DE60202311T2

DE60202311T2 - Bohrlochzementzusammensetzung für "offshore"-Bohrlöcher in Tiefwasser

Info

Publication number: DE60202311T2
Application number: DE60202311T
Authority: DE
Inventors: Raghava B. Duncan Reddy; Russel M. Waurika Fitzgerald
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2001-02-21
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2022-02-01
Also published as: US20030217847A1; CA2372876A1; US20030006038A1; US6454004B2; NO20020797L; US6630021B2; NO20020797D0; US6793730B2; US20020005287A1; EP1238952B1; DE60202311D1; EP1238952A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zementzusammensetzung und eine Methode insbesondere, aber nicht ausschliesslich, für das Einzementieren von Führungs- oder Oberflächenverrohrungen in Offshore-Bohrlöcher in tiefen Gewässern.
Während des Durchführens von Komplettierungsverfahren in Öl- oder Gasbohrlöchern werden normalerweise hydraulische Zementzusammensetzungen angewendet. Solche hydraulischen Zementzusammensetzungen werden zum Beispiel für primäre Zementierverfahren angewendet, wobei Verrohrungen in Bohrlöcher einzementiert werden. Dies bedeutet, dass eine hydraulische Zementzusammensetzung in den ringförmigen Raum zwischen den Wänden eines Bohrloches und der Aussenseite einer darin befindlichen Verrohrung eingepumpt wird. Die Zementzusammensetzung kann dann in dem ringförmigen Raum aushärten und auf diese Weise innerhalb desselben eine ringförmige Schicht von ausgehärtetem, undurchlässigen Zement formen. Der Zweck dieser Zementschicht ist das physische Stützen und Positionieren der Verrohrung in der Bohrlochbohrung und das Verbinden der Verrohrung mit den Wänden des Bohrloches, wobei eine unerwünschte Wanderung von Flüssigkeit zwischen Zonen oder Formationen, welche von dem Bohrloch penetriert werden, verhindert wird.
Primäre Zementierverfahren in Offshore-Bohrlöchern in tiefen Gewässern sind aufgrund der Tatsache besonders schwierig durchzuführen, dass dieselben in Bohrlöchern durchgeführt werden, welche Formationen zwischen dem Meeresboden oder der Schlammoberfläche und einer solchen Tiefe penetrieren, die allgemein bis zu 609.6 m (2.000 Fuß) unter der Schlammoberfläche liegt. Solche Formationen sind oft nicht besonders gut konsolidiert, spalten leicht, und beinhalten oft unter hohem Druck stehendes Wasser, welches durch dieselben fließt. So schränken zum Beispiel die Spaltgradienten in Unterwasserbohrlöchern, in welche Führungs- und/oder Oberflächenverrohrungen einzementiert werden sollen, die Dichte der angewendeten Zementzusammensetzungen oft auf 1.32 oder 1.44 g/cm³ (10 bis 11 Pfund pro Gallone) ein. Ein grosser Wasserdurchfluß durch diese Bohrlöcher wäscht oft Zementzusammensetzungen aus, welche über Dichten von weniger als 1.20 bis 1.32 g/cm³ (10 bis 11 Pfund pro Gallone) verfügen.
Ein weiteres Problem, welches während des Bohrlochzementierens in tiefen Gewässern auftritt, ist die Temperatur, bei welcher sich die Zementzusammensetzung verfestigen muss. Offshore-Borhlöcher in tiefen Gewässern weisen normalerweise Meeresbodentemperaturen von ungefähr 0°C bis 12.78°C (32°F bis 55°F) auf, wobei diese von dem geografischen Standort abhängen. Die für das Durchführen von Zementierverfahren bei solchen Temperaturen angewendeten Zementzusammensetzungen müssen sich so verfestigen und eine ausreichend grosse Druckfestigkeit aufweisen, dass das Bohrverfahren ohne langwierige Zementwartezeiten (WOC) fortgesetzt werden kann, vorzugsweise innerhalb von weniger als 24 Stunden. Demnach müssen die Zementzusammensetzungen Verfestigungs- und Festigkeitsbeschleunigungsmittel einschliessen, welche den Zementzusammensetzungen ein Verfestigen bei diesen niedrigen Temperaturen erlauben und frühzeitig eine ausreichend grosse Druckfestigkeit erzeugen. Ein Problem während der Anwendung von Verfestigungs- und Festigkeitsbeschleunigungsmitteln ist jedoch, dass diese den Zementzusammensetzungen oft Verdickungszeiten verleihen, welche zu kurz sind, um ein Positionieren derselben Zementzusammensetzungen in den Formationen oder Zonen zu ermöglichen, welche zementiert werden sollen. Zementzusammensetzungen, welche in Bohrlöchern in tiefen Gewässern angewendet werden sollen, müssen daher über ausreichend lange Pumpzeiten verfügen, um ein Positionieren derselben zu ermöglichen, müssen sich aber gleichzeitig so schnell wie möglich verfestigen und eine ausreichend grosse Druckfestigkeit aufweisen, um ein Fortsetzen des Bohrverfahrens zu ermöglichen. Die allgemein akzeptieren Anforderungen für Zementzusammensetzungen, welche die oben beschriebenen Probleme innerhalb der Golfküstenregion der Vereinigten Staaten überwinden, schliessen Zementzusammensetzungsdichten innerhalb eines Bereichs von 1.20 bis 1.44 g/cm³ (10 bis 11 Pfund pro Gallone), Verdickungszeiten von 3 bis 5 Stunden, und Druckfestigkeiten von 2.76 × 106 bis 4.14 × 10⁶ Pa (400 bis 600 psi) bei Temperaturen von ungefähr 7.22°C bis ungefähr 12.78°C (45°F bis ungefähr 55°F) ein.
Aufgeschäumte Zementzusammensetzungen werden bis heute in Offshore-Bohrlöchern in tiefen Gewässern dazu angewendet, die erforderlichen niedrigen Dichten zu erzeugen. Auch Verfestigungs- und Festigkeitsbeschleunigungsmittel wie zum Beispiel Kalziumchlorid werden dazu angewendet, kurze Verdickungszeiten bei den niedrigen Temperaturen zu erzeugen, welche hier vorherrschen. Um die notwendigen Druckfestigkeiten bei diesen niedrigen Temperaturen zu erzeugen, enthalten zurzeit angewendete Zementmischungen mindestens zwei verschiedene Zemente. US-Anmeldung 5,571,318 von Griffith et al vom 5. November 1996 beschreibt zum Beispiel Zementierzusammensetzungen für die Anwendung in kalten Umgebungen, welche aus einem relativ groben, aus Feststoffen bestehenden hydraulischen Zement bestehen, welcher mit einem aus ultrafeinen Feststoffen bestehenden hydraulischen Zement gemischt wird. US-Anmeldung 5,806,594 von Stiles et al vom 15. September 1998 beschreibt aufgeschäumte Zementzusammensetzungen, welche Kalziumsulfatzement und Portlandzement beinhalten.
