Tilsetningsstoffene til sementen

Begrenset bruk

Bilde: NOV – National Oilwell Varco

Forholdet mellom vann og sement er avgjørende for hvilken egenvekt (densitet) sementen får. Dette er basen for blandingen. Deretter tilsettes ulike tilsetningsstoffer alt etter hvilke egenskaper sementen skal ha.

Vanlige tilsetningsstoffer er:

• akseleratorer (accelerators)
• retardere (retarders)
• vektreduserende materialer (extenders)
• vektøkende materialer (weighting agents)
• tynnere (thinners)
• dispergeringsmateriale (dispersing agents)
• filtertapsmateriale (fluid loss agents)
• tapt sirkulasjonsmateriale (loss circulation material)
• gass-migrasjonsmateriale (gas migration additives)

Både konsentrasjon og rekkefølge på når de ulike tilsetningsstoffene tilsettes, har betydning for resultatet.

Akselerator tilsettes sementen for å få fortgang i størkningstiden. Tiden det tar før sementen går gjennom en reaksjon og størkner, akselereres. Denne tiden kalles Wait On Cement (WOC) og gjøres så kort som mulig for å spare rigg-tid.

I de øverste seksjonene skal ikke sementen pumpes så langt, derfor er det ønskelig at størkningsfasen starter raskere. Da kan det være aktuelt å tilsette akselerator som framskynder størkningstiden, samtidig som sementstyrken utvikles raskt. I tilfeller hvor det er tilsatt andre kjemikalier med den bivirkningen at de utsetter størkningstiden, kan det også være aktuelt med tilsetting av akselerator. Da vil akseleratoren «oppheve» denne utsettelsen.

Når sementen blandes med vann, skjer det en kjemisk reaksjon; sementen hydratiserer. Sementen reagerer altså med vann, som leder til bindinger. Akseleratorer gjør at reaksjonen med vann går fortere.

Akselerator er salter som kalsiumklorid (CaCl2), natriumklorid (NaCl), kaliumklorid (KCl) og natriumbromid (NaBr). Mest vanlig er kalsiumklorid.

Hensikten med retardere er å kontrollere tiden sementblandingen holdes flytende, det vil si at den forsinker størkningstiden. Vanlige retardere er lignin, lignosulfonat, organiske syrer (for eksempel sitronsyre), celluloseprodukter (cellulosederivat), salter og oksider av sink (Zn), uorganiske syrer og bly (Pb).

Lignosulfonat er en polymer som er utvunnet fra cellulose. Den er veldig effektiv sammen med Portlandsement. CMHEC er et cellulosederivat som er effektivt opp til 120° C. Det kan brukes som filtertapsmateriale og kan også gi økt viskositet.

Natriumklorid (NaCl) er et salt som vi bruker i matlaging. NaCl kan brukes som retarder, men da i konsentrasjon på over 20 prosent (av vekten på tørr sement). Ved små konsentrasjoner brukes den som akselerator.

Sinkoksid (ZnO) er et eksempel på et oksid som kan brukes. Dette oksidet vil kun forsinke størkningsprosessen, ikke endre sementens viskositet.

Det er veldig viktig å ha riktig vekt på sementblandingen. Det er formasjonens poretrykk og fraktureringsgrense som avgjør hvor lett eller tung sementen må være. Fraktureringsgrensen er det trykket formasjonen tåler før den sprekker.

Dersom vekten på sementen er for lett, kan formasjonsvæske komme inn i brønnen og ødelegge sementegenskapene. Dersom sementvekten er for tung, kan formasjonen sprekke opp og resultere i tap av sement til formasjonen.

I noen tilfeller kan det være vanskelig å få riktig vekt på sementen samtidig som andre egenskaper, som stabilitet og kompresjonsstyrke, opprettholdes. Hensikten med vektreduserende materialer er å redusere densiteten til sementblandingen.

Bentonitt er et vanlig brukt vektreduserende materiale. Det må blandes i miksevannet en god stund før sementen tilsettes. Dette gjør at bentonittblandingen blir viskøs, da har bentonitten prehydrert. Bentonittblandingen kan ta opp fritt vann, slik at det trengs mindre sement i totalvolumet. Denne sementblandingen brukes til for eksempel lead-slurry (den første sementen som pumpes) med en densitet rundt 1,56 sg.

Et annet materiale som kan benyttes for reduksjon av vekt, er silikater. Silikater øker viskositeten. Dette gjør at vann kan tilsettes sementblandingen og på den måten redusere densiteten, samtidig som blandingen har sementerende egenskaper.

Nitrogengass kan også brukes som vektreduserende materiale. Gassen presses inn i blandingen slik at det blir en luftig sement «foam sement». Denne metoden krever mye ekstrautstyr offshore, er mer komplisert og kostbar.

Hensikten med vektøkende materialer er å øke sementdensiteten. Tyngre sement må brukes når poretrykket er høyt i formasjonen. Dette er for å hindre at formasjonsvæsken skal komme inn i sementen og slik forringe sementkvaliteten før den har størknet. Tung sement fortrenger også borevæsken ut av bunnen av brønnen. Sementen står da nederst i den delen av brønnen som skal sementeres.

