ЗАСТЫВАЮЩИЕ КОМПОЗИЦИИ, СОДЕРЖАЩИЕ ПРИРОДНЫЙ ПУЦЦОЛАН, И СВЯЗАННЫЕ С ЭТИМ СПОСОБЫ Российский патент 2014 года по МПК E21B33/138 C09K8/467 C04B28/04 

Настоящее изобретение касается операций цементирования и, более конкретно, в конкретных вариантах осуществления, застывающих композиций, содержащих воду, природный пуццолан и, по меньшей мере, один компонент из цемента, портланд-цемента, измельченного с пережженным сланцем, или цементной пыли.

Застывающие композиции могут быть использованы в основных операциях цементирования, когда колонны труб, такие как обсадные трубы и хвостовики, цементируют в буровых скважинах. При выполнении основного цементирования застывающая композиция может закачиваться в кольцевое пространство между стенками буровой скважины и колонной труб, расположенной в ней. Застывающая композиция застывает в кольцевом пространстве, образуя, тем самым, кольцевую оболочку из затвердевшего цемента (например, цементное кольцо), которая удерживает и размещает колонну труб в буровой скважине и соединяет внешнюю поверхность колонны труб со стенками буровой скважины.

Застывающие композиции также могут использоваться в ремонтных операциях цементирования, таких как герметизация пустот в колонне труб или цементном кольце. Используемый здесь термин "пустота" относится к любому типу пустого пространства, включая разломы, дыры, трещины, каналы, пустоты и подобное. Такие пустоты могут включать в себя: дыры и трещины в колоннах труб; дыры, трещины, пустоты или каналы в цементном кольце; и очень малые пустоты (обычно называемые "микропустоты") между цементным кольцом и внешней поверхностью буровой скважины или формации. Герметизация таких пустот может предотвращать нежелательное течение текучих сред (например, нефти, газа, воды и др.) и/или тонких твердых веществ в буровую скважину или из нее. Герметизация таких пустот, выполняемая намеренно или нет, вызывается введением некоторого вещества в пустоту и предоставлением ему возможности оставаться там, герметизируя пустоту. Если данное вещество не вписывается в пустоту, пробка, заплата или оболочка может быть образована над пустотой, вызывая возможное окончание нежелательного течения текучей среды. Вещества, использованные ранее в способах завершения нежелательного прохода текучих сред сквозь такие пустоты, включают в себя застывающие композиции, содержащие воду и гидравлический цемент, причем данные способы применяют гидравлическое давление для принудительной подачи застывающей композиции в пустоту. После помещения в пустоту застывающей композиции она затвердевает.

Ремонтные цементирующие операции также могут применяться для герметизации участков подземных формаций или участков гравийных фильтров. Участки подземных формаций могут включать в себя проницаемые части формации и разломы (природные или иные) в формации и другие части формации, которые могут позволять нежелательное течение текучей среды в буровую скважину или из нее. Участки гравийного фильтра включают в себя те части гравийного фильтра, где желательно предотвращать нежелательное течение текучих сред в буровую скважину или из нее. "Гравийный фильтр" это термин, используемый обычно для обозначения объема измельченных материалов (таких как песок), расположенных в буровой скважине, чтобы, по меньшей мере, частично снижать миграцию неконсолидированных частиц формации в буровую скважину. Хотя бесситовые операции упаковки гравия становятся более традиционными, операции упаковки гравия обычно включают в себя размещение сита гравийного фильтра в буровой скважине возле желаемого участка подземной формации и упаковку окружающего кольца между ситом и буровой скважиной измельченными материалами, которые имеют размер, предотвращающий и подавляющий проход твердых веществ формации через гравийный фильтр с добываемыми текучими средами. Среди прочего, этот способ может позволять герметизацию части гравийного фильтра, чтобы предотвращать нежелательное течение текучих сред, без необходимости удаления гравийного фильтра.

Застывающие композиции также могут использоваться во время бурения буровой скважины в подземной формации. Например, при бурении буровой скважины может быть предпочтительно, в некоторых случаях, изменять направление буровой скважины. В некоторых случаях, застывающие композиции могут использоваться, чтобы облегчать это изменение направления, например, путем бурения направляющей скважины в застывшей массе цемента, обычно называемой "стартовая пробка", расположенной в буровой скважине. Определенные формации могут заставлять буровую коронку бурить в конкретном направлении. Например, в вертикальной скважине это может приводить к нежелательному отклонению буровой скважины от вертикали. В направленной скважине (которая бурится под углом от вертикали) после бурения начального участка скважины вертикально направление, вызываемое формацией, может затруднять последующий путь. В этих и других случаях могут быть использованы специальные инструменты направленного бурения, такие как скважинный отклонитель, изогнутая суб-скважинная моторизованная буровая комбинация и подобное. Обычно используемый инструмент или инструменты направленного бурения могут быть ориентированы так, что направляющая скважина получается под требуемым углом к предыдущей буровой скважине в желаемом направлении. Когда направляющая скважина пробурена на короткое расстояние, специальный инструмент или инструменты удаляют, если требуется, и бурение вдоль нового пути можно продолжать. Чтобы гарантировать, что последующее бурение следует направляющей скважине, может быть необходимо бурить направляющую скважину в стартовой пробке, расположенной в буровой скважине. В этих случаях до бурения направляющей скважины застывающая композиция может быть введена в буровую скважину и оставлена застывать, образуя в ней стартовую пробку. Направляющая скважина затем может быть пробурена в стартовой пробке, и высокая прочность стартовой пробки гарантирует, что последующее бурение происходит в направлении направляющей скважины.

В определенных приложениях раньше использовали расширенные застывающие композиции. Применяемый здесь термин "расширенная застывающая композиция" относится к застывающей композиции, способной оставаться в прокачиваемом текучем состоянии в течение расширенного периода времени (например, по меньшей мере, приблизительно 1 день). Текучая среда считается в прокачиваемом текучем состоянии, когда текучая среда имеет вязкость меньше чем 70 Вс, измеряемую с использованием FANN атмосферного консистометра модель 165АТ (доступного от FANN Instrument Company, Houston, Texas) при комнатной температуре (например, 78°F (25,5°С)). Обычно расширенные застывающие композиции содержат цемент, воду и замедлитель застывания и остаются в прокачиваемом текучем состоянии в течении расширенного периода времени. При необходимости для использования, расширенная застывающая композиция должна быть способна активироваться, посредством чего развивается соответствующая прочность на сжатие. Например, ускоритель застывания цемента может добавляться в расширенную застывающую композицию, вследствие чего композиция застывает в твердую массу. Среди прочего, расширенные застывающие композиции настоящего изобретения могут быть пригодны для использования в буровых приложениях, например, когда необходимо приготовить застывающую композицию заранее. Это может обеспечивать, например, сохранение застывающей композиции до ее применения. Кроме того, это может обеспечивать, например, приготовление застывающей композиции в удобном месте и затем транспортирование к месту работы для применения. Соответственно, капитальные расходы, связанные с цементирующими операциями, могут быть снижены благодаря сокращению необходимости в оборудовании для перемешивания и хранения массы на месте.

Застывающие композиции (и расширенные застывающие композиции), применявшиеся ранее, обычно содержат портланд-цемент. Портланд-цемент обычно является основным компонентом стоимости застывающих композиций. Для снижения стоимости таких застывающих композиций другие компоненты могут быть включены в застывающую композицию в добавление к портланд-цементу или вместо него. Такие компоненты могут включать в себя зольную пыль, шлаковый цемент, сланец, метакаолин, микро-измельченный цемент и подобные. Применяемый здесь термин "зольная пыль" относится к остатку от сгорания порошкового или измельченного угля, где зольная пыль, выносимая дымовыми газами, может извлекаться, например, путем электростатического осаждения. Применяемый здесь термин "шлак" относится к гранулированному побочному продукту доменной печи, образующемуся при производстве чугуна, и обычно содержит окисленные примеси, находящиеся в железной руде. Шлаковый цемент обычно содержит шлак и основание, например, такое как гидроксид натрия, бикарбонат натрия, карбонат натрия или известь, для получения застывающей композиции, которая, когда объединяется с водой, может застывать, образуя твердую массу.

