68. Berg- und Hüttenmännischer Tag am 7. und 8. Juni 2017 KOLLOQUIUM 4 - „Die neue Tiefbohrtechnik - innovativ aus der Krise“

Lummer, Nils Recalde (Fangmann Energy Services GmbH & Co. KG)

HOCHRESISTENTER HMR+ BLEND – WIDERSTANDSFÄHIGES, GASDICHTES SYSTEM FÜR ANSPRUCHSVOLLE ZEMENTATIONEN

Seit Jahrzehnten steigen der weltweite Energieverbrauch und die damit verbundenen Umweltauswirkungen kontinuierlich an. Eine der Möglichkeiten, eine stetige Energiereserve aufzubauen und auch einen Spitzenbedarf zuverlässig abdecken zu können, ist das Einlagern von Erdgas in Untertagespeicher. Geeignet hierzu sind durch Tiefbohrungen erschlossene Lagerstätten mit porösem Gestein oder ausgelaugte Salzkavernen. Zum Abdichten von Untertagegasspeichern muss eine Zementsuspension verpumpt werden, die beim Abbinden einen Zementstein bildet, der gasdicht und gegen aggressive Medien resistent ist. Basierend auf den seit 1980 aufgebauten Erfahrungen bei Tiefbohrungen mit HMR-Zement, wurde die chemische Zusammensetzung der heute verfügbaren Ausgangsprodukte stöchiometrisch aufeinander abgestimmt. Zusätzlich wurde eine Optimierung hinsichtlich der Partikelgrößenverteilung des Systems durchgeführt. Daraus resultierte der hier vorgestellte HMR+ Blend.

Bei der Hydratation des HMR+ Blends wird kein freies Portlandit gebildet, woraus dessen hervorragende Widerstandsfähigkeit gegen aggressive Medien resultiert. Die physikalischen Eigenschaften des Zementsteins nach dem Erhärten in Salzwasser erreichten Druckfestigkeiten von ca. 70 MPa, Biegezugfestigkeiten von ca. 15 MPa, eine sehr niedrige Permeabilität von < 0,0001 mD und eine Porosität von ca. 1 Vol.-%. In parallel durchgeführten Untersuchungen mit Portlandzement konnten keine vergleichbaren Ergebnisse erzielt werden. Mit dem HMR+ Blend kann eine pumpfähige Suspension formuliert werden, die zu einem gasdichten und resistenten Zementstein erhärtet. Daher ist er hervorragend zum Abdichten von Untertagegasspeichern und Tiefbohrungen geeignet und empfehlenswert.

Hochresistenter HMR+ Blend Widerstandsfähiges, gasdichtes System

für anspruchsvolle Zementationen

Berg-und Hüttenmännischer Tag Freiberg, June 10, 2016

Dr. Nils Recalde Lummer

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Introduction

API Class G is a Portland cement (CEM I according to DIN EN 197-1)

SiO2

CaO Al O3 2

20

20

2080 60 40

40

4060

60

80

80

Portland-zement

Hochofen-zement

Puzzolane

Tonerde-zement

Sand (SiO2)

Lime (CaCO3) Clay (Al2O3, Fe2O3)

Portland Cement

Blast Furnace Cement

Pozzolans

High-Alumina Cement

3

Introduction

These raw materials are burned at 1450°C in a rotating kiln

4

Introduction

Four main clinker phases are the result of this procedure:

5

Introduction

Clinker composition and application ranges for API oil well cements

6

Cement Hydration

Main clinker phase after 2 month

7

Cement Hydration

Besides C-S-H phases Portlandite is formed

8

Steinlaus (Petrophaga lorioti; Sulfate, MgCl2, CO2)

Cement Hydration

Portlandite [Ca(OH)2] is the weak spot of hardened cement

9

Blast Furnace Slag Cement

Addition of latent hydraulic material (DIN EN 197-1)

SiO2

CaO Al O3 2

20

20

2080 60 40

40

4060

60

80

80

Portland-zement

Hochofen-zement

Puzzolane

Tonerde-zement

Sand (SiO2)

Lime (CaCO3) Clay (Al2O3, Fe2O3)

Portland Cement

Blast Furnace Cement

Pozzolans

High-Alumina Cement

Sand (SiO2)

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Blast Furnace Slag Cement

Blast Furnace Cement CEM III/B

Portland Cement CEM I

Granulated Blast Furnace Slag

reacts with Ca(OH)2 from CEM I

Granulated Blast Furnace Slag 66 – 80%

Addition of latent hydraulic material (DIN EN 197-1)

Less Portlandite Less week spot

Higher resistance

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Retarded hydration and compressive strength development

Blast Furnace Slag Cement

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Verified integrity of latent hydraulic cements (e.g. Port of Rhodes)

Blast Furnace Slag Cement

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High Magnesia Resistant Cement

High concentration of MgSO4 and MgCl2 in some formation waters

Sulfate Reaction: Ca(OH)2 + MgSO4

3 CaSO4 + C3A + 32 H2O

Ca(OH)2 + Na2SO4

Mg(OH)2 + CaSO4

C3A∙3CaSO4∙32H2O

CaSO4 + 2 NaOH

Chloride Reaction: Ca(OH)2 + MgCl2

CaCl2 + C3A + 10 H2O

C3A∙CaCl2∙10H2O + 3 CaSO4

Mg(OH)2 + CaCl2

C3A∙CaCl2∙10H2O

C3A∙3CaSO4∙32H2O

Expansion, Cracking

Expansion, Cracking

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Registered according to DIN EN 450-1. This product can be used as an admixture in the concrete industry according to DIN 1045-2 / DIN EN 206-1

Addition of fly ash enhances the stability of Blast Furnace Cement

HMR-Cement

Portland Cement Blast Furnace Cement

Granulated blast furnace slag

Hard Coal Fly Ash

High Magnesia Resistant Cement

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Portland Cement (wt%) HMR Cement (wt%)

Silicon dioxide (SiO2)

23 39

Calcium oxide (CaO) 65 32

SiO2 / CaO- Ratio

0.4 Excess of Portlandite

1.2 No Excess of Portlandite

Chemically optimized composition

High Magnesia Resistant Cement

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HMR+ Blend HMR-Cement

Portland Cement Blast Furnace Cement

Hard Coal Fly Ash

Granulated blast furnace slag

HMR+ Blend – Through R&D-activities improved HMR-cement

Gas-Tight Cement System

17

0

2

4

6

8

10

0,1 1 10 100 1000

Vol

um

e ra

tio,

%

Particle size, μm

HR-BlendHMR-Cement

HMR+ Blend

Physically optimized particle size distribution

Gas-Tight Cement System

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Compressive Strength (MPa)

Tensile Strength (MPa)

70

15

63

13

HR-Blend HMR-Cement

Enhanced compressive and tensile strength

HMR+ Blend

Gas-Tight Cement System

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Permeability (mD)

Porosity (%)

< 0.0001

1.1

0.02

1.7

HR-Blend HMR-Cement

Low permeability and porosity results in high resistance

HMR+ Blend

Gas-Tight Cement System

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HMR-Cement

Portland Cement Blast Furnace Cement

HMR+ Blend

Low environmental impact

CO2-Footprint

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Summary II

Very successful under lab and field conditions

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Questions?