МЕДЛЕННО ЗАСТЫВАЮЩИЕ ЦЕМЕНТНЫЕ КОМПОЗИЦИИ, СОДЕРЖАЩИЕ ПЕМЗУ, И СВЯЗАННЫЕ С НИМИ СПОСОБЫ Российский патент 2016 года по МПК E21B33/138 C09K8/467 C04B28/18 

Уровень техники

Цементные композиции могут применяться при выполнении различных подземных операций. Например, при подземном строительстве скважины колонна труб (таких как, обсадные трубы, хвостовики-лайнеры или потайные обсадные трубы, телескопические трубы) могут быть опущены в ствол скважины и зацементированы при монтаже. Процесс цементирования колонны труб при монтаже принято называть первичным цементированием. При использовании обычного способа первичного цементирования цементная композиция вкачивается в межтрубное пространство между стенками ствола скважины и внешней поверхностью установленных там труб. Цементная композиция может помещаться в межтрубное пространство таким образом, чтобы образовывалось межтрубное покрытие из затвердевшего и, практически, водонепроницаемого цемента (например, цементное кольцо), которое может закреплять и фиксировать положение колонны труб в стволе скважины и может прикреплять внешнюю поверхность колонны труб к подземной формации. Помимо всего прочего, цементное покрытие, окружающее колонну труб, препятствует движению жидкости в межтрубное пространство, а также защищает колонну труб от коррозии. Цементные композиции также могут быть использованы при исправительном цементировании, например, при заделывании трещин или пробоин в колонне труб или цементном кольце, при герметизации формационных зон или разрывов с высокой проницаемостью, при установке цементного моста и тому подобное.

При выполнении операций подземного цементирования используется широкий спектр различных цементных композиций. В некоторых случаях, используются медленно застывающие цементные композиции. Характерной особенностью медленно застывающих цементных композиций является сохранение прокачиваемого (то есть поддающегося перекачке насосом) текучего состояния в течение длительного периода времени (например, от, как минимум, 1 дня до приблизительно 2 или более недель). В случае использования данных композиций, необходимо иметь возможность активировать медленно застывающие цементные композиции, тем самым вырабатывая устойчивость к сжимающим нагрузкам. Например, ускоритель схватывания цемента может быть добавлен к медленно застывающей композиции, и при его помощи композиция превращается в отвержденную массу. Среди прочего, медленно застывающие композиции могут быть пригодны к использованию при разработке ствола скважины, например, в случае, когда необходимо приготовить цементную композицию заранее. В частности, в приведенном выше примере, данную цементную композицию можно хранить до момента ее использования. Дополнительно, это позволяет, например, приготовить цементную композицию в удобном местоположении и затем транспортировать к месту проведения работ. Соответственно, капительные вложения могут быть сокращены благодаря снижению необходимости крупнотоннажного хранилища сухих сыпучих материалов и микшерного оборудования в месте проведения работ. Приведенный выше пример оказывается особенно полезным при выполнении цементных операций на некотором удалении от берега, в тех случаях, когда место на борту судна может быть ограничено.

В отношении разработанных до настоящего времени медленно застывающих цементных композиций существуют проблемы и задачи, связанные с успешностью использования данных композиций при операциях подземного цементирования. В частности, медленно застывающие цементные композиции, приготовленные с портландцементом, могут иметь нежелательные случаи загустевания, которые ограничивают применение данных композиций и их эффективность в операциях цементирования. Другие разработанные медленно застывающие композиции, в частности, те, которые содержат гашеную известь и кварц, могут быть эффективны при некоторых операциях, но имеют ограниченное применение при низких температурах, поскольку не вырабатывают достаточной прочности на сжатие при использовании их в подземных формациях, имеющих пониженную статическую температуру забоя.