Во время изготовления цемента возникают отходы, в общем называемые "CKD". Применяемый здесь термин "CKD" относится к частично кальцинированному, печному сырью, которое удаляется из газового потока и собирается, например, в пылесборнике во время изготовления цемента. Обычно большие количества CKD собираются при производстве цемента, которые обычно размещаются как отходы. Устранение CKD отходов может добавлять нежелательные расходы к изготовлению цемента, а также проблемы окружающей среды, связанные с этим устранением. Химический анализ CKD из различных цементных производств меняется в зависимости от ряда факторов, включая конкретное печное сырье, эффективность операций получения цемента и соответствующие системы сбора пыли. CKD обычно может содержать множество оксидов, таких как SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO, SO₃, Na₂O и К₂О.

Настоящее изобретение касается цементирующих операций и, более конкретно, в частных вариантах осуществления, застывающих композиций, содержащих воду, природный пуццолан и, по меньшей мере, один цемент, портланд-цемент, измельченный с пережженным сланцем, или цементную пыль.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения, обеспечивается способ цементирования подземной формации, включающий: введение цементной композиции в подземную формацию, где данная цементная композиция содержит цемент или цементную пыль, или цемент и цементную пыль, природный пуццолан и воду; и предоставление возможности цементной композиции застывать.

В другом аспекте данного изобретения, обеспечивается способ цементирования подземной формации, включающий: введение цементной композиции в подземную формацию, где данная цементная композиция содержит цементную пыль, природный пуццолан и воду; и предоставление возможности цементной композиции застывать.

В другом аспекте данного изобретения, обеспечивается способ цементирования подземной формации, содержащий: введение цементной композиции в подземную формацию, где данная цементная композиция содержит цемент, природный пуццолан и воду, где данный цемент содержит портланд-цемент, измельченный с пережженным сланцем; и предоставление возможности цементной композиции застывать. В другом аспекте данного изобретения, обеспечивается цементная композиция, содержащая: по меньшей мере, одну добавку, выбранную из группы, состоящей из цемента, цементной пыли, портланд-цемента, измельченного с пережженным сланцем, и их комбинаций; природный пуццолан; и воду.

Один вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает способ цементирования в подземной формации. Данный способ может содержать введение цементной композиции в подземную формацию, где данная цементная композиция содержит цементную пыль, природный пуццолан и воду. Данный способ может дополнительно содержать предоставление возможности цементной композиции застывать.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает способ цементирования в подземной формации. Данный способ может содержать введение цементной композиции в подземную формацию, где данная цементная композиция содержит цемент, природный пуццолан и воду, где данный цемент содержит портланд-цемент, измельченный с пережженным сланцем. Данный способ может дополнительно содержать предоставление возможности цементной композиции застывать.

Еще один вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает цементную композицию, содержащую, по меньшей мере, одну добавку, выбранную из группы, состоящей из цемента, цементной пыли, портланд-цемента, измельченного с пережженным сланцем, и их комбинаций. Данная цементная композиция может дополнительно содержать природный пуццолан и воду.

Признаки и преимущества настоящего изобретения будут легко видны специалистам в данной области техники. Хотя многочисленные изменения могут быть сделаны специалистами в данной области техники, такие изменения находятся внутри сущности данного изобретения.

Настоящее изобретение касается операций цементирования и, более конкретно, в определенных вариантах осуществления, застывающих композиций, содержащих воду, природный пуццолан и, по меньшей мере, один компонент из цемента, портланд-цемента, измельченного с пережженным сланцем, или цементной пыли. Может быть несколько потенциальных преимуществ способов и композиций настоящего изобретения, только некоторые из которых могут упоминаться здесь. Одним из многих потенциальных преимуществ способов и композиций настоящего изобретения является то, что включение цементной пыли и/или природного пуццолана в застывающую композицию может снижать количество дорогостоящей добавки, такой как портланд-цемент, приводя к более экономичной, застывающей композиции.

Застывающие композиции настоящего изобретения обычно могут содержать воду и природный пуццолан согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Кроме того, застывающие композиции настоящего изобретения дополнительно могут содержать, по меньшей мере, один компонент из цемента или цементной пыли. Например, застывающая композиция настоящего изобретения может содержать гидравлический цемент, цементную пыль, природный пуццолан и воду. В определенных вариантах осуществления, данный цемент может содержать портланд-цемент, измельченный с пережженным сланцем. В качестве примера, застывающая композиция настоящего изобретения может содержать цемент, природный пуццолан и воду, где данный цемент содержит портланд-цемент, измельченный с пережженным сланцем. Как описано более подробно здесь, варианты осуществления застывающих композиций настоящего изобретения могут быть вспененными и/или расширенными, как желательно специалистам в данной области техники.

Застывающие композиции настоящего изобретения должны иметь плотность, подходящую для конкретного приложения, как желательно специалистам в данной области техники, с преимуществом этого описания. В некоторых вариантах осуществления застывающие композиции настоящего изобретения могут иметь плотность в диапазоне от приблизительно 8 фунтов на галлон ("ф/г") до приблизительно 16 ф/г (от приблизительно 1 кг/литр до приблизительно 2 кг/литр). Во вспененных вариантах осуществления, вспененные застывающие композиции настоящего изобретения могут иметь плотность в диапазоне от приблизительно 8 ф/г до приблизительно 13 ф/г (от приблизительно 1 кг/литр до приблизительно 1,5 кг/литр).

Вода, используемая в застывающих композициях настоящего изобретения, может включать в себя, например, пресную воду, соленую воду (например, воду, содержащую одну или несколько растворенных в ней солей), рассол (например, насыщенную соленую воду, получаемую из подземных формаций), морскую воду или их комбинации. Обычно, вода может быть из любого источника при условии, что она не содержит избытка соединений, которые могут нежелательно влиять на другие компоненты в застывающей композиции. В некоторых вариантах осуществления, вода может быть включена в количестве, достаточном для образования прокачиваемой суспензии. В некоторых вариантах осуществления, вода может быть включена в застывающие композиции настоящего изобретения в количестве в диапазоне от приблизительно 40% до приблизительно 200% на массу цементирующих компонентов ("bwoc"). Цементирующие компоненты включают в себя компоненты, которые застывают или затвердевают сами по себе или в комбинации с другим компонентом при реакции с водой, такие как гидравлический цемент, цементная пыль, природный пуццолан и подобные. В некоторых вариантах осуществления вода может быть включена в количестве в диапазоне от приблизительно 40% до приблизительно 150% bwoc.

Гидравлический цемент представляет собой компонент, который может быть включен в варианты осуществления застывающих композиций настоящего изобретения. Множество гидравлических цементов может быть использовано согласно настоящему изобретению, включая цементы, содержащие кальций, алюминий, кремний, кислород, железо и/или серу, которые застывают и затвердевают при реакции с водой, но не ограничиваясь ими. Подходящие гидравлические цементы включают в себя портланд-цементы, пуццолановые цементы, гипсовые цементы, цементы с высоким содержанием оксида алюминия, шлаковые цементы, цементы с оксидом кремния и их комбинации, но не ограничиваются ими. В определенных вариантах осуществления гидравлический цемент может содержать портланд-цемент. В некоторых вариантах осуществления портланд-цементы, которые подходят для использования в настоящем изобретении, классифицируют как классы А, С, G и Н цемента согласно American Petroleum Institute, API specification for Materials and Testing for Well Cements, API Specification 10, Fifth ed., Jul.1, 1990. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления цементы, подходящие для использования в настоящем изобретении, могут классифицироваться как ASTM типы I, II или III.

Когда присутствует, гидравлический цемент обычно может быть включен в застывающие композиции в количестве, достаточном, чтобы обеспечить желаемую прочность на сжатие, плотность и/или стоимость. В некоторых вариантах осуществления гидравлический цемент может присутствовать в застывающих композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне от 0% до приблизительно 99% bwoc. В некоторых вариантах осуществления гидравлический цемент может присутствовать в застывающих композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне от 20% до приблизительно 95% bwoc. В некоторых вариантах осуществления гидравлический цемент может присутствовать в застывающих композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне от 50% до приблизительно 90% bwoc.

