und E hergestellt und wie die Schlämme A und B geprüft. Die Zementschlämme D und E wiesen eine Zusammensetzung gemäß der Erfindung auf, die Schlämme C entsprach dem Stand der Technik.

Außerdem wurden zwei weitere Schlämme d′ und E′, hergestellt und untersucht, die sich von den Schlämmen D und E nur darin unterschieden, daß anstelle des erfindungsgemäß verwendeten amorphen Kieselsäure- Aerosols eine kristalline Kieselsäure mit den Eigenschaften gemäß der oben erläuterten US-PS 42 34 344 eingesetzt wurde.

Die Schlämmen waren wie folgt zusammengesetzt:

Zementschlämme C

(nach dem Stand der Technik)

Zementschlämme D

(gemäß der Erfindung)

Zementschlämme D′ (in Anlehnung an US-PS 42 34 344)

Zusammensetzung wie Zementschlämme D, jedoch unter Verwendung von kristalliner Kieselsäure.

Zementschlämme E

(gemäß der Erfindung)

Zementschlämme E′ (in Anlehnung an US-PS 42 34 344)

Zusammensetzung wie Zementschlämme E, jedoch unter Verwendung von kristalliner Kieselsäure.

Tabelle 2

(Versuchsdurchführung und Versuchsdaten gemäß API-Spezifikation 10)

Wie die in Fig. 3 dargestellten Gasmigrationsversuche zeigen, erweist sich die konventionelle Zementschlämme C, für die nach etwa 11 Stunden ein starker Gasdurchbruch festzustellen war, für die Ölbohrlochzementation als ungeeignet, wohingegen die Zementschlämme D und E gemäß der Erfindung gasundurchlässig bzw. gasmigrationsfest sind.

Für die unter Verwendung der vergleichsweise stark grobkörnigen und kristallinen Kieselsäurequalität anstelle des gemäß der Erfindung einzusetzenden amorphen feinstteiligen Siliciumdioxidmaterials bereiteten Schlämme D′ und E′ wurden keine Gasmitrationsversuche unternommen, da die Zementschlämme D′ und E′ bereits von vorneherein gewisse Voraussetzungen für die Bohrlochzementierung bei normalen, nicht heißen, Temperaturen nicht erfüllen konnten.

So ergab sich, daß die Schlämme E′ eine derartig hohe Viskosität annahm, daß sie einerseits schon deswegen für die Bohrlochzementierung auf dem Gebiete der Erfindung unbrauchbar wäre, und daß andererseits auch weitere Untersuchungen gemäß Tabelle 2, Schlämme E, nicht möglich waren.

Die mit kristalliner Kieselsäure hergestellte Schlämme D′ zeigte wie Tab. 2 Auskunft gibt, einerseits hinsichtlich des gewünschten Viskositätsverhaltens und der Abbindezeit um etwa den Faktor 3 schlechtere Werte als die mit dem gemäß der Erfindung verwendeten Siliciumdioxidmaterial hergestellte Schlämme D. Wenngleich das mäßige Viskositäts- und Abbindeverhalten der Schlämme D′ unter Umständen noch hinnehmbar wäre, liegt andererseits aber deren Druckfestigkeit nach 24 Stunden völlig unbrauchbar nahezu bei Null.

Man erkennt, daß zwar der Dichtewert der Schlämme D′ wie derjenige der erfindungsgemäßen Schlämme D sehr günstig niedrig liegt, daß aber die rheologischen Eigenschaften der Schlämme D′ und E′ und besonders die sehr hohe Abbindezeit der Schlämme D′ bei normaler Temperatur für eine Verwendung auf dem Anwendungsgebiet der Erfindung wenig brauchbar bis völlig unbrauchbar sind.

Beispiel 3

Es wurden sechs weitere Zementschlämme, F bis K, mit Zusammensetzungen gemäß der Erfindung wie in den Beispielen 1 und 2 untersucht. Über die Zusammensetzung der Zementschlämme und deren Eigenschaften geben die Tabellen 3 und 4 Auskunft.

