DE602004007497T2 - System und verfahren für umgekehrte umlaufzementierung - Google Patents

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Description

  • Hintergrund
  • Bei Arbeiten zur Erdölgewinnung aus Erdölfeldern wird oft eine Ummantelung in Form eines Stahlrohrs oder ähnlichem in eine Erdöl- und Erdgasbohrung zur Stabilisierung des Bohrlochs angeordnet. Bei diesen Aufbauten wird zur Unterstützung der Ummantelung eine Zementhülle in dem Ringraum zwischen der Ummantelung und der Bohrlochwand geformt, um das Austreten von Fluiden in den Ringraum zu vermeiden und um die Ummantelung vor zersetzenden Fluiden der Gesteinsformation zu schützen.
  • Entsprechend den herkömmlichen Zementierungsvorgängen wird die Hülle durch Einbringen eines Zementschlamms in das obere Endteil der Ummantelung an der Erdoberfläche und durch Ermöglichen eines Zementflusses durch die Ummantelung zum Boden des Bohrlochs und in umgekehrter Richtung in den Ringraum hinein geformt. Der Zement fließt dann in und durch den Ringraum zwischen der Ummantelung und der das Bohrloch bildenden Seitenwand und zirkuliert zurück zur Erdoberfläche. Der Zementfluss wird anschließend beendet und eine Aushärtung des Zements zur Bildung einer Hülle ermöglicht.
  • Bei diesen Arten von Zementarbeiten können zahlreiche Schwierigkeiten auftreten. Beispielsweise ist ein ausreichender Umlauf des Zements in dem Ringraum wegen einer schwachen Formation um das Bohrloch oft schwierig zu erreichen. Außerdem übt das hydrostatische Gewicht des Zements einen beträchtlichen Druck auf die Formation aus, insbesondere wenn zusätzlicher Druck infolge der zu überwindenden Reibung des Zementschlamms auf die Formation aufgebracht wird.
  • Eine zur Überwindung dieser Unzulänglichkeiten und zur Reduktion des Drucks auf die Formation benutzte Technik verwendet einen umgekehrten Umlauf, wobei der Zementschlamm den Ringraum hinunter und in der Ummantelung hoch zurück gepumpt wird. Obwohl dies den auf die Formation ausgeübten Gesamtdruck außerordentlich reduziert, ergeben sich verschiedene Nachteile. Zum Beispiel ist es für den ausführenden Arbeiter ohne eine teure und zeitaufwendige Benutzung von bestimmten Werkzeugen unmöglich, genau festzustellen, wann der Zement den Ringraum vollständig ausfüllt. Daher besteht für den ausführenden Arbeiter das Risiko, entweder den Ringraum nicht vollständig mit dem Zement auszufüllen, oder den Zement innerhalb des Ummantelungsstrangs wieder nach oben einzubringen, wodurch potentielle Förderbereiche bedeckt und/oder zusätzliche Zeit und Kosten zum Ausbohren dieses Zements benötigt werden.
  • Die SU 1420139 offenbart ein Verfahren, bei dem ein Zementschlamm von oben in den Ringraum gepumpt und der Bohrschlamm durch die Ummantelung zur Erdoberfläche verdrängt wird. Der Schlamm darf in die Ummantelung eintreten und wird durch eine Stulpe über der Ummantelung in den Ringraum zurückgedrängt.
  • Ein anderer Nachteil bei dem umgekehrten Umlauf ist, dass der schwerere Zement aufgrund eines U-Rohr-Effekts zu Hineinfließen in die Ummantelung neigt. Da typischer Weise verwendete Schwimmervorrichtungen zur Vermeidung dieses Effekts bei umgekehrten Umläufen nicht benutzt werden können, muss der Druck bis zur ausreichenden Aushärtung des Zements auf den Ringraum aufrecht erhalten werden, um einen U-Rohr-Effekt zu verhindern. Dies kann eine Ausbildung eines Mikroringraums zwischen der Zementhülle und der Ummantelung bewirken. Ein Mikroringraum kann eine Haftungsvermessung der Ummantelung zur Untersuchung der Qualität des Zementierungsvorgangs und zur Bestimmung, ob der Ringraum hinreichend versiegelt ist, erschweren. Auch kann ein Mikroringraum einem unerwünschten Fließen von Gas, Lösungen usw. hinter der Ummantelung ermöglichen.
  • Da die Dichte des Zements über die gesamte Höhe des Bohrlochs nur wenig variiert, ist weiterhin der Vorteil eines umgekehrten Umlaufs mit einem konventionellem Zement minimal, weil der hydrostatische Gesamtdruck der Zementsäule am Ende des Vorgangs auf die Formation wirkt.
  • Deshalb werden ein System und ein Verfahren benötigt, welche die Probleme bei dem herkömmlichen Umlauf beheben und auch die Probleme in Verbindung mit dem umgekehrten Umlauf vermeiden.