Пример подходящего гидравлического цемента содержит портланд-цемент, измельченный с пережженным сланцем. Прокаливание сланца дает то, что обычно называют "пережженный сланец". Процесс прокаливания может происходить при температурах до приблизительно 2200°F (1204°С)) или выше. В качестве примера, сланец может прокаливаться при температурах приблизительно 2700°F (1482°С) согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Пережженный сланец может затем измельчаться с портланд-цементом. Например, смесь портланд-цемента и пережженного сланца может измельчаться в шаровой мельнице. В определенных вариантах осуществления гидравлический цемент может содержать приблизительно 73% масс. портланд-цемента (такого как портланд-цемент класса С), измельченного с приблизительно 27% пережженного сланца. В определенных вариантах осуществления пережженный сланец, который измельчают с портланд-цементом, может содержать сланец Eagleford. Пример подходящего портланд-цемента, измельченного с пережженным сланцем, доступен от TXI Energy Services, Inc. под торговой маркой TXI Lightweight цемент.

Другой пример подходящего гидравлического цемента содержит пуццолановый цемент. В некоторых вариантах осуществления пуццолановый цемент, который может подходить для использования, содержит зольную пыль. Разные зольные пыли могут быть пригодными, включая зольную пыль, классифицированную как зольная пыль класса С и класса F согласно American Petroleum Institute, API specification for Materials and Testing for Well Cements, API Specification 10, Fifth ed., Jul.1, 1990. Зольная пыль класса С содержит оксид кремния и известь, так что, при смешении с водой, она застывает, образуя твердую массу. Зольная пыль класса F обычно не содержит достаточной извести, поэтому дополнительный источник ионов кальция требуется для зольной пыли класса F, чтобы формировать застывающую композицию с водой. В некоторых вариантах осуществления известь может смешиваться с зольной пылью класса F в количестве в диапазоне от приблизительно 0,1% до 25% на массу зольной пыли. В некоторых случаях известь может быть гидратной известью. Подходящие примеры зольной пыли включают в себя цементную добавку POZMIX^® А, коммерчески доступную от Halliburton Energy Services, Inc., Duncan, Oklahoma, но не ограничиваются этим.

Когда присутствует, зольная пыль обычно может быть включена в застывающие композиции в количестве, достаточном, чтобы обеспечить требуемую прочность на сжатие, плотность и/или стоимость. В некоторых вариантах осуществления зольная пыль может присутствовать в застывающих композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне от приблизительно 5% до приблизительно 75% bwoc. В некоторых вариантах осуществления зольная пыль может присутствовать в застывающих композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне от приблизительно 10% до приблизительно 60% bwoc.

Другой пример подходящего гидравлического цемента содержит шлаковый цемент. В некоторых вариантах осуществления шлаковый цемент, который может подходить для использования, может содержать шлак. Шлак обычно не содержит достаточного основного материала, поэтому шлаковый цемент дополнительно может содержать основание, чтобы получить застывающую композицию, которая может реагировать с водой, застывая с образованием твердой массы. Примеры подходящих источников оснований включают в себя гидроксид натрия, бикарбонат натрия, карбонат натрия, известь и их комбинации, но не ограничиваются этим.

Когда присутствует, шлаковый цемент обычно может быть включен в застывающие композиции в количестве, достаточном, чтобы обеспечить требуемую прочность на сжатие, плотность и/или стоимость. В некоторых вариантах осуществления шлаковый цемент может присутствовать в застывающих композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне от 0% до приблизительно 99% bwoc. В некоторых вариантах осуществления шлаковый цемент может присутствовать в застывающих композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне от приблизительно 5% до приблизительно 75% bwoc.

CKD является другим компонентом, который может быть включен в варианты осуществления застывающих композиций настоящего изобретения. CKD должен быть включен в застывающие композиции в количестве, достаточном, чтобы обеспечить желаемую прочность на сжатие, плотность и/или стоимость. В некоторых вариантах осуществления CKD может присутствовать в застывающих композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне от приблизительно 1% до приблизительно 99% bwoc. В некоторых вариантах осуществления CKD может присутствовать в застывающих композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне от приблизительно 5% до приблизительно 99% bwoc. В некоторых вариантах осуществления CKD может присутствовать в застывающих композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне от приблизительно 5% до приблизительно 80% bwoc. В некоторых вариантах осуществления CKD может присутствовать в застывающих композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне от приблизительно 10% до приблизительно 50% bwoc.

Природный пуццолан является другим компонентом, который может быть включен в варианты осуществления застывающих композиций настоящего изобретения. Природные пуццоланы обычно присутствуют на поверхности Земли и застывают или затвердевают в присутствии гидратной извести и воды. Примеры природных пуццоланов включают в себя пумицит, диатомовую землю, вулканический пепел, опалиновый сланец, туф и их комбинации. Обычно пумицит представляет собой вулканическую породу, которая демонстрирует цементирующие свойства, так как он может застывать и затвердевать в присутствии гидратной извести и воды. Гидратная известь может использоваться в комбинации с пумицитом, например, чтобы обеспечить достаточные ионы кальция для застывания пумицита. Природный пуццолан может использоваться, среди прочего, для замены дорогостоящих цементирующих компонентов, таких как портланд-цемент, в вариантах осуществления застывающих композиций, приводя к более экономичным застывающим композициям. В некоторых вариантах осуществления природный пуццолан может присутствовать в количестве в диапазоне от приблизительно 0,01% до приблизительно 50% bwoc. В некоторых вариантах осуществления природный пуццолан может присутствовать в количестве в диапазоне от приблизительно 25% до приблизительно 50% bwoc.

Метакаолин является другим компонентом, который может быть включен в варианты осуществления застывающих композиций настоящего изобретения. Обычно, метакаолин представляет собой белый пуццолан, который может быть приготовлен путем нагрева каолиновой глины, например, до температур в диапазоне от приблизительно 600°С до приблизительно 800°С. В некоторых вариантах осуществления метакаолин может присутствовать в застывающих композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне от приблизительно 5% до приблизительно 95% bwoc. В некоторых вариантах осуществления метакаолин может присутствовать в количестве в диапазоне от приблизительно 10% до приблизительно 50% bwoc.

Сланец является другим компонентом, который может быть включен в варианты осуществления застывающих композиций настоящего изобретения. Как установлено выше, пережженный сланец может быть измельчен с портланд-цементом согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Среди прочего, сланец, включенный в застывающие композиции, может реагировать с избыточной известью, образуя подходящий цементирующий материал, например, гидрат силиката кальция. Разные сланцы являются подходящими, включая сланцы, содержащие кремний, алюминий, кальций и/или магний. Пример подходящего сланца содержит стеклованный сланец. Подходящие примеры стеклованного сланца включают в себя материал PRESSUR-SEAL FINE LCM и материал PRESSUR-SEAL COARSE LCM, которые коммерчески доступны от TXI Energy Services, Inc., Houston, Texas, но не ограничиваются ими. Обычно сланец может иметь любое распределение размера частиц, желательное для конкретного приложения. В определенных вариантах осуществления сланец может иметь распределение размера частиц в диапазоне от приблизительно 37 микрометров до приблизительно 4750 микрометров.

Когда присутствует, сланец может быть включен в застывающие композиции настоящего изобретения в количестве, достаточном, чтобы обеспечить требуемую прочность на сжатие, плотность и/или стоимость. В некоторых вариантах осуществления сланец может присутствовать в количестве в диапазоне от приблизительно 5% до приблизительно 75% bwoc. В некоторых вариантах осуществления сланец может присутствовать в количестве в диапазоне от приблизительно 10% до приблизительно 35% bwoc. Специалист в данной области техники с помощью этого описания сможет определить требуемое количество сланца для включения в выбранное приложение.

Цеолит является другим компонентом, который может быть включен в варианты осуществления застывающих композиций настоящего изобретения. Цеолиты, в общем, представляют собой пористые алюмосиликатные материалы, которые могут быть природным или синтетическим материалом. Синтетические цеолиты основаны на таком же типе структурной ячейки, как природные цеолиты, и могут содержать гидраты алюмосиликатов. Применяемый здесь термин "цеолит" относится ко всем природным и синтетическим формам цеолита. Примеры подходящих цеолитов описаны более подробно в патентной публикации США №2007/10056475 А1. Пример подходящего источника цеолита доступен от C2C Zeolite Corporation of Calgary, Canada. В некоторых вариантах осуществления цеолит может присутствовать в застывающих композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне от приблизительно 5% до приблизительно 65% bwoc. В определенных вариантах осуществления цеолит может присутствовать в количестве в диапазоне от приблизительно 10% до приблизительно 40% bwoc.