API-Ölbohrlochzemente werden im allgemeinen in Offshore-Bohrlöchern in tiefen Gewässern angewendet, wobei aufgrund der vorherrschenden Temperaturunterschiede häufig verschiedene Klassen solcher Zemente für das Zementieren auf verschiedenen Tiefen angewendet werden müssen. Die Anwendung von zwei oder mehreren verschiedenen Zementen, egal für welchen Zweck, während des Bohrens eines Offshore-Bohrloches fordert mehrere Reinigungen der Zementgroßraumtanks, welche auf der Bohrinsel positioniert sind, sowohl wie zahlreiche Fahrten an Land zu Onshore-Mischanlagen und das Transportieren der verschiedenen Zemente zur Bohrinsel. Es besteht daher ein Bedarf für eine Zementzusammensetzung, welche einen einzigen Zement beinhaltet, und welche für das Zementieren auf verschiedenen Tiefen in einem Offshore-Bohrloch angewendet werden kann. Die Anwendung einer solchen Zementzusammensetzung würde sich sowohl als sehr wirtschaftlich wie auch aus umweltlicher Sicht als bevorzugt erweisen.
Ein weiteres Problem, welches mit Offshore-Bohrlöchern assoziiert ist, betrifft die Anwendung von trockenen Additiven wie zum Beispiel Verfestigungs- und Druckfestigkeitsbeschleunigungsmitteln, Verfestigungsstaustoffen, Dispersionsmitteln und ähnlichen in den angewendeten Zementzusammensetzungen. Die Anwendung von trockenen Additiven fordert ein Trockenmischen des Zements mit den trockenen Additiven an Land und das Transportieren der resultierenden Mischung zu der Offshore-Bohrinsel, wo die trockene Mischung mit Meerwasser gemischt wird. Aufgrund der verschiedenen Temperaturen, Spaltgradienten, und Wasserdurchflußraten können diese Mischungen im allgemeinen nur für das Zementieren auf bestimmten Tiefen angewendet werden. Als ein Resultat müssen nicht verwendete Mengen von spezifischen Zementmischungen entsorgt und durch neu aufbereitete Mischungen ersetzt werden. Auch dieses Verfahren verschwendet wieder Zeit und Geld, denn es fordert zusätzliche Fahrten zwischen der Onshore-Mischanlage und der Bohrinsel usw.
Wenn es daher möglich wäre, lediglich einen Basiszement anzuwenden und die verschiedenen Additive kurz vor dem Zementieren in flüssiger Form auf der Offshore-Bohrinsel zu dem Mischwasser oder dem Schlamm hinzuzufügen, könnten solche Zementgroßvorräte auf einen Trockenzementvorrat auf der Bohrinsel beschränkt werden, welcher für die gesamte Komplettierung des Bohrloches angewendet werden kann, wobei Entscheidungen bezüglich der präzisen Eigenschaften der anzuwendenden Zementzusammensetzungen auf einen Zeitpunkt verlegt werden können, an welchem das Zementierverfahren beginnen soll, wobei das Betriebspersonal nur so viel Zement und flüssige Additive verwenden wird, wie erforderlich sind, und auf diese Weise keinen kostspieligen Abfall und Ausfallzeiten erzeugen wird.
Ein weiteres Problem, welches zurzeit während des Zementierens von Offshore-Bohrlöchern in tiefen Gewässern oft auftritt, ist der Eintritt von Formationsflüssigkeit, d. h. Wasser, Gas und/oder Öl, in eine Zementzusammensetzung, welche in dem Ringraum zwischen einer Verrohrung und den Wänden eines Bohrloches positioniert wurde, und welche sich noch nicht verfestigt hat. Ein solcher Eintritt von Formationsflüssigkeit wird im allgemeinen dadurch verursacht, dass die Zementzusammensetzung sich zum Teil selber stützt und die Zementsäule innerhalb des Ringraums folgedessen die Fähigkeit verliert, einen hydrostatischen Druck zu übertragen. Wenn der Druck, welcher von der Zementzusammensetzung ausgeübt wird, unter den Druck der Formationsflüssigkeit abfällt, tritt diese Formationsflüssigkeit in den Ringraum ein und fließt durch die Zementzusammensetzung hindurch, wobei Fließkanäle in derselben geformt werden, welche auch nach dem vollständigen Verfestigen der Zementzusammensetzung dort verbleiben. Der Verlust der Fähigkeit der Zementsäule, hydrostatischen Druck zu übertragen, kann aufgrund einer zu langen Übergangszeit der Zementzusammensetzung resultieren, d. h. dem Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt, zu welchem die Zementzusammensetzung mit dem Entwickeln der statischen Gelstärke beginnt und dem Zeitpunkt, zu welchem die Zementzusammensetzung über eine ausreichend grosse Gelstärke für das Verhindern eines Eintritts von Formationsflüssigkeit verfügt. Bei den in Offshore-Bohrlöchern auftretenden niedrigen Temperaturen ist es zurzeit schwierig oder gar unmöglich, die Übergangszeiten von Zementzusammensetzungen ausreichend zu verkürzen, um einen Eintritt von Formationsflüssigkeit und die damit assoziierten Probleme zu verhindern. Es besteht daher ein Bedarf für verbesserte Zementzusammensetzungen und Methoden für das Einzementieren von Verrohrungen in Offshore-Bohrlöcher mit Hilfe derselben Zementzusammensetzungen, wobei ein Eintritt von Formationsflüssigkeit verhindert werden soll.
Ein weiteres Problem, welches während des Zementierens von Offshore-Bohrlöchern oft auftritt, betrifft die Anwendung von Additiven wie zum Beispiel wasserreduzierende Mittel, Dispersionsmittel, oberflächenaktive Schaumbildungs- und Schaumstabilisierungsmittel, Verfestigungsstaustoffe und ähnlichen, welche nicht biologisch abbaubar sind. Dies bedeutet, dass Zementzusammensetzungsadditive, welche in der Umwelt nicht vollständig biologisch abbaubar sind, ihren Weg in das Meerwasser finden und die dort ansässigen aquatischen Lebenszyklen stören werden, wenn dieselben in Offshore-Anwendungen angewendet werden. Es besteht daher weiter ein Bedarf für verbesserte Bohrlochzementzusammensetzungen, welche biologisch abbaubare Additive und Methoden für das Anwenden derselben Zusammensetzungen in Offshore-Bohrlochanwendungen beinhalten.