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines Schnitts durch ein Bohrloch zur Gewinnung von Erdöl und Erdgas unter Verwendung eines herkömmlichen Umlaufsystems und Umlaufverfahren nach dem Stand der Technik.
  • 2 ist eine schematische Ansicht eines Schnitts durch ein Bohrloch zur Gewinnung von Erdöl und Erdgas unter Verwendung eines Systems und eines Verfahrens mit umgekehrtem Umlauf entsprechend einer Ausführung der Erfindung.
  • 3 ist eine der 2 ähnliche Ansicht, in der eine Druck- und Abstreiftechnik dargestellt wird, welche bei einer Ausführung nach 2 verwendet wird.
  • Mit Bezug auf 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 ein unterirdisches, insbesondere ein sich vertikal erstreckendes Bohrloch. Eine Ummantelung 12 erstreckt sich von der nicht dargestellten Erdoberfläche in das Bohrloch 10 und endet bei einer vorgegebenen Tiefe in dem Bohrloch 10. Die Außenwand der Ummantelung 12 befindet sich unter Bildung eines Ringraums 14 in einem kleinen Abstand zur Innenwand des Bohrlochs 10.
  • Um ein Austreten von Fluiden in den Ringraum 14 zu verhindern, die Ummantelung 12 bzw. den Futterrohrstrang zu stützen und die Ummantelung 12 vor zersetzenden Formationsfluiden zu schützen, wird eine Zementhülle in dem Ringraum 14 ausgebildet. Zur Ausbildung einer Hülle wird in Übereinstimmung mit den meisten herkömmlichen Verfahren des Standes der Technik ein flüssiger Zement 16 von einer Bezugsquelle auf der Erdoberfläche in das obere Ende der Ummantelung 12 eingebracht. Dieser fließt, wie in 1 gezeigt, abwärts durch das untere Ende der Ummantelung 12. Der flüssige Zement 16 fließt dann zum Boden des Bohrlochs 10 oder zu einem Stopfen in dem Ringraum 14 unterhalb des unteren Endes der Ummantelung 12. Dort kehrt sich die Flussrichtung um und der Zement fließt den Ringraum 14 hoch. Der Fluss des flüssigen Zements 16 wird unterbunden und dem flüssigen Zement 16 wird eine Aushärtung ermöglicht, wodurch eine Hülle gebildet wird.
  • Wie oben aufgezeigt wird, ist es gemäß dieser herkömmlichen Technik oft schwierig, einen einwandfreien Umlauf des flüssigen Zements 16 innerhalb des Ringraums 14 zu erzielen. Ebenso übt das hydrostatische Gewicht des flüssigen Zements 16 einen beträchtlichen Druck gegen die das Bohrloch 10 umgebende Formation aus, insbesondere wenn ein zusätzlicher Druck zur Überwindung der Reibung des Zements 16 auf die Formation ausgeübt wird.
  • In 2 werden das System und das Verfahren entsprechend einer Ausführung der vorliegenden Erfindung aufgezeigt, welche ebenfalls zusammen mit dem Bohrloch 10, der Ummantelung 12 und dem Ringraum 14 nach 1 angewendet werden. Insbesondere wird zu Beginn ein geschäumter Zement 18, welcher eine komprimierbare Gasphase enthält, auf irgendeine konventionelle Weise gebildet und von einer Bezugsquelle an der Erdoberfläche in das obere Ende des Ringraums 14 eingeführt. Folglich fließt der geschäumte Zement 18 abwärts durch das untere Ende des Ringraums 14 und zum Boden des Bohrlochs 10 oder zu einem Stopfen in dem Ringraum 14 unterhalb des unteren Endes der Ummantelung 12. Der geschäumte Zement kehrt daraufhin seine Flussrichtung um, bevor er in das untere Ende der Ummantelung 12 eintritt, und strömt in die Ummantelung 12 und vorzugsweise zurück zur Erdoberfläche.
  • Ein bevorzugt bei der vorliegenden Erfindung benutzter, geschäumter Zement 18 enthält einen hydraulischen Zement, ausreichend Wasser um einen Schlamm zu bilden, ausreichend Gas zum Schäumen des Schlamms und Schäumungszusätze in hinreichender Menge, um die Bildung des geschäumten Zements 18 zu erleichtern. Eine Vielfalt von hydraulischen Zementen kann in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, einschließlich solcher, welche Kalzium, Aluminium, Silizium, Sauerstoff und/oder Schwefel beinhalten und durch Reaktion mit Wasser abbinden und aushärten. Diese hydraulischen Zemente schließen Portlandzemente, Schlackezemente, Puzzolanzemente, Gipszemente, Tonerdeschmelzzemente und Silicazemente ein. Generell werden Portlandzemente oder äquivalente Zemente bevorzugt nach der vorliegenden Erfindung benutzt. Besonders geeignet sind die Sorten von Portlandzementen, welche in der API Spezifikation für Bohrlochzementmaterialien und Bohrlochzementuntersuchungen, API Spezifikation 10, 5. Auflage, 01.06.1990, des American Petroleum Institute festgelegt und beschrieben werden. Vorzugsweise beinhalten diese Portlandzemente die Klassen A, B, C, G und H, wobei insbesondere die Klassen G und H bevorzugt werden. Geeignete Schäumungszusätze werden in den US-Patenten Nr. 5.133.409 , 5.147.565 , 5.897.699 , 6.063.738 und 6.367.550 beschrieben.
