井戸セメント

坑井セメント充填は、坑井とケーシングの間の環状空間、または連続する2つのケーシングストリング間の環状空間にセメントを注入するプロセスです。^[1]この作業を行う人員は「セメンター」と呼ばれます。

1. ケーシングにかかる​​垂直荷重と半径荷重を支えるため
2. 多孔質層を生産帯層から分離する
3. 生産区間から不要な地下流体を排除する
4. ケースを腐食から保護する
5. セメントの化学的劣化を防ぐ
6. 異常な間隙水圧を封じ込める
7. 目標達成の可能性を高める

セメントは、セメンティングヘッドによって井戸に注入され、上部プラグと下部プラグの間にセメントを送り込むのに役立ちます。

セメント固化の最も重要な機能は、ゾーン分離を実現することです。セメント固化のもう 1 つの目的は、セメントとパイプの良好な結合を実現することです。有効な拘束圧力が低すぎると、セメントが延性になる可能性があります。

セメントの場合、せん断強度と圧縮強度の間には相関関係がないことに留意すべきである。また、セメントの強度は1000～1800psiの範囲にあり、貯留層圧力が1000psiを超えると、パイプのセメント結合が最初に破壊されることになる。これにより、パイプに沿って微小環状構造が形成される。^[2]

A. 特別な特性が必要ない場合に 0～6000 フィートを使用します。

B. 0～6000フィート 中程度から高い硫酸塩耐性 が求められる場合に使用

C. 0～6000フィート 早い段階で高い強度が必要な場合に使用

D. 6000～10000フィート、中程度の高温・高圧下で使用

E. 10000～14000フィート、高温高圧の条件下で使用

F. 10000～16000フィートの非常に高い温度と圧力の条件下で使用される

G. 0～8000 フィートでは、加速器と遅延器を使用して、広範囲の井戸の深さと温度をカバーできます。

H. 0～8000 フィートでは、加速器と遅延器を使用して、広範囲の井戸の深さと温度をカバーできます。

J. 12000～16000 フィートでは、非常に高い温度と圧力の条件下で使用したり、促進剤や抑制剤と混合してさまざまな井戸の深さと温度をカバーしたりできます。

API セメントグレード A、B、C は、ASTM タイプ I、II、III に相当します。

• 粒度分布。
• ケイ酸塩相とアルミン酸 塩相の分布。
• 水和相の反応性。
• 石膏/半水和物の 比率と総硫酸塩含有量。
• 遊離アルカリ含有量。
• 化学的性質の量と比表面積は初期水和生成物のものです。

セメントのパラメータが多数あることを考慮すると、セメントの配合を設計する最良かつ最も徹底的かつ実用的な方法は、実験室でのテストです。

試験は、現場で使用されるセメントを代表するサンプルに対して実施する必要があります。

添加物には一般的に 8 つのカテゴリがあります。

1. 促進剤は硬化時間を短縮し、圧縮強度の増加率を高めます。
2. 遅延剤は硬化時間を延長します。
3. エクステンダーは密度を下げる^[3]
4. 加重剤は密度を増加させます。^[4]
5. 分散剤は粘度を低下させます。
6. 体液損失制御剤。
7. 循環不全制御剤。
8. 専門エージェント[ ^5]

硬化時間を短縮したり、硬化プロセスを加速したりするために追加できます。

塩化カルシウムは、適切な条件下では、圧縮強度を向上させ、増粘および硬化時間を大幅に短縮する傾向があります。最大 4.0% の濃度で使用されます。このプロセスのメカニズムは議論されていますが、4 つの主要な理論が提唱されています。

1. 次のいずれかの理論によって水和段階に影響を与えます。
   1. 塩素（Cl⁻
      )イオンはエチンガイト (結晶質)の形成を促進します(Tenoutasse 1978)。
   2. アルミネート相/石膏系の水和を促進します。Treattenber & Gratten Bellow 1975。
   3. C3Sの水和を促進する。Stein 1961
2. CSH 構造を変更します。
   1. 水とイオン種の拡散を制御します。
   2. CSH ゲルは面積が大きいため、反応が速くなります。
3. 塩化物イオンの拡散;
   1. Cl ⁻イオンは CSHゲルに速く拡散し、このプロセスによりポートランド石の沈殿がより早く生成されます。
   2. Cl ^{−イオンのサイズが小さいほど、CSH}膜への拡散傾向が強くなります。最終的に CSH 膜が破裂し、水和プロセスが加速されます。
   3. 水相の組成を変更します。

塩化カルシウムも水和中に大量の熱を発生します。この熱により水和プロセスが加速される可能性があります。

この熱により、ケーシングは放散するにつれて膨張したり収縮したりします。膨張率と収縮率が異なると、ケーシングがセメントから引き離され、微小環状組織が形成される可能性があります。また、セメントのレオロジー、圧縮強度の発達に影響を及ぼし、10～15%の収縮を引き起こし、時間の経過とともに浸透性を高め、硫酸塩耐性を低下させる可能性があります。

これらは 4 つの主な理論のいずれかに基づいて機能します。

1. 吸着理論：遅延剤が吸着され、水分含有量を抑制します。
2. 沈殿理論: 水相と反応して、セメント粒子の周囲に不浸透性で不溶性の層を形成します。
3. 核形成理論: 遅延剤は水和生成物を毒化し、将来の成長を妨げます。
4. 錯体形成理論: Ca+ イオンは遅延剤によってキレート化されます。核は適切に形成されません。