Die vorliegende Erfindung bietet verbesserte Zementzusammensetzungen, welche biologisch abbaubare Additive beinhalten, sowohl wie Methoden für das Einzementieren von Verrohrungen in Offshore-Formationen, welche von Bohrlöchern penetriert werden, wobei dieselben wenigstens zum Teil die oben beschriebenen Anforderungen erfüllen und die Nachteile des aktuellen Standes der Technik überwinden oder mildern. Die vorliegende Erfindung bietet daher eine Zementzusammensetzung für das Einzementieren von Verrohrungen in Offshore-Formationen in tiefen Gewässern, wobei dieselbe Zusammensetzung einen einzigen hydraulischen Zement umfasst; Wasser für das Formen eines pumpbaren Schlamms; ein biologisch abbaubares, wasserreduzierendes und dispersierendes Additiv; ein biologisch abbaubares Verfestigungsstaustoffadditiv; und ein biologisch abbaubares Druckfestigkeits- und Verfestigungsbeschleunigungsadditiv; dadurch gekennzeichnet, dass das vorgenannte wasserreduzierende und dispersierende Additiv aus einer Polyasparaginsäure besteht, welche in einer Menge von 0.2% bis 2% Massenanteil des Zements in der vorgenannten Zusammensetzung vorhanden ist, und welche weiter dadurch gekennzeichnet ist, dass das vorgenannte Verfestigungsstaustoffadditiv aus der Gruppe ausgewählt wird, welche Natriumlignosulfonat, Kalziumlignosulfonat und Ammoniumlignosulfonat beinhaltet, und in einer Menge von 0.0165% bis 0.165% Massenanteil des Zements in der vorgenannten Zusammensetzung vorhanden ist.
Je nach der Temperatur des zu zementierenden Bohrloches und der Menge von Trikalziumaluminat, welche in dem jeweiligen anzuwendenden hydraulischen Zement vorhanden ist, kann zusätzliches Kalziumaluminat in die Zementzusammensetzung mit eingeschlossen werden, um die Übergangszeit der Zementzusammensetzung zu verkürzen. Wenn eine Zementzusammensetzung mit einer geringen Dichte angewendet werden muss, um das Formen von Spalten in Untergrundformationen zu verhindern, welche von dem Bohrloch penetriert werden, kann die oben beschriebene Zementzusammensetzung aufgeschäumt werden, d. h. sie kann ein Gas in einer ausreichend grossen Menge für das Aufschäumen der Zementzusammensetzung sowohl wie ein Zementzusammensetzungsschaumbildungs- und Schaumstabilisierungsadditiv beinhalten, welches eine ausreichend grosse Menge eines hydrolisierten Keratins umfasst. Mit Ausnahme des Zements und des für das Aufschäumen der Zementzusammensetzung angewendeten Gases können alle anderen Komponenten der Zementzusammensetzung in flüssiger Form hinzugefügt werden.
Die Methoden der vorliegenden Erfindung umfassen grundsätzlich das Platzieren einer Zementzusammensetzung der vorliegenden Erfindung in den Ringraum zwischen einer Verrohrung und einem Bohrloch; und das Verfestigen derselben Zementzusammensetzung zu einer harten, undurchlässigen Masse in demselben.
Die vorliegenden Erfindung bietet verbesserte Bohrlochzementzusammensetzungen, welche biologisch abbaubare Additive beinhalten, sowohl wie Methoden für das Einzementieren einer Verrohrung in Offshore-Formationen oder -Zonen in tiefen Gewässern, welche von einem Bohrloch penetriert werden, mit Hilfe derselben Zementzusammensetzungen.
Die Zementzusammensetzungen bestehen aus einem einzigen hydraulischen Zement, Wasser, und Additiven, welche alle biologisch abbaubar sind, und welche alle in flüssiger Form zu dem Wasser oder dem Zementschlamm hinzugefügt werden können. Die Zementzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können für einen weiten Temperaturbereich angewendet werden, d. h. von ungefähr 0°C bis ungefähr 26.67°C (32°F bis ungefähr 80°F), indem ganz einfach das Gewichtsverhältnis und die Mengen einiger der Komponenten in diesen Zusammensetzungen geändert werden. Die Zementzusammensetzungen können ausserdem die allgemein akzeptierten Anforderungen für das Einzementieren von Verrohrungen in Offshore-Bohrlöcher in tiefen Gewässern erfüllen, indem sie nämlich eine Zementzusammensetzungsdichte innerhalb eines Bereichs von 1.20 bis 1.44 g/cm³ (10 bis 12 Pfund pro Gallone), eine Verdickungszeit von 3 bis 5 Stunden, und Druckfestigkeiten von 2.76 × 10⁶ Pa bis 4.14 × 10⁶ Pa (400 psi bis 600 psi) bei 7.22°C bis 12.78°C (45°F bis 55°F) aufweisen. Die Methoden ermöglichen es dem Betriebspersonal einer Offshore-Bohrinsel, einen einzigen trockenen Zement in einem Großspeicherbehälter auf der Plattform zusammen mit den anderen Komponenten der Zementzusammensetzung aufzubewahren, welche mit Ausnahme des Gases, welches für das Aufschäumen der Zusammensetzung angewendet wird, alle in flüssiger Form aufbewahrt werden können. Die flüssigen Additive können kurz vor dem Zementiern zu dem Wasser oder dem aus einem einzigen Zement bestehenden Schlamm hinzugefügt werden, wobei das Betriebspersonal nur so viel trockenen Zement und flüssige Komponenten verwendet, wie erforderlich sind, ohne übermässigen Abfall zu erzeugen und Zeit während des Umstellens auf einen anderen Zement zu verschwenden usw.
Wie schon erwähnt eignen sich die Bohrlochzementzusammensetzungen und Methoden der vorliegenden Erfindung besonders für das Einzementieren von Führungs- und/oder Oberflächenverrohrungen in Offshore-Formationen oder -Zonen in tiefen Gewässern, welche von Bohrlöchern penetriert werden. Die Zementzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können auch in Formationen in seichten Gewässern mit grossen Fließraten angewendet werden, in welche Führungs- und/oder Oberflächenverrohrungen einzementiert werden sollen, sowohl wie in wärmeren Formationen, in welche andere Verrohrungen oder Futterrohre einzementiert werden sollen. Im allgemeinen können die Zementzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung für das Zementieren von Bohrlöchern auf Tiefen von 0 bis 2438.4 m (0 bis 8.000 Fuß) oder mehr angewendet werden.
Die verbesserten Bohrlochzementzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung, welche biologisch abbaubare Additive beinhalten, bestehen grundsätzlich aus einem einzigen hydraulischen Zement, einer ausreichend grossen Menge Wasser für das Formen eines pumpbaren Schlamms, einem wasserreduzierenden und dispersierenden Additiv, welches eine Polyasparaginsäure umfasst, einem Verfestigungsstaustoffadditiv, welches ein Lignosulfonatsalz umfasst, und einem Druckfestigkeits- und Verfestigungsbeschleunigungsadditiv, welches ein wasserlösliches Kalziumsalz umfasst.