  • Wie in 3 gezeigt, wird dann ein Abstreifstopfen 20 in die Ummantelung 12 eingeführt und an einem Kabelstrang, einer Rohrleitung oder einem gewickelten Rohr 22 befestigt. Der Stopfen 20 kann jeder bekannten Art entsprechen, beispielsweise dem in dem US-Patent Nr. 6.196.311 offenbarten, welches dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung zugesprochen wurde, und enthält zwei axial im regelmäßigen Abstand angeordnete Wischblätter 24a und 24b, die sich von der äußeren Oberfläche des Stopfens 20 ausdehnen und die inneren Wand der Ummantelung 12 erfassen.
  • Der Stopfen 20 kann in der Ummantelung 12 auf jede bekannte Art und Weise abwärts gedrückt werden, beispielsweise unter Verwendung eines auf sein oberes Ende einwirkenden Verdrängungsfluids oder ähnlichem. Wenn sich der Stopfen 20 in der Ummantelung 12 abwärts bewegt, verdichtet er den geschäumten Zement 18 in der Ummantelung 12 und drückt ihn zurück und die Ummantelung 12 hinunter, während die Wischblätter 24a und 24b die innere Wand der Ummantelung 12 abwischen. Der Stopfen 20 wird in 3 zum Zwecke der Veranschaulichung in einer mittleren Stellung dargestellt, wobei es sich versteht, das er bis zum unteren Ende der Ummantelung 12 verschoben wird, um den geschäumten Zement 18 zu komprimieren und komplett aus der Ummantelung 12 in den Ringraum 14 zu drücken. In diesem Zusammenhang kann offenbar eine nicht dargestellte Verriegelung oder ähnliches in dem unteren Endteil der Ummantelung 12 vorgesehen werden, um den Stopfen 20 zu verriegeln und den Druck auf die Ummantelung 12 nach dem Zusammendrücken und Verdrängen des geschäumten Zements 18 aufzuheben. Unten verriegelbare Ummantelungsstopfen mit drei oder fünf Abstreifern können von Halliburton Energy Services in Duncan, Oklahoma erworben werden. Diese unten verriegelbaren Stopfen haben einen oberen Teil mit entweder drei oder fünf Abstreifern und einen unteren Teil mit einer Verriegelungsnase zum Einrasten in einen in der Ummantelung 12 befestigten Einbau. Der unten verriegelbare Stopfen kann den Rückfluss des Zements 18 in die Ummantelung 12 verhindern, nachdem er in seinem Sitz platziert und verriegelt wurde.
  • Das Komprimieren des geschäumten Zements 18 und das Zurückdrücken desselben die Ummantelung 12 hinunter und in den Ringraum 14 hinein durch den Stopfen 20 in der oben dargestellten Weise führt zu mehreren nachfolgenden Vorteilen:
    • • Die Dichte des geschäumten Zements 18 ist verhältnismäßig klein, während er in der oben beschriebenen Weise umläuft. Dieses führt zu einem relativ geringen Druck auf die Formation und einem verhältnismäßig kleinen Anstieg oder eine mögliche Reduzierung des Drucks in dem Ringraum 14 während des gesamten Vorgangs. Dadurch wird das Risiko des Aufbrechens schwacher Formationen und ein Verlust von geschäumten Zement 18 in der Formation verringert.
    • • Der geschäumte Zement 18 hat eine verhältnismäßig gute Qualität und jegliche Ablagerung von geschäumtem Zement 18 oberhalb der erwünschten Tiefe innerhalb der Ummantelung 12 wird unterbunden. Demzufolge wird keine zusätzliche Anlagenzeit zum Ausbohren von unerwünschtem, geschäumtem Zement 18 innerhalb der Ummantelung 12 benötigt.
    • • Der Bedarf an Vermessungsgeräten oder speziellen Techniken zur Feststellung, wann der geschäumte Zement 18 den Boden des Bohrlochs 10 erreicht hat, wird eliminiert.
    • • Der Druck auf die Ummantelung 12 kann nach dem Verdrängen des geschäumten Zements 18 aufgehoben werden. Dadurch wird die Möglichkeit der Bildung von nachteiligen Mikroringräumen verringert und sichergestellt, dass der geschäumte Zement 18 nicht in die Ummantelung 12 zurückfließt.