Известь является другим компонентом, который может быть включен в варианты осуществления застывающих композиций настоящего изобретения. В определенных вариантах осуществления известь может быть гидратной известью. Когда присутствует, известь может присутствовать в застывающих композициях в количестве в диапазоне от приблизительно 1% до приблизительно 40% bwoc. В некоторых вариантах осуществления известь может присутствовать в застывающих композициях в количестве в диапазоне от приблизительно 5% до приблизительно 20% bwoc.

Замедляющая застывание добавка является другим компонентом, который может быть включен в варианты осуществления застывающих композиций настоящего изобретения. Применяемый здесь термин "замедляющая застывание добавка" относится к добавке, которая замедляет застывание застывающих композиций настоящего изобретения. Примеры подходящих замедляющих застывание добавок включают в себя соли аммония, щелочных металлов, щелочноземельных металлов, металлические соли сульфоалкилированных лигнинов, гидроксикарбоновые кислоты, сополимеры, которые содержат акриловую кислоту или малеиновую кислоту и их комбинации, но не ограничиваются ими. Один пример подходящего сульфоалкилированного лигнина содержит сульфометилированный лигнин. Подходящие, замедляющие застывание добавки описаны более подробно в патенте США № Re. 31190, полное содержание которого включено сюда посредством ссылки. Подходящие, замедляющие застывание добавки коммерчески доступны от Halliburton Energy Services, Inc. под торговыми марками замедлители HR^® 4, HR^® 5, HR^® 7, HR^® 12, HR^® 15, HR^® 25, HR^® 601, SCR^® 100 и SCR^® 500. Обычно, когда применяется, замедляющая застывание добавка может быть включена в застывающие композиции настоящего изобретения в количестве, достаточном, чтобы обеспечить желаемое замедление застывания. В некоторых вариантах осуществления замедляющая застывание добавка может присутствовать в количестве в диапазоне от приблизительно 0,1% до приблизительно 5% bwoc.

Необязательно, другие дополнительные добавки могут быть добавлены в застывающие композиции настоящего изобретения, как считается нужным специалистом в данной области техники, с преимуществом этого описания. Примеры таких добавок включают в себя снижающие прочность добавки, ускорители застывания, утяжеляющие агенты, легковесные добавки, газообразующие добавки, добавки, усиливающие механические свойства, материалы потери циркуляции, добавки контроля фильтрации, диспергаторы, пеногасящие агенты, пенообразующие агенты, тиксотропные добавки и их комбинации, но не ограничиваются ими. Конкретные примеры этих и других добавок включают кристаллический оксид кремния, аморфный оксид кремния, дымовой оксид кремния, соли, волокна, гидратируемые глины, микросферы, золу рисовой шелухи, эластомеры, смолы, латекс и их комбинации, и подобные. Специалист в данной области техники, с преимуществом этого описания, будет способен легко определить тип и количество добавки, полезной для конкретного приложения и желаемого результата.

Как упоминается выше, застывающие композиции настоящего изобретения могут быть вспененными, например, дополнительно содержащими газ и поверхностно-активное вещество, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Вспененная застывающая композиция может использоваться, например, когда желательно, чтобы застывающая композиция была легковесной. Например, вспененная застывающая композиция настоящего изобретения может содержать гидравлический цемент, цементную пыль, природный пуццолан, газ, поверхностно-активное вещество и воду. В виде дополнительного примера, вспененная застывающая композиция настоящего изобретения может содержать цемент, природный пуццолан, газ, поверхностно-активное вещество и воду, где цемент содержит портланд-цемент, измельченный с пережженным сланцем. Другие подходящие добавки, такие, как обсуждается выше, также могут быть включены во вспененные застывающие композиции настоящего изобретения, как желательно специалисту в данной области техники, с преимуществом этого описания.

Газ, используемый во вспененных застывающих композициях настоящего изобретения, может быть любым газом, подходящим для вспенивания застывающей композиции, включая воздух, азот или их комбинации, но не ограничиваясь ими. Обычно газ должен присутствовать во вспененных застывающих композициях настоящего изобретения в количестве, достаточном для образования желаемой пены. В определенных вариантах осуществления, газ может присутствовать во вспененных застывающих композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне от приблизительно 10% до приблизительно 80% от объема композиции.

В случае вспенивания, застывающие композиции настоящего изобретения дополнительно содержат поверхностно-активное вещество. В некоторых вариантах осуществления данное поверхностно-активное вещество содержит вспенивающее и стабилизирующее поверхностно-активное вещество. Применяемый здесь термин "композиция с вспенивающим и стабилизирующим поверхностно-активным веществом" относится к композиции, которая содержит одно или несколько поверхностно-активных веществ и, среди прочего, может быть использована для облегчения вспенивания застывающей композиции, а также может стабилизировать полученную вспененную застывающую композицию, образованную с ней. Любая подходящая композиция с вспенивающим и стабилизирующим поверхностно-активным веществом может использоваться в застывающих композициях настоящего изобретения. Подходящие композиции с вспенивающим и стабилизирующим поверхностно-активным веществом могут включать в себя: смеси аммониевой соли алкилэфирсульфата, поверхностно-активного вещества кокоамидопропилбетаина, поверхностно-активного вещества оксида кокоамидопропилдиметиламина, хлорида натрия и воды; смеси аммониевой соли алкилэфирсульфатного поверхностно-активного вещества, поверхностно-активного вещества кокоамидопропилгидроксисултаина, поверхностно-активного вещества оксида кокоамидопропилдиметиламина, хлорида натрия и воды; гидроксилированный кератин; смеси поверхностно-активного вещества алкил- или алкенамидопропилбетаина и поверхностно-активного вещества оксида алкил- или алкендиметиламина; водные растворы поверхностно-активного вещества альфа-олефинового сульфоната и поверхностно-активного вещества бетаина; и их комбинации, но не ограничиваются ими. В одном определенном варианте осуществления композиция с вспенивающим и стабилизирующим поверхностно-активным веществом содержит смесь аммониевой соли алкилэфирсульфата, поверхностно-активного вещества кокоамидопропилбетаина, поверхностно-активного вещества оксида кокоамидопропилдиметиламина, хлорида натрия и воды. Подходящим примером такой смеси является вспенивающая добавка ZONESEAL^® 2000, коммерчески доступная от Halliburton Energy Services, Inc. Подходящие композиции с вспенивающим и стабилизирующим поверхностно-активным веществом описаны в патентах США № 6797054, 6547871, 6367550, 6063738 и 5897699, полное содержание которых включено сюда посредством ссылки.

Обычно поверхностно-активное вещество может присутствовать во вспененных застывающих композициях настоящего изобретения в количестве, достаточном для обеспечения подходящей пены. В некоторых вариантах осуществления поверхностно-активное вещество может присутствовать в количестве в диапазоне от приблизительно 0,8% до приблизительно 5% от объема воды ("bvow").

Как упоминается выше, застывающие композиции могут расширяться согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, так как настоящее изобретение обеспечивает расширенные застывающие композиции, которые способны оставаться в прокачиваемом текучем состоянии в течение расширенного периода времени. Например, расширенные застывающие композиции могут быть способны оставаться в прокачиваемом текучем состоянии в течение, по меньшей мере, 1 дня или больше (например, по меньшей мере, приблизительно 5 дней). Когда желательно для использования, расширенная застывающая композиция может активироваться (например, путем добавления ускорителя застывания цемента), тем самым застывая в твердую массу. В качестве примера, расширенная застывающая композиция после активации может застывать до прочности на сжатие (определяемой с использованием процедуры, установленной в API Recommended Practice 10B) при 140°F (60°С), по меньшей мере, 100 psi (0,7 МПа) за 72 часа, альтернативно, по меньшей мере, 500 psi (3,5 МПа). Среди прочего, расширенные застывающие композиции настоящего изобретения могут подходить для использования в буровых скважинах, например, когда желательно приготовить цементную композицию заранее. В качестве примера, расширенные застывающие композиции могут облегчать приготовление застывающей композиции в удобном месте и затем транспортировку к месту работы для использования в операции цементирования.