Je nach der Temperatur des zu zementierenden Bohrloches und der Menge des in dem hydraulischen Zement angewendeten Trikalziumaluminat kann mehr Kalziumaluminat zu der Zementzusammensetzung hinzugefügt werden, um die Übergangszeit der Zementzusammensetzung zu verkürzen. Wenn eine Zementzusammensetzung mit einer geringen Dichte angewendet werden muss, um das Formen von Spalten in Untergrundformationen zu verhindern, welche von dem Bohrloch penetriert werden, kann die oben beschriebene Zementzusammensetzung aufgeschäumt werden, d. h. sie kann eine ausreichend grosse Menge Gas für das Aufschäumen der Zementzusammensetzung sowohl wie ein Zementzusammensetzungsschaumbildungs- und Schaumstabilisierungsadditiv beinhalten, welches aus hydrolisiertem Keratin besteht. Mit Ausnahme des Zements und des für das Aufschäumen der Zementzusammensetzung angewendeten Gases können alle anderen Komponenten der Zementzusammensetzung in flüssiger Form vorhanden sein.
Das wasserreduzierende und dispersierende Additiv, das Verfestigungsstaustoffadditiv, und das Zementdruckfestigkeits- und Verfestigungsbeschleunigungsadditiv sind in solchen Mengen vorhanden, dass die Zementzusammensetzung innerhalb von 24 Stunden oder weniger über eine geeignete Verdickungszeit verfügt, welche im allgemeinen innerhalb eines Bereichs von ungefähr 3 bis ungefähr 5 Stunden liegen wird, und eine ausreichend grosse Druckfestigkeit entwickelt, welche im allgemeinen innerhalb eines Bereichs von ungefähr 2.76 × 10⁶ Pa bis ungefähr 4.14 × 10⁶ Pa (400 psi bis ungefähr 600 psi) bei einer Temperatur innerhalb eines Bereichs von ungefähr 7.22°C bis ungefähr 12.78°C (45°F bis ungefähr 55°F) liegen wird.
Wie oben schon erwähnt können die mit Portlandzement oder einem gleichwertigen hydraulischen Zement geformten Zementzusammensetzungen mit sehr kurzen Übergangszeiten ausgestattet werden (welche manchmal auch „rechtwinklig verfestigte Zementzusammensetzungen" genannt werden), indem den Zementzusammensetzungen Kalziumaluminat hinzugefügt wird. Wenn der angewendete hydraulische Zement nicht einen der besonders aktiven Typen repräsentiert, sondern stattdessen aus einem weniger aktiven Zement mit einem niedrigen Trikalziumaluminatgehalt besteht, können ausserdem Kalziumaluminat oder ein oder mehrere Alkalimetallaluminate zu dem Zement hinzugefügt werden, um eine kurze Übergangszeit sicherzustellen. Kalziumaluminat verfügt über die allgemeine Formel (CaO)_n(Al₂O₃)_m, wobei die Werte m und n so eingestellt werden, dass die in dem Kalziumaluminat enthaltene CaO-Menge zwischen ungefähr 20% und ungefähr 40% Massenanteil, und die Al₂O₃-Menge zwischen ungefähr 60% und ungefähr 80% Massenanteil betragen kann. Kommerziell erhältliche Kalziumaluminate können auch unterschiedliche Mengen von Metalloxidunreinheiten enthalten.
Die Methoden der vorliegenden Erfindung für das Einzementieren einer Verrohrung in eine Offshore-Formation in tiefen Gewässern, welche von einem Bohrloch penetriert wird, umfassen die folgenden Stufen. Eine Zementzusammensetzung der vorliegenden Erfindung wird vorbereitet, und die vorbereitete Zementzusammensetzung wird dann in den Ringraum zwischen den Wänden des Bohrloches und einer darin positionierten Verrohrung platziert, wonach sich die Zementzusammensetzung in demselben zu einer harten undurchlässigen Masse verfestigen kann. Das zementwasserreduzierende und dispersierende Additiv und das Zementverfestigungsstaustoffadditiv reduzieren zusammen die Menge von Wasser innerhalb der Zementzusammensetzung und hemmen das Verfestigen der Zusammensetzung. Die Menge des Druckfestigkeits- und Verfestigungsbeschleunigungsadditivs in der Zusammensetzung mäßigt die Verfestigungshemmung. Die Additive entagglomerieren ausserdem den hydraulischen Zement in der Zusammensetzung, d. h. sie zersetzen agglomerierte Zementpartikel in der Zusammensetzung in getrennte Partikel, welche den Oberflächenbereich des Zements steigern, wobei der Zement schneller hydratisiert und schon frühzeitig eine druckfeste Zementzusammensetzung bei niedrigen Temperaturen liefert.
Wenn eine Zementzusammensetzung mit einer niedrigen Dichte erforderlich ist, werden eine ausreichend grosse Menge von Gas für das Formen eines Schaums und ein Zementzusammensetzungsschaumbildungs- und Schaumstabilisierungsadditiv in die oben beschriebenen Zementzusammensetzungen mit eingeschlossen. Wie weiter oben schon erwähnt können Kalziumaluminat oder ein oder mehrere Alkalimetallaluminate zusammen mit den anderen, oben beschriebenen Additiven zu der Zementzusammensetzung hinzugefügt werden, wenn der verwendete hydraulische Zement aus einem wenig aktiven Zement besteht oder wenn eine besonders kurze Übergangszeit gefordert ist, um die gewünschte kurze Übergangszeit zu erzeugen.
Der gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugte einzige hydraulische Zement besteht aus einem Portlandzement der API-Klassen A, C, H und G oder einem gleichwertigen hydraulischen Zement. Die oben aufgeführten API-Zemente werden in der API Specification For Materials And Testing For Well Cements, API-Spezifikation 10, Ausgabe 5 vom 1. Juli 1990 des American Petroleum Institute definiert und beschrieben. Die API-Portlandzemente oder andere Zemente, welchen denselben gleichwertig sind, eignen sich für das Zementieren von Offshore-Bohrlöchern in tiefen Gewässern in Tiefen zwischen 0 und 2438.4 m (0 bis 8.000 Fuß), wenn dieselben mit den Additiven der vorliegenden Erfindung angewendet werden, wobei dieselben Additive alle biologisch abbaubar sind und der Umwelt nicht schaden.
Das Wasser in der Zementzusammensetzung kann aus frischem Wasser oder Salzwasser bestehen. Die Bezeichnung „Salzwasser" wird hier angewendet, um ungesättigte Salzlösungen und gesättigte Salzlösungen einschliesslich Sole und Meerwasser zu bezeichnen. Dieses Wasser ist allgemein in einer ausreichend grossen Menge für das Formen eines pumpbaren Schlamms, und mehr spezifisch in einer Menge innerhalb eines Bereichs von ungefähr 30% bis ungefähr 40% Massenanteil des Zements in den Zementzusammensetzungen vorhanden.