    • • Der Fluss des geschäumten Zements 18 aus dem Bohrloch 10 kann gestoppt werden, sobald nicht verunreinigter, geschäumter Zement 18 an die Erdoberfläche zurückströmt. Dadurch wird die Menge von ungenutztem, geschäumtem Zement, welcher aus dem Bohrloch in eine Grube oder einen anderen Behälter ausgegeben werden muss, eliminiert oder zumindest minimiert.
  • Es ist offenbar, dass Abwandlungen des Vorangegangenen möglich sind, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Es folgen Beispiele solcher Abwandlungen:
    • • Falls eine größere Festigkeit des Zements erwünscht ist und/oder falls geschäumte Fluide auf der Erdoberfläche nicht benutzt oder erwünscht sind, kann zu Beginn ein ungeschäumter Zement in den Ringraum 14 eingeführt und anschließend ein geschäumten Zement 18 eingebracht werden. In diesem Fall kann der geschäumte Zement 18 in dem Ringraum 14 immer noch komprimiert werden, um die Zurückdrängung des Zements in der Ummantelung 12 nach unten zu ermöglichen.
    • • Die Art des Abstreifstopfens 20 und die Anzahl der Wischblätter können innerhalb des Umfangs der Erfindung variieren.
    • • Unter dem Begriff "Ummantelung" wird umfassend jede Art von röhrenförmigem Element einschließlich einer Leitung, einem Rohr, einem Futterrohr, einem Mantelrohrstrang usw. verstanden.
    • • Obwohl das Bohrloch in dem oben beschriebenen Veranschaulichungsbeispiel als im Wesentlichen vertikal aufgezeigt und beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass im Umfang der Erfindung auch Bohrlöcher enthalten sind, welche von der Vertikalen abweichen. Im letzteren Kontext wurden Begriffe wie "unten" und "oben" nur zum Zwecke der Veranschaulichung benutzt.
    • • Weiterhin können die relativen Größen der verschiedenen Komponenten sowie des Ringraums 14 und des Bohrlochs 10 innerhalb des Umfangs der Erfindung variieren.
  • Die vorangegangenen Beschreibungen besonderer Ausführungen der vorliegenden Erfindung wurden zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung aufgezeigt. Mit diesen wird eine Vollständigkeit oder eine Begrenzung der vorliegenden Erfindung auf die offenbarten, präzisen Ausbildungen nicht beabsichtigt. Offensichtlich sind viele Modifikationen und Änderungen angesichts der oben beschriebenen Lehre möglich. Die Ausführungen wurden ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung optimal zu erklären und dadurch anderen fachkundigen Personen eine optimale Nutzung der Erfindung und verschiedener Ausführungen mit verschiedenen, für eine bestimmte, vorgesehene Benutzung geeigneten Modifikationen zu ermöglichen. Beabsichtigt ist eine Festlegung des Umfangs der Erfindung durch die hier beigefügten Ansprüche und deren Entsprechungen.

Claims (6)

  1. Ein Verfahren zum Zementieren in einem Ringraum (14), welcher zwischen einer Ummantelung (12) und der Wand eines Bohrlochs (10) gebildet wird, enthaltend die Verfahrensschritte: Bilden eines geschäumten Zements; Einbringen des geschäumten Zements in den oberen Teil des Ringraums (14) zum Abwärtslaufen durch den Ringraum (14); Verdrängen des Zements abwärts durch das untere Ende des Ringraums (14), in das untere Ende der Ummantelung (12) und in der Ummantelung (12) hoch, gekennzeichnet durch Abwärtstreiben eines Stopfens (20) durch die Ummantelung (12), um den geschäumten Zement in der Ummantelung (12) zusammenzudrücken und ihn in der Ummantelung (12) abwärts und zurück in den Ringraum (14) zu treiben und Verriegeln des Stopfens (20) an dem unteren Endteil der Ummantelung (12), um einen Rückfluss des geschäumten Zements in die Ummantelung (12) zu verhindern.
  2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, ferner enthaltend den Schritt des Aufhebens des Drucks auf die Ummantelung (12) nach dem Schritt des Drückens.
  3. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verriegelungsschritt das Aufheben des Drucks auf die Ummantelung (12) bewirkt.
  4. Ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner enthaltend das Abstreifen der Innenwand der Ummantelung (12) während des Schritts des Drückens.
  5. Ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zement seine Flussrichtung beim Durchlaufen von dem Ringraum (14) in die Ummantelung (12) umkehrt.
  6. Ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Schäumens das Mischen eines hydraulischen Zements, ausreichend Wasser zur Bildung eines Schlamms und ausreichend Gas zur Schäumung des Schlamms enthält.
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