Один пример подходящей расширенной застывающей композиции настоящего изобретения содержит воду, природный пуццолан, замедляющую застывание добавку и, по меньшей мере, один компонент из цемента, портланд-цемента, измельченного с пережженным сланцем, или цементной пыли. Возможно, суспензирующий агент может быть включен в расширенную застывающую композицию по желанию. Другие подходящие добавки, такие как добавки, обсуждаемые выше, также могут быть включены в расширенные застывающие композиции настоящего изобретения по желанию специалиста в данной области техники, с преимуществом этого описания.

Замедляющие застывание добавки включают в расширенные застывающие композиции настоящего изобретения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Примеры подходящих замедляющих застывание добавок включают в себя органические кислоты, лигносульфонаты, синтетические замедлители и их комбинации, но не ограничиваются ими. Было обнаружено, что определенные замедляющие застывание добавки, такие как фосфонатные соединения, могут быть нежелательными в определенных приложениях, так как застывающая композиция может стать сверхзамедленной, так что такая композиция не активируется и не развивает надлежащей прочности на сжатие. Примеры органических кислот, которые могут быть включены в расширенные застывающие композиции настоящего изобретения, включают в себя винную кислоту, глюконовую кислоту, карбоновые кислоты (например, лимонную кислоту), гидроксикарбоновые кислоты и их комбинации, но не ограничиваются ими. Одним примером подходящей винной кислоты является замедлитель цемента HR^®-25, доступный от Halliburton Energy Services, Inc. Примеры лигносульфонатов, которые могут быть включены в расширенные застывающие композиции настоящего изобретения, включают в себя сульфометилированный лигнин, лигносульфонаты кальция, лигносульфонаты натрия и их комбинации, но не ограничиваются ими. Примеры подходящих лигносульфонатов включают в себя замедлители цемента HR^®-4, HR^®-5 и HR^®-7, доступные от Halliburton Energy Services, Inc. Примеры синтетических замедлителей, которые могут быть включены в расширенные застывающие композиции настоящего изобретения, включают в себя сополимеры акриловой кислоты и акриламидо-метилпропансульфонатного полимера и сополимеры малеинового ангидрида и акриламидо-метилпропансульфонатного полимера, но не ограничиваются ими. Примеры подходящих синтетических замедлителей включают в себя замедлители цемента SCR^TM-100 и SCR^TM-500, доступные от Halliburton Energy Services, Inc. Примеры подходящих синтетических замедлителей описаны в патентах США №4941536, 5049288, 5472051 и 5536311, содержание которых включено сюда посредством ссылки.

Замедляющая застывание добавка должна включаться в расширенные застывающие композиции настоящего изобретения в количестве, достаточном, чтобы застывающая композиция оставалась в прокачиваемом текучем состоянии в течение расширенного периода времени (например, по меньшей мере, приблизительно 1 день). В определенных вариантах осуществления замедляющая застывание добавка может быть включена в расширенные застывающие композиции настоящего изобретения в количестве в диапазоне от приблизительно 0,1% до приблизительно 5% bwoc. В определенных вариантах осуществления замедляющая застывание добавка может быть включена в расширенные застывающие композиции настоящего изобретения в количестве в диапазоне от приблизительно 0,1% до приблизительно 1,5% bwoc. Когда замедляющая застывание добавка содержит винную кислоту, винная кислота может быть в расширенной застывающей композиции в количестве в диапазоне от приблизительно 0,2% до приблизительно 0,35% bwoc, например. Когда замедляющая застывание добавка содержит сульфометилированный лигнин, сульфометилированный лигнин может быть, например, включен в расширенную застывающую композицию в количестве в диапазоне от приблизительно 0,2% до приблизительно 1% bwoc. Специалист в данной области техники, с преимуществом этого описания, будет способен определить надлежащую, замедляющую застывание добавку и ее количество для конкретного приложения.

Как упоминается выше, в требуемое для применения время, расширенная застывающая композиция может быть активирована, например, путем добавления ускорителя застывания цемента. Примеры подходящих ускорителей застывания цемента включают в себя хлорид кальция, триэтаноламин, силикат натрия, формиат цинка, ацетат кальция и их комбинации, но не ограничиваются ими. Примером подходящего силиката натрия является добавка ECONOLITE^TM, доступная от Halliburton Energy Services, Inc. Ускоритель застывания цемента необходимо добавлять в расширенную застывающую композицию в количестве, достаточном, чтобы активировать расширенную застывающую композицию застывать в твердую массу. В определенных вариантах осуществления ускоритель застывания цемента может добавляться в расширенную застывающую композицию в количестве в диапазоне от приблизительно 0,1% до приблизительно 4% bwoc.

Как упоминается выше, цементная пыль и/или природный пуццолан могут быть использованы в вариантах осуществления настоящего изобретения для замены дорогостоящих добавок (таких как портланд-цемент), приводя к более экономичным застывающим композициям. Соответственно, один вариант осуществления настоящего изобретения может включать в себя способ максимизации характеристик и минимизации стоимости цементной композиции. Один вариант осуществления данного способа может содержать: определение одного или нескольких требуемых параметров цементной композиции для одного или нескольких свойств, выбранных из группы, состоящей из прочности на сжатие, времени закачивания, потери текучей среды, содержания свободной воды и реологии; определение стоимости компонента для, по меньшей мере, одной добавки, выбранной из группы, состоящей из цементной пыли, природного пуццолана, легковесного материала и их комбинаций; разработку цементной композиции, имеющей один или несколько требуемых параметров цементной композиции, путем подбора количества цементной пыли, природного пуццолана и/или легковесного материала в цементной композиции.

Данный способ может включать в себя определение одного или нескольких требуемых параметров цементной композиции для одного или нескольких свойств, выбранных из группы, состоящей из прочности на сжатие, времени закачивания, потери текучей среды, содержания свободной воды и реологии. Например, одно или несколько свойств могут определяться, чтобы обеспечить цементную композицию, подходящую для применения в подземном цементировании. В одном варианте осуществления, один или несколько требуемых параметров цементной композиции могут включать в себя, по меньшей мере, один параметр из минимальной 24-часовой прочности на сжатие, минимального времени закачивания, минимальной потери текучей среды, минимальное содержание свободной воды или прокачиваемой суспензии. В одном конкретном примере, свойства могут определяться для цементной композиции, удовлетворяющей физическим требованиям API Specification 10 для конкретного API цемента или превышающей их.

Данный способ дополнительно может содержать определение стоимости компонента для, по меньшей мере, одной добавки, выбранной из группы, состоящей из цементной пыли, природного пуццолана и легковесного материала. Легковесные материалы могут быть включены в цементную композицию, например, для обеспечения меньшей плотности. Примеры легковесных материалов включают в себя бентонит, гильсонит, вспененный перлит и микросферы (например, стеклянные сферы), но не ограничиваются ими.

Данный способ дополнительно может содержать разработку цементной композиции, имеющей один или несколько требуемых параметров цементной композиции, путем подбора количества цементной пыли, природного пуццолана и/или легковесного материала в цементной композиции. Разработка цементной композиции может включать в себя определение цементной композиции, которая будет иметь требуемые параметры, которые были определены. При разработке цементной композиции количество цементной пыли, природного пуццолана и/или легковесных материалов необходимо подбирать согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Путем подбора количества этих материалов цена цементной композиции может быть минимизирована при обеспечении цементной композиции, подходящей для использования в подземном цементировании, так как она имеет указанные параметры. В определенных вариантах осуществления легковесные материалы (например, определенные микросферы) могут быть более дорогой добавкой, чем цементная пыль и/или природный пуццолан. Соответственно, подбор относительных количеств этих добавок может давать цементную композицию меньшей стоимости. Например, снижение количества легковесной добавки относительного природного пуццолана и цементной пыли может снижать стоимость цементной композиции. Кроме того, так как цементная пыль и природный пуццолан также могут быть менее дорогими, чем другие компоненты, обычно используемые в цементных композициях (такие как портланд-цемент), увеличения количеств этих компонентов относительно других компонентов должно снижать стоимость цементной композиции. В одном варианте осуществления подбирают количество и цементной пыли, и природного пуццолана. В другом варианте осуществления подбирают количество цементной пыли и легковесного материала. Следует понимать, что количество легковесной добавки может быть снижено до 0% bwoc, чтобы обеспечить цементную композицию меньшей стоимости, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Застывающие композиции, включая расширенные застывающие композиции, настоящего изобретения могут быть использованы в различных подземных приложениях, включая основное цементирование, ремонтное цементирование и операции бурения, но не ограничиваются ими.