Det er viktig å unngå at tilsetting av vektøkende materiale påvirker de andre egenskapene til sementblandingen, samt sørge for at tilsettingen ikke påvirker hydratiseringen.

Mengden vann kan reduseres for å gi økt densitet til rett over 2,0 sg. Men dette kan virke inn både på reologien i sementblandingen, filtertapsegenskapene og utfelling av sementpartikler. Ved å tilsette en tynner, som beskrevet under, kan denne innvirkningen oppveies.

For høyere tettheter brukes ilmenitt, hematitt eller barytt. Med disse tilsetningsstoffene er det mulig å få densiteter opp mot 2,4 sg. I Norge har det også vært vanlig å bruke produktet Micromax, som er et manganoksid. Det er et rødt, finkornet pulver som kan pre-mikses i miksevannet.

Når tynner tilsettes, mikses andre tilsetningsstoffer lettere inn i blandingen, og friksjonen under pumping reduseres. Tynnere har også den fordelen at de gir bedre filtertapsegenskaper, altså forhindrer at vann fra sementblandingen presses inn i formasjonen.

Når sementblandingen blir tynnere, er det lettere å oppnå turbulent strømning. Dette er en fordel når sementblandingen pumpes og borevæsken skal fortrenges på en effektiv måte. Tynnere kan være organiske syrer, lignin eller polymerer.

Dispergeringsmateriale tilsettes blandingen for å hindre at sementpartiklene binder seg til hverandre (flokkulerer). Dispergeringsmiddelet binder seg til de fukttiltrekkende sementpartiklene slik at overflaten blir negativt ladet og partiklene frastøter hverandre. På den måten holdes mer av vannet frittflytende mellom partiklene.

Det gir en smørende effekt og reduserer friksjonen når sementen pumpes i rørsystemene og brønnen. Mindre friksjon kan bidra til at strømningen blir turbulent. Under pumpingen kan turbulent strømning bidra til bedre fortrengning av borevæske.

Dispergeringsmiddel kan også brukes for å redusere mengden vann i sementblandingen. Ved å redusere vannmengden, får sementblandingen en høyere kompresjonsstyrke.

Eksempler på dispergeringsmaterialer er vannløselige polymerer, syrer som for eksempel sitronsyre, lignin og salter som for eksempel natriumklorid (NaCl).

Når en sementblanding plasseres mellom casing og en permeabel formasjon, starter en filtreringsprosess. Det vil si at vannet i blandingen trenger inn i den permeable formasjonen. Dette kalles filtertap. Dersom det er for stort filtertap, endres densiteten, viskositeten og størkningstiden til sementen. Formasjonen kan bli ustabil på grunn av inntrenging av vann.

Ved å tilsette filtertapsmateriale holdes det meste av vannet i sementblandingen. Dermed sikres sementblandingens design, og utvikling av visositet, størkningstid, reologi og kompresjonsstyrke blir som planlagt.

Vanlig filtertapsmateriale kan være celluloseprodukter eller polymerer.

Åpne bilde i et nytt vindu

CC BY-SA

Bilde: Baker Hughes Inc

Noen ganger kan sementen som pumpes ned i brønnen strømme ut i sprekker i formasjonen i stedet for opp i hullet på utsiden av casingen. Da reduseres sirkulasjonen av væske på grunn av tap av retur. Dette kalles tapt sirkulasjon (lost circulation).

Dersom det er fare for at en slik situasjon oppstår, kan det tilsettes «tapt sirkulasjonsmateriale» (Lost Circulation Material - LCM) til sementen. Det skal forhindre tap av sementblanding til formasjonen. Slike tilsetningsstoffer er brobyggende (bridging agents) eller pluggende materialer.

LCM består i hovedsak av partikler med bindende egenskaper. Det kan brukes gilsonitt og granulert kull, som er materialer som ikke reagerer med sementblandingen, og som er gode brobyggende materialer.

I formasjoner der det er fare for tapt sirkulasjon, er det lurt å bruke en sement som størkner raskt eller et lettvekts-sementsystem.

Gass-migrasjon er gass som kommer inn i sementen og lager små kanaler i den før den har størknet. Dette kan potensielt føre til en strømningsvei for formasjonsvæsker på utsiden av fôringsrøret. Disse kanalene kan som oftest oppdages ved hjelp av en logg, en såkalt Cement-Bond-Log (CBL).

For å hindre dannelse av slike kanaler må sementen ha god overbalanse i forhold til den gassfylte formasjonen. Også høy gelstyrke vil bidra til at gass ikke kommer inn i sementblandingen. Dette kan oppnås ved å tilsette filtertapsmateriale som latex eller materialer som gir tilstrekkelig gelstyrke (gel strength modifiers). Samtidig er det viktig at tiden det tar fra sementen går fra flytende til fast form, er så kort som mulig.