Das wasserreduzierende und dispersierende Polyasparaginsäureadditiv ist biologisch abbaubar und ermöglicht die Anwendung von kleinen Wassermengen in den Zementzusammensetzungen. Es dispersiert ausserdem die Zementpartikel in dem Wasser, um einen nützlichen Schlamm mit einer niedrigen Wasserkonzentration zu produzieren. Die angewendete Polyasparaginsäure verfügt vorzugsweise über ein Molekulargewicht innerhalb eines Bereichs von ungefähr 500 bis ungefähr 60.000, und wird in einer Menge Wasser von ungefähr 40% Massenanteil der resultierenden Lösung aufgelöst. Die wässerige Polyasparaginsäurelösung ist in einer Menge innerhalb eines Bereichs von ungefähr 0.5% bis ungefähr 5% Massenanteil des Zements in der Zusammensetzung in der Zementzusammensetzung vorhanden (die Polyasparaginsäure ist in einer Menge innerhalb eines Bereichs von ungefähr 0.2% bis ungefähr 2% Massenanteil des Zements in der Zusammensetzung vorhanden). Besonders geeignete Polyasparaginsäuren sind Natriumpolyasparatatpolymer, welche kommerziell von Donlar Corporation, Bedford Park, Illinois, unter dem Handelsnamen Donlar^® A-2C, Donlar^® A-3C, und Donlar^® C-50 erhältlich sind.
Das Lignosulfonatsalz-Verfestigungsstaustoffadditiv ist auch biologisch abbaubar, und verlängert die Verdickungszeit der Zementzusammensetzung, so dass dieselbe für eine ausreichend lange Zeitspanne pumpbar bleibt und in der Untergrundzone platziert werden kann, welche zementiert werden soll. Nützliche Lignosulfonatsalze schliessen Natriumlignosulfonat, Kalziumlignosulfonat, und Ammoniumlignosulfonat ein, wobei Natriumlignosulfonat bevorzugt wird. Das Lignosulfonatsalz wird vorzugsweise in einer Menge von ungefähr 33% Massenanteil der resultierenden Lösung in Wasser aufgelöst. Die wässerige Lignosulfonatsalzlösung ist in einer Menge innerhalb eines Bereichs von ungefähr 0.05% bis ungefähr 0.5% Massenanteil des Zements der Zusammensetzung in der Zementzusammensetzung vorhanden (das Lignosulfonatsalz ist in einer Menge innerhalb eines Bereichs von ungefähr 0.0165% bis ungefähr 0.165% Massenanteil des Zements in der Zusammensetzung vorhanden).
Obwohl eine Reihe von Zementdruckfestigkeits- und Verfestigungsbeschleunigungsadditiven in den Zementzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann, wird ein wasserlösliches Kalziumsalz wie zum Beispiel Kalziumchlorid, Kalziumnitrit, und Kalziumformat bevorzugt, wobei Kalziumchlorid am meisten bevorzugt wird. Das Druckfestigkeits- und Verfestigungsbeschleunigungsadditiv wird auch vorzugsweise in frischem Wasser aufgelöst, so dass dasselbe vor Ort zu dem Mischwasser oder dem Zementschlamm hinzugefügt werden kann. Es wird am meisten bevorzugt, dass das Verfestigungsbeschleunigungsadditiv in der Form einer wässerigen Lösung vorhanden ist, während das Druckfestigkeits- und Verfestigungsbeschleunigungsadditiv darin in einer Menge von ungefähr 33% Massenanteil der Lösung vorhanden ist. Die wässerige Druckfestigkeits- und Verfestigungsbeschleunigungsadditivlösung ist in der Zementzusammensetzung in einer Menge innerhalb eines Bereichs von ungefähr 1% bis ungefähr 12% Massenanteil des Zements der Zusammensetzung vorhanden (das Additiv ist in einer Menge innerhalb eines Bereichs von ungefähr 0.33% bis ungefähr 4% Massenanteil des Zements der Zusammensetzung vorhanden).
Wenn eine Zementzusammensetzung der vorliegenden Erfindung aufgeschäumt wird, kann das angewendete Gas aus Luft oder Stickstoff bestehen, wobei Stickstoff bevorzugt wird. Das Gas ist allgemein in einer ausreichend grossen Menge für das Aufschäumen der Zementzusammensetzung auf eine Dichte innerhalb eines Bereichs von ungefähr 1.20 bis ungefähr 1.44 g/cm³ (10 bis ungefähr 12 Pfund pro Gallone) vorhanden.
Verschiedene Schaumbildungs- und Schaumstabilisierungsadditive, welche biologisch abbaubar sind, können gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet werden. Ein bevorzugtes dieser biologisch abbaubaren Additive besteht aus einem hydrilisierten Keratin. Keratin ist das strukturierte Eiweiß von Epithelialzellen in der äußersten Schicht der Haut. Hydrolisiertes Keratin wird mit Hilfe der Basishydrolyse von Huf- und Hornmehl hergestellt, d. h. das Huf- und Hornmehl wird mit Kalk in einer Autoklave aufgeheizt, um ein hydrolisiertes Eiweiß zu produzieren. Der Aminosäuregehalt, d. h. die Anzahl von Grammmolekülen von Aminosäure pro 1000 Gramm Eiweiß ist wie folgt: Lysin-6.2; Histidin-19.7; Arginin-56.9; Asparaginsäure-51.5; Threonin-55.9; Serin-79.5; Glutaminsäure-99; Prolin-58.3; Glycin-78; Alanin-43.8; Halbcystin-105; Valin-46.6; Methionin-4; Isoleucin-29; Leucin-59.9; Tryosin-28.7; Phenylalanin-22.4; Hyrdoxyprolin-12.2; Hyrdoxylsin-1.2; Total-863; durchschnittliches Restgewicht-117. Das Eiweiß ist kommerziell als ein frei fliessendes Pulver erhältlich, welches ungefähr 85% Eiweiß beinhaltet.
Der nicht aus Eiweiß bestehende Anteil des Pulvers besteht zu ungefähr 0.58% aus nicht löslichem Material, und der Rest besteht aus löslichen, nicht aus Eiweiß bestehenden Materialen, welche hauptsächlich aus Kalziumsulfat, Magnesiumsulfat, und Kaliumsulfat bestehen. Wie weiter oben schon erwähnt ist hydrolisiertes Keratin biologisch abbaubar und schadet der Umwelt nicht. Das hydrolisierte Keratineiweißpulver wird vorzugsweise vorher in einer Menge von ungefähr 50% Massenanteil der Lösung in frischem Wasser aufgelöst. Hydrolisiertes Keratin ist vorzugsweise in einer Menge innerhalb eines Bereichs von ungefähr 1% bis ungefähr 5% des Volumens des Wassers in der aufgeschäumten Zementzusammensetzung (von ungefähr 2% bis ungefähr 10% eines 50%igen Massenanteils der Lösung des hydrolisierten Keratins) in einer aufgeschäumten Zementzusammensetzung der vorliegenden Erfindung vorhanden.