Один пример способа настоящего изобретения содержит обеспечение застывающей композиции настоящего изобретения; размещение данной застывающей композиции в буровой скважине. В некоторых вариантах осуществления застывающие композиции настоящего изобретения могут быть вспененными. Как желательно специалисту в данной области техники, с преимуществом этого описания, застывающие композиции настоящего изобретения, пригодные в данном способе, могут содержать любую из вышеуказанных добавок, а также множество других добавок, подходящих для использования в подземных приложениях.

Другим примером способа настоящего изобретения является способ цементирования колонны труб (например, оболочки, расширяемой оболочки, обсадной трубы и др.), расположенной в буровой скважине. Пример такого способа может содержать обеспечение застывающей композиции настоящего изобретения; введение данной застывающей композиции в кольцевое пространство между колонной труб и стенкой буровой скважины; и предоставление возможности застывающей композиции застывать в кольцевом пространстве, образую твердую массу. Обычно, в большинстве случаев, затвердевшая масса должна фиксировать колонну труб в буровой скважине. В некоторых вариантах осуществления застывающие композиции настоящего изобретения могут быть вспененными. При необходимости, застывающие композиции настоящего изобретения, пригодные в данном способе, могут содержать любую из вышеуказанных добавок, а также множество других добавок, подходящих для использования в подземных приложениях.

Другим примером способа настоящего изобретения является способ герметизации участка гравийного фильтра или участка подземной формации. Пример такого способа может содержать обеспечение застывающей композиции настоящего изобретения; введение застывающей композиции в участок гравийного фильтра или участок подземной формации; и предоставление возможности застывающей композиции формировать твердую массу в данном участке. Данные участки подземной формации могут включать в себя проницаемые участки формации и разломы (природные или иные) в формации, и другие участки формации, которые могут позволять нежелательное течение текучей среды в буровую скважину или из нее. Участки гравийного фильтра включают в себя те участки гравийного фильтра, где желательно предотвращать нежелательное течение текучих сред в буровую скважину или из нее. Среди прочего, данный способ может позволять герметизацию участка гравийного фильтра, чтобы предотвращать нежелательное течение текучих сред, без необходимости удаления гравийного фильтра. В некоторых вариантах осуществления застывающие композиции настоящего изобретения могут быть вспененными. Как желательно специалисту в данной области техники, с преимуществом этого описания, застывающие композиции настоящего изобретения, пригодные в данном способе, могут содержать любую из вышеуказанных добавок, а также множество других добавок, подходящих для использования в подземных приложениях.

Другим примером способа настоящего изобретения является способ герметизации пустот, расположенных в колонне труб (например, оболочке, расширяемых оболочках, обсадных трубах и др.) или в цементном покрытии. Обычно, колонна труб будет находиться в буровой скважине, а цементное покрытие может находиться в кольцевом пространстве между колонной труб, находящейся в буровой скважине, и стенкой буровой скважины. Пример такого способа может содержать обеспечение застывающей композиции; введение застывающей композиции в пустоту; и предоставление возможности застывающей композиции застывать, образуя твердую массу в данной пустоте. В некоторых вариантах осуществления застывающие композиции настоящего изобретения могут быть вспененными. Как желательно специалисту в данной области техники, с преимуществом этого описания, застывающие композиции настоящего изобретения, пригодные в данном способе, могут содержать любую из вышеуказанных добавок, а также множество других добавок, подходящих для использования в подземных приложениях.

При герметизации пустоты в колонне труб, способы настоящего изобретения, в некоторых вариантах осуществления, дополнительно могут содержать обнаружение пустоты в колонне труб; и изоляцию пустоты путем задания пространства внутри колонны труб, сообщающегося с данной пустотой; где застывающая композиция может вводиться в данную пустоту из данного пространства. Пустота может быть изолирована с использованием любой подходящей технологии и/или аппаратуры, включая пробки-мосты, закладочные машины и подобное. Пустота в колонне труб может быть обнаружена с использованием любой подходящей технологии. При герметизации пустоты в цементном покрытии способы настоящего изобретения, в некоторых вариантах осуществления, дополнительно могут содержать обнаружение пустоты в цементном покрытии; получение отверстия в колонне труб, которое пересекает данную пустоту; и изоляцию пустоты путем задания пространства внутри колонны труб, сообщающегося с данной пустотой посредством данного отверстия, где застывающая композиция вводится в пустоту через данное отверстие. Пустота в колонне труб может быть обнаружена с использованием любой подходящей технологии. Отверстие может быть образовано в колонне труб с использованием любой подходящей технологии, например, скважинного перфоратора. Пустота может быть изолирована с использованием любой подходящей технологии и/или аппаратуры, включая пробки-мосты, закладочные машины и подобное.

Другим примером способа настоящего изобретения является способ изменения направления бурения буровой скважины. Пример такого способа может содержать обеспечение застывающей композиции; введение застывающей композиции в буровую скважину в месте буровой скважины, где необходимо изменить направление сверления; предоставление возможности застывающей композиции застывать с образованием стартовой пробки в буровой скважине; сверление отверстия в стартовой пробке; и бурение буровой скважины через данное отверстие в стартовой пробке. В некоторых вариантах осуществления застывающие композиции настоящего изобретения могут быть вспененными. При необходимости, застывающие композиции настоящего изобретения, пригодные в данном способе, могут содержать любую из вышеуказанных добавок, а также множество других добавок, подходящих для использования в подземных приложениях.

Обычно операция бурения должна продолжаться в направлении отверстия, просверленного сквозь стартовую пробку. Буровая скважина и отверстие в стартовой пробке могут просверливаться с использованием любой подходящей технологии, включая вращательное бурение, канатное бурение и подобное. В некоторых вариантах осуществления один или несколько ориентированных направленных инструментов бурения могут размещаться возле стартовой пробки. Подходящие инструменты направленного бурения включают в себя скважинный отклонитель, изогнутую суб-скважинную моторизованную буровую комбинацию и подобное, но не ограничиваются этим. Инструменты направленного сверления затем могут быть использованы для сверления отверстия в стартовой пробке так, что отверстие находится в желаемом направлении. Возможно, инструмент направленного сверления может удаляться из буровой скважины после сверления отверстия в стартовой пробке.

Чтобы способствовать лучшему пониманию настоящего изобретения, даются следующие примеры некоторых вариантов его осуществления. Приведенные примеры не следует считать ограничивающими или определяющими объем данного изобретения.

ПРИМЕР 1

Готовили двадцать девять разных цементных суспензий (т.е. суспензии 1-29). Суспензии 1-14 и полученные застывшие цементы затем тестировали, определяя их соответствующие 24-часовые прочности на сжатие. Как установлено ниже, результаты соответствующих тестов для суспензий 1-14 демонстрируют, что суспензии, содержащие цемент, цементную пыль и пумицит, могут обеспечить подходящую прочность на сжатие для определенных приложений. Остальные суспензии использовали для дополнительного тестирования в примере 2 ниже.

Суспензии 1-29 готовили путем сухого смешивания сухих компонентов с цементом до добавления воды с образованием соответствующей суспензии. Суспензии 1-10, 13-29 включали в себя цемент Holcem ASTM Type III. Суспензии 11 и 12 включали в себя цемент TXI Lightweight. Пумицит, включенный в суспензии 4, 7 и 9-29, представлял собой 200-меш пумицит. Жидкие добавки, если они были, добавляли в воду до объединения с цементом. Достаточное количество воды включали в суспензии 1-3 и 24-27, чтобы обеспечить плотность 12,5 ф/г (1,56 кг/л). Достаточное количество воды включали в суспензии 4-23, чтобы обеспечить плотность 12 ф/г (1,5 кг/л). Достаточное количество воды включали в суспензии 28 и 29, чтобы обеспечить плотность 11 ф/г (1,38 кг/л). Конкретная композиция каждой суспензии показана в таблице ниже.