Tabelle 3

(Versuchsdurchführung und Versuchsdaten gemäß API-Spezifikation 10)

Sämtliche Mengen in kg

Tabelle 4

(Versuchsdurchführung und Versuchsdaten gemäß API-Spezifikation 10)

Sämtliche dieser Zementschlämme erwiesen sich bei dem gemäß Beispiel 1 durchgeführten Gasmigrationsversuch als gasundurchlässig.

Beispiel 4

Die gemäß der Erfindung wie nachstehend angegebenen zusammengesetzte Zementschlämme L war mit einem hohen Gehalt an Kieselsäure-Aerosol und mit Frischwasser anstatt Meerwasser angemacht wordem.

Zementschlämme L

Die Zementschlämme L wurde gemäß Beispiel 1 untersucht. Die Ergebnisse enthält Tabelle 5.

Zementschlämme L
Dichte, g/cm³
1,28
scheinbare Viskosität, mPa·s	48
plastische Viskosität, mPa·s	42
Fließpunkt, N/m²	5,7
Druckfestigkeit nach 24 h bei 20°C MPa	1,0

Auch die Zementschlämme L zeigte beim Gasmigrationsversuch mit der zu Beispiel 1 beschriebenen Apparatur keine Gasdurchlässigkeit und ist wie sämtliche anderen Zementschlämme gemäß der Erfindung für die Zementation von Bohrlöchern, insbesondere von Erdölbohrlöchern, für die nur Zementschlämme niederer Dichte einsetzbar sind, nicht nur unter dem Gesichtspunkt guter Zementfestigkeit, sondern auch hinsichtlich einer Gasmigrationssicherheit hervorragend geeignet.

Claims

1. Hydraulische Zementschlämme zur Zementation von Bohrlöchern, insbesondere bei der Erdölerbohrung durch lockeres und gasführendes Gestein, mit einer Zusammensetzung aus 100 Gewichtsanteilen hydraulischem Zement 5-100 Gewichtsanteilen amorphem Kieselsäure-Aerosol, 0-200 Gewichtsanteilen Leichtzuschlagstoff einer wahren Dichte zwischen 0,1 und 1,5 g/cm³, 0-5 Gewichtsanteilen (Trockengewicht) Zementverflüssiger, 0-10 Gewichtsanteilen (Trockengewicht) Wasserbindemittel,

gegebenenfalls wenigstens einem weiteren Zementzusatzmittel und Wasser zu einem Anteil, daß die Dichte der Zementschlämme zwischen 0,8 und 2,0 g/cm³ liegt.

2. Zementschlämme nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den aus dem Ofenabgas von elektrothermischen Schmelzöfen für die Siliciumgewinnung oder die Gewinnung von Ferrosilicium eine Siliciumgehalts ab 50 Gew.-%, vorzugsweise eines Siliciumgehalts ab 75 Gew.-%, gewonnenen Flugstaub als das amorphe Kieselsäure-Aerosol.

3. Zementschlämme nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leichtzuschlagstoff aus Mikrohohlkugeln, insbesondere aus Flugasche gewonnen, besteht,

4. Zementschlämme nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an amorphem Kieselsäure-Aerosol 10-70 Gew.-%, vorzugsweise 15-50 Gew.-%, des eingesetzten Zements beträgt.

5. Zementschlämme nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Leichtzuschlagstoff 10-100 Gew.-% des eingesetzten Zements beträgt.

6. Zementschlämme nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Zementverflüssiger (bezogen auf die Trockensubstanz) 0,1-2 Gew.-% des eingesetzten Zements beträgt.

7. Zementschlämme nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Wasserbindemittel (bezogen auf die Trockensubstanz) 0,1-5 Gew.-% des eingesetzten Zements beträgt.

8. Zementschlämme nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Gehalt an einem Abbindebeschleuniger bzw. Abbindeverzögerer.

9. Zementschlämme nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die über die Menge des Anmachwassers eingestellte Dichte der Zementschlämme zwischen 1 und 1,5 g/cm³ liegt.