Ein weiteres biologisch abbaubares Schaumbildungs- und Schaumstabilisierungsadditiv, welches gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann, besteht aus einer Mischung eines ethoxylierten Alkoholethersulfats mit der Formel H(CH₂)_a(OC₂H₄)_b(OSO₃NH₄ ⁺ wobei a eine Ganzzahl innerhalb eines Bereichs von ungefähr 6 bis ungefähr 10 repräsentiert, und wobei b eine Ganzzahl innerhalb eines Bereichs von ungefähr 3 bis ungefähr 10 repräsentiert; und einem Alkyl- oder Alkenamidopropylbetain mit der Formel R-CONHCH₂CH₂CH₂N⁺(CH₃)₂CH₂Co₂ ^– wobei R ein Radikal repräsentiert, welches aus einer Gruppe von Decyl, Cocoyl, Lauryl, Cetyl, und Oleyl ausgewählt wird; und einem Alkyl- oder Alkenamidopropyldimethylaminoxid mit der Formel R-CONHCH₂CH₂CH₂N⁺(CH₃)₂O^– wobei R ein Radikal repräsentiert, welches aus einer Gruppe von Decyl, Cocoyl, Lauryl, Cetyl, und Oleyl ausgewählt wird.
Das ethoxylierte Alkoholethersulfat ist allgemein in einer Menge innerhalb eines Bereichs von ungefähr 60 bis 64 Massenanteilen in der oben beschriebenen Mischung vorhanden. Das Alkyl- oder Alkenamidopropylbetain ist allgemein in einer Menge innerhalb eines Bereichs von ungefähr 30 bis ungefähr 33 Massenanteilen, und in dem Additiv vorhanden, und das Alkyl- oder Alkenaminopropyldimethylaminoxid ist allgemein in einer Menge innerhalb eines Bereichs von ungefähr 3 bis ungefähr 10 Massenanteilen in dem Additiv vorhanden. Die oberflächenaktive Mischung wird vorzugsweise mit frischem Wasser in einer Menge von ungefähr 50% Massenanteil der Lösung kombiniert.
Eine besonders geeignete Mischung der oben beschriebenen oberflächenaktiven Schaumbildungs- und Schaumstabilisierungsmittel besteht aus ethoxyliertem Alkoholethersulfat, welches in einer Menge von ungefähr 63.6 Massenanteilen in der Mischung vorhanden ist; das Alkyl- oder Alkenamidopropylbetain besteht aus Cocoylamidopropylbetain, und ist in einer Menge von ungefähr 31.7 Massenanteilen in der Mischung vorhanden; und das Alkyl- oder Alkenamidopropyldimethylaminoxid besteht aus Cocoylamidopropyldimethylaminoxid, und ist in einer Menge von ungefähr 5 Massenanteilen in der Mischung vorhanden. Die Mischung der oberflächenaktiven Schaumbildungs- und Schaumstabilisierungsmittel wird allgemein in einer Menge von ungefähr 1% bis ungefähr 5% des Volumens des Wassers in der aufgeschäumten Zementzusammensetzung (von ungefähr 2% bis ungefähr 10% eines 50%igen Massenanteils der vorgenannten Mischung von oberflächenaktiven Mitteln) in eine aufgeschäumte Zementzusammensetzung der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.
Die aufgeschäumten Zementschlamme der vorliegenden Erfindung können gemäß einer beliebigen, dem Fachmann bekannten Mischtechnik des aktuellen Standes der Technik vorbereitet werden. Bei einer bevorzugten Methode wird eine Menge von Wasser in einen Zementmixer eingefüllt, wonach die flüssigen Additive ausser dem Schaumbildungs- und Schaumstabilisierungsadditiv, und dann der angewendete hydraulische Zement hinzugefügt werden. Die Mischung wird dann für eine ausreichend lange Zeit gerührt, um einen pumpbaren, nicht aufgeschäumten Schlamm zu formen. Der Schlamm wird dann in das Bohrloch eingepumpt, und das flüssige Schaumbildungs- und Schaumstabilisierungsadditiv, und danach das angewendete Gas werden währenddessen in den Schlamm injiziert. Wenn der Schlamm und das Gas durch das Bohrloch hindurch an den Standort fliessen, an welchem die aufgeschäumte Zementzusammensetzung platziert werden soll, wird der Schlamm aufgeschäumt.
Wie schon erwähnt sind das wasserreduzierende und dispersierende Additiv, das Verfestigungsstaustoffadditiv, und das Druckfestigkeits- und Verfestigungsbeschleunigungsadditiv in solchen Mengen vorhanden, dass die Zementzusammensetzung innerhalb von 24 Stunden über eine Verdickungszeit von ungefähr 3 bis ungefähr 5 Stunden und eine Druckfestigkeit von ungefähr 2.76 × 10⁶ Pa bis ungefähr 4.14 × 10⁶ Pa (400 psi bis ungefähr 600 psi) bei Temperaturen innerhalb eines Bereichs von ungefähr 7.22°C bis ungefähr 12.78°C (ungefähr 45°F bis ungefähr 55°F) verfügt.
Ein Fachmann auf diesem Gebiet wird sofort erkennen, dass auch andere Additive vorzugsweise in flüssiger Form in spezifischen Anwendungen und auf spezifischen Tiefen in Offshore-Bohrlöchern in tiefen Gewässern angewendet werden können, wobei dieselben dem Fachmann bekannt sind und die erforderlichen Eigenschaften der Zementzusammensetzung nicht negativ beeinflussen. Beispiele solcher Additive schliessen Flüssigkeitsverlustkontrolladditive, viskosifizierende Mittel, thixotropische Mittel und Ablagerungsverhinderungsmittel ein, sind jedoch nicht auf diese beschränkt.
Eine Methode der vorliegenden Erfindung für das Einzementieren einer Verrohrung oder ähnlichem in ein Bohrloch besteht aus den folgenden Stufen: (a) dem Vorbereiten einer Zementzusammensetzung, welche einen einzigen hydraulischen Zement, eine ausreichend grosse Menge Wasser für das Formen eines pumpbaren Schlamms, ein wasserreduzierendes und dispersierendes Additiv, ein Verfestigungsstaustoffadditiv, und ein Druckfestigkeits- und Verfestigungsbeschleunigungsadditiv umfasst, wobei die vorgenannten Additive biologisch abbaubar und in solchen Mengen vorhanden sind, dass die Zementzusammensetzung innerhalb von 24 Stunden oder weniger über die geforderte Verdickungszeit innerhalb eines Bereichs von ungefähr 3 bis ungefähr 5 Stunden verfügt und eine Druckfestigkeit innerhalb eines Bereichs von ungefähr 2.76 × 10⁶ Pa bis ungefähr 4.14 × 10⁶ Pa (400 psi bis ungefähr 600 psi) bei einer Temperatur innerhalb eines Bereichs von ungefähr 7.22°C bis ungefähr 12.78°C (45°F bis ungefähr 55°F) entwickelt; (b) dem Platzieren der Zementzusammensetzung in dem Ringraum zwischen der Verrohrung und dem Bohrloch; und (c) dem Verfestigen der Zementzusammensetzung zu einer harten undurchlässigen Masse in demselben.