После приготовления суспензий 1-14, данные суспензии подвергали 24-часовым тестам прочности на сжатие при 185°F (85°С) согласно API Recommended Practice 10B. Результаты этих серий тестов показаны в таблице ниже.

¹Количество воды дается в галлонах на 100-фунтовый (45 кг) пакет сухой смеси.
²Holcem ASTM Type III цемент использовали в каждой суспензии за исключением того, что цемент TXI Lightweight использовали в суспензиях 11 и 12.  

³Аморфный оксид кремния, включенный в суспензии, представлял собой цементную добавку Silicalite^TM, доступную от Halliburton Energy Services.
⁴Стеклянные шарики, включенные в определенные суспензии, представляли собой 8000# psi шарики с удельной массой 42, доступные от 3М, расположенного в Миннесоте.
⁵Суспензии 12 и 13 содержали смесь из 5-, 10-, 200 и 325-меш пумицита в равных количествах.  

ПРИМЕР 2

Дополнительные тесты выполняли, используя суспензии 1, 9 и 15-97 из примера 1. В дополнение к компонентам, указанным в примере 1, пеногасящую добавку D-Air^TM 3000 и добавку контроля свободной воды FWCA^TM также добавляли в каждую из этих суспензий в количестве, указанном в таблице ниже. Кроме того, каждая из этих суспензий также включала в себя замедлитель HR^®-601 в количестве, указанном в таблице ниже, за исключением суспензии 9В, в которую включали замедлитель HR^®-5. Суспензии 16-19, 21-26, 28 и 29 дополнительно включали в себя добавку контроля потери текучей среды Halad^® 344 в количестве, указанном в таблице ниже.

После приготовления, данные суспензии и полученные застывшие цементы затем тестировали, чтобы определить их соответствующие свойства потери текучей среды, времена загустевания и содержание свободной воды согласно API Recommended Practice 10B. Кроме того, ультразвуковой анализатор цемента ("UCA") использовали для определения величины UCA_{72 hrs} и величины UCA_crush. [UCA тесты выполняли согласно API Recommended Practice 10B].

Результаты этих серий тестов показаны в таблице ниже.

¹72-часовые UCA прочности на дробление не определяли для суспензий 28 и 29, так как данные суспензии трескались.  

24-часовые UCA прочности на сжатие и дробление также определяли для суспензий 28 и 29. Для суспензии 28, 24-часовые UCA прочности на сжатие и дробление составляли 1107 psi и 1021 psi, соответственно (7,73 МПа и 7,14 МПа). Для суспензии 29, 24-часовые UCA прочности на сжатие и дробление составляли 1500 psi и 1024 psi, соответственно (10,5 МПа и 7,15 МПа).

Кроме того, реологические свойства суспензий также определяли, используя вискозиметр Fann Model 35 при температуре, указанной в таблице ниже, используя груз и гильзу, и пружину #1. Пластическую вязкость и предел текучести суспензий вычисляли по Best Rheology, используя обобщенную модель Hershel Bulkley. Результаты этих серий тестов показаны в таблице ниже.

Пример 2, таким образом, показывает, что суспензии, содержащие пумицит, могут обеспечивать подходящие свойства для определенных приложений.

ПРИМЕР 3

Дополнительные тесты выполняли, используя суспензии 9-11 из примера 1. В частности, каждую из суспензий 9-11 расширяли, используя замедлитель застывания (замедлитель HR^®-5). После нахождения в жидком состоянии в течении 24 часов каждую суспензию активировали, используя хлорид кальция в количестве 4% bwoc. 72-часовую прочность на сжатие полученного застывшего цемента затем определяли при температуре, указанной в таблице ниже, согласно API Recommended Practice 10B. Результаты этих серий тестов показаны в таблице ниже.

ТАБЛИЦА 4 Суспензия Цемент¹
(% bwoc) CKD
(% bwoc) Пумицит
(% bwoc) Замедлитель застывания
(% bwoc) Часы жидкого состояния Хлорид кальция
(% bwoc) 185°F
72-час. прочность на сжатие
(psi) 9 50 25 25 1,5 24 4 1074 10 75 - 25 1 24 4 959 11 50 25 25 1 24 4 626 ¹Holcem ASTM Type III цемент использовали в суспензиях 9 и 10, и TXI Lightweight цемент использовали в суспензии 11.

Пример 3, таким образом, показывает, что суспензии, содержащие цемент, CKD и пумицит, могут быть расширены, например, путем применения соответствующих замедлителей затвердевания.

ПРИМЕР 4

Дополнительные тесты выполняли, используя суспензии 9-11 из примера 1. В частности, каждую из суспензий 9-11 вспенивали воздухом от базовой плотности 12 ф/г (1,5 кг/л) до плотности, указанной в таблице ниже. Пенообразующая добавка, включенная в каждую суспензию, представляла собой пенообразующую добавку Zoneseal^® 2000 в количестве 2% от объема воды. 72-часовую прочность на сжатие полученного застывшего цемента затем определяли при температуре, указанной в таблице ниже, согласно API Recommended Practice 10B. Результаты этих серий тестов показаны в таблице ниже.

Пример 4, таким образом, показывает, что суспензии, содержащие цемент, CKD и пумицит, могут вспениваться, например, путем использования соответствующих пенообразующих добавок.

ПРИМЕР 5

Готовили пять дополнительных суспензий (т.е. суспензии 30-34). Данные суспензии и полученные застывшие цементы затем тестировали, чтобы определить их соответствующие механические свойства, свойства потери текучей среды, реологические свойства и подобные. Как установлено ниже, результаты соответствующих тестов для пяти разных суспензий показывают, что суспензии, содержащие пумицит, могут обеспечивать подходящую прочность на сжатие для определенных приложений.

Суспензии 30-34 готовили путем сухого смешивания сухих компонентов с цементом до добавления воды с образованием соответствующей суспензии. Жидкие добавки, если они были, добавляли в воду до объединения с цементом. Достаточное количество воды включали в суспензии 30-32, чтобы обеспечить плотность 10,5 ф/г (1,31 кг/л), и достаточное количество воды включали в суспензии 33 и 34, чтобы обеспечить плотность 12 ф/г (1,5 кг/л). В дополнение к другим компонентам, каждая суспензия включала в себя Holcem ASTM Type III цемент, 200-меш пумицит и цементную пыль Joppa. Композиция каждой суспензии показана в таблице ниже.

ТАБЛИЦА 6 Суспензия Плотность
(ф/г) Вода¹
(гал/пак) Цемент
(% bwoc) Пумицит
(% bwoc) CKD
(% bwoc) Бентонит
(% bwoc) Кварцевая мука²
(% bwoc) Стеклянные шарики³
(% bwoc) 30 10,5 10,05 50 32 5 -- -- 13 31 10,5 10,07 50 32 5 -- -- 13 32 10,5 10,06 50 32 5 -- -- 13 33 12 15 50 42 5 3 17 -- 34 12 12,98 50 42 5 3 -- -- ¹Количество воды дается в галлонах на 100-фунтовый (45 кг) пакет сухой смеси.
²Кварцевая мука, включенная в суспензию 33, представляла собой стабилизирующую прочность добавку SSA-1^TM, доступную от Halliburton Energy Services.
³Стеклянные шарики, включенные в определенные суспензии, представляли собой 8000# psi шарики с удельной массой 42, доступные от 3М, расположенного в Миннесоте.

Суспензия 30 дополнительно включала в себя пеногасящую добавку D-Air^TM 3000 (0,25% bwoc), добавку контроля свободной воды FWCA^TM (0,15% bwoc), замедлитель HR^®-601 (0,6% bwoc) и добавку контроля потери текучей среды Halad^®-344 (0,6% bwoc).

Суспензия 31 дополнительно включала в себя пеногасящую добавку D-Air^TM 3000 (0,25% bwoc), добавку контроля свободной воды FWCA^TM (0,15% bwoc), замедлитель HR^®-601 (0,3% bwoc) и добавку контроля потери текучей среды Halad^®-344 (0,4% bwoc).