リグノスルホン酸塩: 木材パルプ由来のポリマー。すべてのポートランドセメントに効果があり、0.1% ～ 1.5% BWOC の濃度で添加されます。CSHゲルに吸収され、より不浸透性の構造への形態変化を引き起こします。

ヒドロキシカルボン酸-分子構造にヒドロキシル カルボキシル 基を持っています。93 °C 未満では、過度の遅延を引き起こす可能性があります。150 °C の温度まで有効です。クエン酸で使用される酸の 1 つで、有効濃度は 0.1% ～ 0.3% BWOC です。

糖化合 物:糖はポルトランドセメントの優れた遅延剤です。このような化合物は、遅延の程度が濃度の変化に非常に敏感であるため、一般的には使用されません。遅延の程度は、化合物のアルカリ加水分解に対する感受性にも依存します。

セルロース誘導体：木材または植物質から得られる多糖類で、セメントスラリーのアルカリ条件に対して安定しています。

有機リン化合物：アルキレン ホスホン酸。

無機化合物:

酸および付随する塩

塩化ナトリウムは、濃度が最大 5.0% で、底穴温度が 160 度 F 未満で使用されます。これにより、圧縮強度が向上し、増粘および硬化時間が短縮されます。

亜鉛と鉛の酸化物。

スラリー密度の低減 -セメント固化中の静水圧を低減します。スラリー収率の向上 - 所定の体積を生成するために必要なセメントの量を削減します。

加水増量剤 – セメント混合物/スラリーの増量を助けるために水の追加を可能にします。

低密度骨材 – ポルトランドセメント（3.15 g/cm3）よりも密度が低い材料

中空ガラスマイクロスフィア- 設計された高強度（単細胞）低密度（中強度バージョンの平均真密度は 0.3 g/cc まで低下）、非多孔質中空ガラス球、通常平均粒子サイズは 40 μm 未満で、水硬性セメントスラリーを 8 PpG（960 Kg/m^3）まで低下させることができます。

ガス増量剤-フォームを調製するために窒素または空気を使用できます。

粘土- 含水アルミニウムケイ酸塩。最も一般的なのはベントナイト（85% 鉱物粘土スメクタイト）です。濃度最大 20% で、密度 11.5 ～ 15.0 ppg のセメントを得るために使用できます。API 比率は水 5.3%、ベントナイト 1.0% で使用されます。

ベントナイト – これは追加の水と一緒に添加され、比重制御のために使用されますが、品質の悪いセメントになります。

ポゾラン–フライアッシュを細かく粉砕した軽石。ポゾランのコストは非常に低いですが、スラリーの重量を大幅に減らすことはできません。

珪藻土– 追加の水を加える必要があります。特性はベントナイトに似ています。

シリカ- αクォーツと凝縮シリカフューム。α クォーツは、熱井の強度低下を防ぐために使用されます。シリカフューム (マイクロフューム) は反応性が高く、入手可能な最も効果的なポゾラン材料と見なされています。表面積が大きいため、ポンプで汲み上げ可能なスラリーを得るのに必要な水量が増えます。このような混合物は、11.0 ppg という低いセメントスラリーを生成できます。

通常の濃度は 15% BWOC ですが、28% BWOC まで高くなる場合があります。環状流体の移動を防ぐために使用される場合もあります。

膨張パーライト— 水を加えると重量が減ります。ベントナイトがないとパーライトは分離してスラリーの上部に浮かびます。スラリー重量を 12.0ppg まで下げるために使用できます。粒子とスラリーの分離を防ぐために、2～4% の濃度のベントナイトも追加されます。

ギルソナイト– スラリー重量を 12.0ppg まで下げるために使用されます。高濃度では混合が問題になります。

粉末石炭– 密度が 11.9ppg という低いスラリーを得るために使用できます。通常、1 袋あたり 12.5 ～ 25 ポンドが追加されます。

ラテックス添加剤を使用して流体損失を実現します。エマルジョンポリマーは、ポリマー粒子の懸濁液として供給されます。約 50% の固形物が含まれています。このような粒子は、フィルターケーキの細孔を物理的に塞ぐ可能性があります。

それらは水相の粘度を高め、フィルターケーキの透過性を低下させます。

有機タンパク質（ポリペプチド）。93℃を超える温度では使用しないでください。

非イオン性 合成ポリマーは、体液損失率を 500 ml/30 分から 20 ml/30 分に下げることができます。

アニオン性合成ポリマーとカチオン性合成ポリマーもあります。

破損した部分や弱い部分を物理的に埋めることができる材料を追加します。例: ギルソナイトとセロハンフレークを 0.125～0.500 ポンド/袋の量で追加します。

これらは、地層に入るとゲル化し始め、最終的に自立するセメントスラリーです。

• Marca, C. (1990)。『補修セメント』、テキサス州シュガーランド：シュルンベルジェ教育サービス。
• ネルソン、EB (1990)。ウェルセメント工事。 (EB ネルソン編) テキサス州シュガーランド 77478: シュルンベルジェ教育サービス。
• Rae, P. (1990)。セメント作業設計。テキサス州シュガーランド：Schulumberger Educational Services。

• セメントはどのように機能しますか?
• セメント事業：統合アプローチ