Eine weitere Methode der vorliegenden Erfindung, welche für das Einzementieren einer Verrohrung in einer Offshore-Formation oder -Zone in tiefen Gewässern, welche von einem Bohrloch penetriert wird, besonders geeignet ist, besteht aus den folgenden Stufen: (a) dem Vorbereiten einer Zementzusammensetzung, welche einen einzigen hydraulischen Zement, eine ausreichend grosse Menge Wasser für das Formen eines pumpbaren Schlamms umfasst, und eine ausreichend grosse Menge Gas für das Formen eines Schaums, und eine effektive Menge eines flüssigen Zementzusammensetzungs-Schaumbildungs- und Schaustabilisierungsadditivs, und ein wasserreduzierendes und dispersierendes Additiv, und ein flüssiges Druckfestigkeits- und Verfestigungsstaustoffadditiv, wobei die vorgenannten Additive biologisch abbaubar und in solchen Mengen in der vorgenannten Zusammensetzung vorhanden sind, dass die Zementzusammensetzung innerhalb von 24 Stunden über eine Verdickungszeit innerhalb eines Bereichs von ungefähr 3 bis ungefähr 5 Stunden verfügt und eine Druckfestigkeit innerhalb eines Bereichs von ungefähr 2.76 × 10⁶ Pa bis ungefähr 4.14 × 10⁶ Pa (400 psi bis ungefähr 600 psi) bei einer Temperatur innerhalb eines Bereichs von ungefähr 7.22°C bis ungefähr 12.78°C (45°F bis ungefähr 55°F) entwickelt; (b) dem Platzieren der Zementzusammensetzung in dem Ringraum zwischen der Verrohrung und dem Bohrloch; und (c) dem Verfestigen der Zementzusammensetzung zu einer harten, undurchlässigen Masse innerhalb desselben.
Eine weitere Methode der vorliegenden Erfindung für das Einzementieren einer Verrohrung in eine Offshore-Formation in tiefen Gewässern, welche von einem Bohrloch penetriert wird, bei einer Temperatur innerhalb eines Bereichs von ungefähr 0°C bis ungefähr 26.67°C (32°F bis ungefähr 80°F) umfasst die folgenden Stufen: (a) das Vorbereiten einer Zementzusammensetzung, welche einen einzigen hydraulischen Zement umfasst, welcher aus Portlandzement besteht, und eine ausreichend grosse Menge Wasser für das Formen eines pumpbaren Schlamms, ein Gas in einer ausreichend grossen Menge für das Formen Schaums, eines flüssigen und biologisch abbaubaren Zementzusammensetzungsschaumbildungs- und Schaumstabilisierungsadditiv, welches hydrolisiertes Keratin oder eine Mischung von oberflächenaktiven Mitteln umfasst, welche 63.3 Massenanteile ethoxyliertes Alkoholethersulfat, 31.7 Massenanteile Cocoylamidopropylbetain, und 5 Massenanteile Cocoylamidopropyldimethylaminoxid in einer effektiven Menge umfassen, und ein flüssiges und biologisch abbaubares wasserreduzierendes und dispersierendes Additiv, welches Polyasparaginsäure umfasst, und ein flüssiges und biologisch abbaubares Verfestigungsstaustoffadditiv, welches Natriumlignosulfat umfasst, und ein flüssiges und biologisch abbaubares Druckfestigkeits- und Verfestigungsstaustoffadditiv, welches Kalziumchlorid umfasst, wobei die vorgenannten Additive in solchen Mengen in der Zementzusammensetzung vorhanden sind, dass dieselbe Zementzusammensetzung innerhalb von 24 Stunden über eine Verdickungszeit innerhalb eines Bereichs von ungefähr 3 bis ungefähr 5 Stunden verfügt und eine Druckfestigkeit von wenigstens ungefähr 2.76 × 10⁶ Pa (400 psi) entwickelt; (b) das Einpumpen der Zementzusammensetzung in den Ringraum zwischen der Verrohrung und dem Bohrloch; und (c) das Verfestigen der Zementzusammensetzung zu einer harten, undurchlässigen Masse innerhalb desselben.
Noch eine weitere Methode der vorliegenden Erfindung für das Einzementieren einer Verrohrung in eine Offshore-Formation oder -Zone in tiefen Gewässern, welche von einem Bohrloch penetriert wird, umfasst die folgenden Stufen: (a) das Vorbereiten einer Zementzusammensetzung, welche einen hydraulischen Zement umfasst, und eine ausreichend grosse Menge Wasser für das Formen eines pumpbaren Schlamms, und eine ausreichend grosse Menge von Gas für das Formen eines Schaums, und ein flüssiges und biologisch abbaubares Zementzusammensetzungsschaumbildungs- und Schaumstabilisierungsadditiv, welches hydrolisiertes Keratin oder eine Mischung von oberflächenaktiven Mitteln umfasst, welche 63.3 Massenanteile ethoxyliertes Alkoholethersulfat, 31.7 Massenanteile Cocoylamidopropylbetain, und 5 Massenanteile Cocoylamidopropyldimethylaminoxid in einer Menge innerhalb eines Bereichs von ungefähr 1% bis ungefähr 5% des Volumens des Wassers in der Zusammensetzung umfasst, und ein flüssiges und biologisch abbaubares wasserreduzierendes und dispersierendes Additiv, welches Polyasparaginsäure in einer Menge innerhalb eines Bereichs von ungefähr 0.5% bis ungefähr 5% Massenanteil des Zements in der Zusammensetzung umfasst, und ein flüssiges und biologisch abbaubares Verfestigungsstaustoffadditiv, welches Natriumlignosulfonat in einer Menge innerhalb eines Bereichs von ungefähr 0.05% bis ungefähr 0.5% Massenanteil des Zements in der Zusammensetzung umfasst, und ein flüssiges und biologisch abbaubares Druckfestigkeits- und Verfestigungsstaustoffadditiv, welches Kalziumchlorid in einer Menge innerhalb eines Bereichs von ungefähr 1% bis ungefähr 12% Massenanteil des Zements in der Zusammensetzung umfasst; (b) das Einpumpen der Zementzusammensetzung in den Ringraum zwischen der Verrohrung und dem Bohrloch; und (c) das Verfestigen der Zementzusammensetzung zu einer harten, undurchlässigen Masse innerhalb desselben.