Суспензия 32 дополнительно включала в себя пеногасящую добавку D-Air^TM 3000 (0,25% bwoc), добавку контроля свободной воды FWCA^TM (0,15% bwoc), замедлитель HR^®-601 (0,4% bwoc) и добавку контроля потери текучей среды Halad^®-344 (0,4% bwoc).

Суспензия 33 дополнительно включала в себя пеногасящую добавку D-Air^TM 3000 (0,25% bwoc), добавку контроля свободной воды FWCA^TM (0,25% bwoc), замедлитель HR^®-601 (0,3% bwoc) и добавку контроля потери текучей среды Halad^®-344 (0,5% bwoc), и помощник суспензирования SA-541^ТМ (0,3% bwoc).

Суспензия 34 дополнительно включала в себя пеногасящую добавку D-Air^TM 3000 (0,25% bwoc), добавку контроля свободной воды FWCA^TM (0,3% bwoc), замедлитель HR^®-601 (0,3% bwoc) и добавку контроля потери текучей среды Halad^®-344 (0,2% bwoc).

После приготовления суспензий, суспензии и полученные застывшие цементы затем тестировали, чтобы определить их соответствующие свойства потери текучей среды, времена загустевания и содержание свободной воды при температурах, указанных в таблице ниже, согласно API Recommended Practice 10B. Кроме того, UCA использовали, чтобы определить время до 50 psi (0,35 МПа), время до 500 psi (3,5 МПа), величину UCA_{72 hrs} и величину UCA_crush. UCA тесты выполняли согласно API Recommended Practice 10B. Кроме того, реологические свойства суспензий также определяли, используя вискозиметр Fann Model 35 при температуре, указанной в таблице ниже, используя груз и гильзу, и пружину #1. Пластическую вязкость и предел текучести суспензий вычисляли по Best Rheology, используя обобщенную модель Hershel Bulkley. Результаты этих серий тестов показаны в таблице ниже.

Пример 5, таким образом, показывает, что суспензии, содержащие пумицит, могут обеспечивать подходящие свойства для определенных приложений.

Следовательно, настоящее изобретение хорошо приспособлено, чтобы достигать упомянутых целей и преимуществ, а также тех, которые присущи ему. Конкретные варианты осуществления, описанные выше, являются только иллюстративными, так как настоящее изобретение может быть модифицировано и практически исполнено различными, но эквивалентными путями, очевидными специалистам в данной области техники, с преимуществом данного описания. Кроме того, никакие ограничения не предусматриваются для показанных подробностей конструкции или дизайна, иные, чем описываются в формуле изобретения ниже. Следовательно понятно, что конкретные иллюстративные варианты осуществления, описанные выше, могут быть изменены или модифицированы, и все такие вариации считаются внутри объема настоящего изобретения. Хотя композиции и способы описаны в терминах "содержащий" или "включающий" различные компоненты или этапы, данные композиции и способы могут также "состоять, по существу, из" или "состоять из" данных различных компонентов и этапов. Все числа и диапазоны, описанные выше, могут изменяться на некоторое количество. Когда бы ни описывался численный диапазон с нижним пределом и верхним пределом, любое число и любой включенный диапазон, попадающий внутрь данного диапазона, является конкретно описанным. В частности, каждый диапазон величин (в форме "от приблизительно а до приблизительно b" или эквивалентно "приблизительно от а до b", или эквивалентно "приблизительно а-b"), описанный здесь, следует понимать, как излагающий каждое число и диапазон, охваченные внутри более широкого диапазона величин. Также, термины в формуле изобретения имеют их прямое, обычное значение, если иное не определено точно и ясно владельцем патента.

Изобретение относится к способу цементирования подземной формации и к составу цементной композиции, используемой в указанном способе. В способе цементирования подземной формации, вводят цементную композицию в подземную формацию, причем цементная композиция содержит: портландцемент, измельченный с пережженным сланцем, цементную пыль, природный пуццолан и воду; и позволяют цементной композиции застывать. Используемая цементная композиция содержит вышеуказанные компоненты. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы изобретения. Технический результат - регулирование реологических свойств, времени загустевания, используемых при цементировании композиций, повышение прочности образующегося при затвердевании указанной композиции цементного камня. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 пр., 7 табл.

1. Способ цементирования подземной формации, где:
вводят цементную композицию в подземную формацию, где цементная композиция содержит:
портландцемент, измельченный с пережженным сланцем,
цементную пыль,
природный пуццолан, и воду; и
позволяют цементной композиции застывать.

2. Способ по п.1, где, когда вводят цементную композицию в подземную формацию, вводят цементную композицию в пространство между колонной труб и подземной формацией.

3. Способ по п.2, где вводят колонну труб в буровую скважину, пересекающую подземную формацию.

4. Способ по пп.1, 2 или 3, где данная цементная композиция содержит, по меньшей мере, один цемент, выбранный из группы, состоящей из портландцемента, пуццоланового цемента, гипсового цемента, цемента с высоким содержанием оксида алюминия, шлакового цемента, цемента с оксидом кремния в комбинации с портландцементом, измельченным совместно с обожженным сланцем.

5. Способ по пп.1, 2 или 3, где природный пуццолан содержит, по меньшей мере, один пуццолан, выбранный из группы, состоящей из пумицита, диатомовой земли, вулканического пепла, опалинового сланца, туфа и их комбинации.

6. Способ по пп.1, 2 или 3, где природный пуццолан содержит пумицит.

7. Способ по пп.1, 2 или 3, где природный пуццолан присутствует в количестве от приблизительно 0,1% до приблизительно 50% от массы цементирующих компонентов.

8. Способ по пп.1, 2 или 3, где цементная композиция содержит, по меньшей мере, одну добавку, выбранную из группы, состоящей из снижающей прочность добавки, ускорителя застывания, замедлителя застывания, утяжеляющего агента, легковесной добавки, утяжеляющей добавки, газообразующей добавки, добавки, усиливающей механические свойства, материала потери циркуляции, добавки контроля фильтрации, диспергатора, пеногасящего агента, пенообразующего агента, тиксотропной добавки и их комбинации.

9. Способ по любому одному из пп.1, 2 или 3, где цементная композиция содержит, по меньшей мере, одну добавку, выбранную из группы, состоящей из зольной пыли, шлака, метакаолина, сланца, цеолита, извести, кристаллического оксида кремния, аморфного оксида кремния, дымового оксида кремния, соли, волокна, гидратируемой глины, микросфер, золы рисовой шелухи, эластомера, смолы, латекса и их комбинации.

10. Способ по пп.1, 2 или 3, где:
определяют один или нескольких желаемых параметров цементной композиции для, по меньшей мере, одного свойства, выбранного из группы, состоящей из прочности на сжатие, времени закачивания, потери текучей среды, содержания свободной воды, реологии и их комбинации;
определяют расход компонента для, по меньшей мере, одной добавки, выбранной из группы, состоящей из цементной пыли, природного пуццолана, легковесного материала и их комбинации;
разрабатывают цементную композицию, имеющую один или несколько желаемых параметров цементной композиции, путем подбора количества цементной пыли, природного пуццолана и/или легковесного материала в цементной композиции.

11. Способ по п.10, где, когда подбирают количество, подбирают количество цементной пыли и легковесного материала в цементной композиции.

12. Способ по п.10, где, когда подбирают количество, подбирают количество цементной пыли и природного пуццолана в цементной композиции.

13. Способ по пп.1, 2, или 3, где данный портландцемент содержит портландцемент класса С, и где пережженный сланец содержит сланец Eagleford.

14. Цементная композиция, содержащая:
портландцемент, измельченный с пережженным сланцем;
цементную пыль природный пуццолан; и воду.

15. Цементная композиция по п.14, содержащая, по меньшей мере, один цемент, выбранный из группы, состоящей из портландцемента, пуццоланового цемента, гипсового цемента, цемента с высоким содержанием оксида алюминия, шлакового цемента, цемента с оксидом кремния в комбинации с портландцементом, измельченным совместно с пережженным сланцем: и, по меньшей мере, один пуццолан, выбран из группы, состоящей из пумицита, диатомовой земли, вулканического пепла, опалинового сланца, туфа и их комбинации.