Kalziumaluminat oder ein oder mehrere Alkalimetallaluminate können wahlweise in die Zementzusammensetzungen der weiter oben beschriebenen Methoden in einer Menge innerhalb eines Bereichs von ungefähr 0.5% bis ungefähr 5% Massenanteil des hydraulischen Zements in der Zusammensetzung mit eingeschlossen werden, um die Übergangszeit der Zementzusammensetzung zu verkürzen.
Zur weiteren Veranschaulichung der Methoden der vorliegenden Erfindung beziehen wir uns nun auf das folgende Beispiel.
Beispiel
Aufgeschäumte Zementzusammensetzungen wurden vorbereitet und beinhalteten einen hydraulischen Portlandzement der Klasse A, eine ausreichend grosse Menge Wasser für das Formen eines pumpbaren Schlamms, eine ausreichend grosse Menge Luft für das Formen eines Schaums, ein flüssiges und biologisch abbaubares Zementzusammensetzungsschaumbildungs- und Schaumstabilisierungsadditiv, welches eine Mischung von ethoxyliertem Alkoholethersulfat, Cocoylamidopropylbetain, und Cocoylamidopropyldimethylaminoxid umfasste, ein flüssiges und biologisch abbaubares wasserreduzierendes und dispersierendes Additiv, welches Polyasparaginsäure mit zwei verschiedenen Molekulargewichten umfasste, ein flüssiges und biologisch abbaubares Verfestigungsstaustoffadditiv, welches Natriumlignosulfonat umfasste, und ein flüssiges und biologisch abbaubares Druckfestigkeits- und Verfestigungsbeschleunigungsadditiv, welches Kalziumchlorid umfasste. Die verschiedenen aufgeschäumten Zementzusammensetzungen wurden gemäß der Verfahren, welche in der weiter oben erwähnten API-Spezifikation 10 aufgeführt sind, auf ihre Verdickungszeit und ihre Druckfestigkeit getestet. Die Komponenten der verschiedenen Zementzusammensetzungen und deren Mengen sind zusammen mit den Testresultaten in der unten aufgeführten Tabelle wiedergegeben.
Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass die Zementzusammensetzungen, welche biologisch abbaubare Additive beinhalten, über Eigenschaften verfügen, welche für das Einzementieren von Verrohrungen in Offshore-Bohrlöcher in tiefen Gewässern geeignet sind.
Die vorliegende Erfindung ist daher sehr gut dafür adaptiert, die oben erwähnten Ziele und Vorteile sowohl wie solche zu erreichen, welche darin inhärent sind.
Es wird Folgendes beansprucht:

Claims

Eine Zementzusammensetzung für das Einzementieren von Verrohrungen in Offshore-Formationen in tiefen Gewässern, wobei dieselbe Zusammensetzung einen einzigen hydraulischen Zement umfasst; und Wasser für das Formen eines pumpbaren Schlamms; und ein umweltlich zersetzbares, wasserreduzierendes und dispersierendes Additiv; und einen umweltlich zersetzbaren Verfestigungsstaustoff; und ein umweltlich zersetzbares Druckfestigkeits- und Verfestigungsbeschleunigungsadditiv; dadurch gekennzeichnet, dass das vorgenannte wasserreduzierende und dispersierende Additiv aus einer Polyasparaginsäure besteht, welche in einer Menge von 0.2% bis 2% Massenanteil des Zements in der vorgenannten Zusammensetzung vorhanden ist, und welche weiter dadurch gekennzeichnet ist, dass das vorgenannte Verfestigungsstaustoffadditiv aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Natriumlignosulfonat, Kalziumlignosulfonat, und Ammoniumlignosulfonat besteht und in einer Menge von 0.0165% bis 0.165% Massenanteil des Zements in der vorgenannten Zusammensetzung vorhanden ist.
Eine Zusammensetzung nach Anspruch 1, bei welcher der vorgenannte hydraulische Zement aus einem Portlandzement oder einem gleichwertigen Zement besteht.
Eine Zusammensetzung nach Anspruch 2, bei welcher der vorgenannte Portlandzement oder gleichwertige Zement aus den API-Portlandzementklassen A, C, H, und G oder gleichwertigen Zementklassen ausgewählt wird.
Eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher das Wasser aus frischem Wasser oder Meerwasser besteht und in einer Menge von 30% bis 45% Massenanteil des Zements in der vorgenannten Zusammensetzung vorhanden ist.
Eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher die vorgenannten Druckfestigkeits- und Verfestigungsbeschleunigungsadditive aus Kalziumchlorid, Kalziumnitrit, oder Kalziumformat bestehen und vorzugsweise in einer Menge von 0.33% bis 4% Massenanteil des Zements in der vorgenannten Zusammensetzung vorhanden sind.
Eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher das vorgenannte wasserreduzierende und dispersierende Additiv, das vorgenannte Verfestigungsstaustoffadditiv, und die vorgenannten Druckfestigkeits- und Verfestigungsbeschleunigungsadditive in solchen Mengen vorhanden sind, dass die vorgenannte Zementzusammensetzung in 24 Stunden oder weniger eine Verdickungszeit von 3 bis 5 Stunden aufweist, und eine Druckfestigkeit von 400 psi (2.76 × 10⁶ Pa) bis 600 psi (4.14 × 10⁶ Pa) bei einer Temperatur von 45°F (7.22°C) bis 55°F (12.78°C).
Eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche weiter ein Gas umfasst, welches in einer ausreichend grossen Menge für das Formen eines Schaums vorhanden ist, und ein umweltlich zersetzbares Schaumbildungs- und Schaumstabilisierungsadditiv.
Eine Zusammensetzung nach Anspruch 7, bei welcher das vorgenannte Gas aus Luft oder Stickstoff besteht und in einer ausreichend grossen Menge für das Aufschäumen der Zementzusammensetzung bis auf eine Dichte von 10 bis 12 Pfund pro Gallone vorhanden ist.
Eine Zusammensetzung nach Anspruch 7 oder 8, bei welcher das vorgenannte Schaumbildungs- und Schaumstabilisierungsadditiv aus einem hydrolisierten Keratin oder einer Mischung aus 63.3 Massenanteilen ethoxyliertem Alkoholethersulfat, 31.7 Massenanteilen Cocoylamidopropylbetain, und 5 Massenanteilen Cocoylamidopropyldimethylaminoxid in einer Menge von 1% bis 5% des Wasservolumens in der vorgenannten Zusammensetzung vorhanden ist.
Eine Methode für das Einzementieren einer Verrohrung in eine Offshore-Formation in tiefen Gewässern, welche von einem Bohrloch penetriert wird, wobei dieselbe Methode die folgenden Stufen umfasst: das Platzieren einer Zementzusammensetzung in den Ringraum zwischen der vorgenannten Verrohrung und dem vorgenannten Bohrloch; und das Verfestigen der vorgenannten Zementzusammensetzung zu einer harten undurchlässigen Masse in demselben, wobei die vorgenannte Zementzusammensetzung einem der Ansprüche 1 bis 9 entspricht.