Сущность изобретения

В варианте осуществления настоящего изобретения предложен способ цементирования в подземной формации. Данный способ заключается в предоставлении медленно застывающей цементной композиции, включающей воду, пемзу, гашеную известь и замедлитель схватывания. Данный способ может также включать в себя активацию медленно застывающей цементной композиции. Кроме того, данный способ может включать в себя введение медленно застывающей цементной композиции в подземную формацию. Более того, данный способ позволяет медленно застывающей цементной композиции схватываться в подземной формации.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения предложен способ цементирования в подземной формации. Данный способ заключается в предоставлении медленно застывающей цементной композиции, включающей воду, пемзу, гашеную известь и замедлитель схватывания. Кроме того, данный способ включает хранение медленно застывающей цементной композиции в течение как минимум 1 дня. Данный способ может также включать добавление ускорителя схватывания цемента к медленно застывающей цементной композиции. Кроме того, данный способ может включать в себя введение медленно застывающей цементной композиции в подземную формацию. Более того, данный способ позволяет медленно застывающей цементной композиции схватываться в подземной формации.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения предложена медленно застывающая цементная композиция, включающая воду, пемзу, гашеную известь и замедлитель схватывания. Медленно застывающая цементная композиция может оставаться в прокачиваемом текучем состоянии в течение как минимум 1 дня.

Характерные особенности и преимущества настоящего изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники. Несмотря на то, что специалистами в данной области техники могут быть сделаны многочисленные изменения, данные изменения входят в объем настоящего изобретения.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

Настоящее изобретение относится к подземным операциям по цементированию и, в частности, в конкретном варианте осуществления, к медленно застывающим цементным композициям и способам использования медленно застывающих цементных композиций в подземных формациях.

Варианты осуществления медленно застывающих цементных композиций согласно настоящему изобретению могут, в общем случае, включать в себя воду, пемзу, гашеную известь и замедлитель схватывания. В некоторых случаях, медленно застывающие цементные композиции могут дополнительно содержать диспергирующий агент. Предпочтительно, варианты осуществления медленно застывающих цементных композиций способны сохранять прокачиваемое текучее состояние в течение длительного периода времени. В частности, медленно застывающие цементные композиции могут сохранять прокачиваемое текучее состояние в течение как минимум 1 дня или дольше. Предпочтительно, медленно застывающие цементные композиции могут развивать достаточную устойчивость к сжимающим нагрузкам после активации при относительно низких температурах. Наряду с тем, что медленно застывающие цементные композиции могут быть пригодны для ряда подземных цементирующих операций, они могут быть, в особенности, пригодны к использованию в подземных формациях, имеющих относительно низкую статическую температуру забоя; например, температуру меньше, чем около 200°F (93,3°С) или в диапазоне от почти 100°F (37,8°С) до приблизительно 200°F (93,3°С).

Вода, используемая в вариантах осуществления медленно застывающих цементных композициях согласно настоящему изобретению, может быть из разных источников при условии, что она не содержит избыток веществ, которые могут нежелательным образом влиять на другие компоненты медленно застывающих цементных композиций. В частности, медленно застывающая цементная композиция может содержать пресную или соленую воду. Соленая вода, как правило, может содержать одну или несколько растворенных в ней солей и может быть насыщенной или ненасыщенной в зависимости от особенностей применения. Морская или минерализованная пластовая воды могут быть пригодны к использованию в конкретных вариантах осуществления согласно настоящему изобретению. Кроме того, вода может присутствовать в количестве достаточном для образования прокачиваемого цементного раствора. В некоторых вариантах осуществления, вода может присутствовать в медленно застывающей цементной композиции в количестве, попадающем в диапазон почти 33 масс. % до приблизительно 200 масс. % по массе пемзы. В некоторых вариантах осуществления, вода может присутствовать в медленно застывающей цементной композиции в количестве, попадающем в диапазон от почти 35 масс. % до приблизительно 70 масс. % по массе пемзы. Любой специалист в данной области техники, имеющий сведения о преимуществах настоящего изобретения, установит необходимое количество воды для конкретного применения.

Варианты осуществления медленно застывающей цементной композиции могут содержать пемзу. Как правило, пемза - это вулканическая порода, которая демонстрирует цементирующие свойства, поскольку пемза может схватываться и затвердевать в присутствии гашеной извести и воды. Пемза может также быть, к примеру, основой. В большинстве случаев, пемза может иметь любое распределение по размерам частиц, в зависимости от задач конкретного применения. В некоторых вариантах осуществления, пемза может иметь средний размер частицы в диапазоне от приблизительно 1 микрона до приблизительно 200 микрон. Средний размер частицы соответствует значению d50 на основании измерений анализатором размеров частиц, который производится Malvern Instruments, Вустершир, Великобритания. В конкретном варианте осуществления, пемза может иметь средний размер частицы в диапазоне от приблизительно 1 микрона до приблизительно 200 микрон, от приблизительно 5 микрон до приблизительно 100 микрон или от приблизительно 10 микрон до приблизительно 50 микрон. В одном конкретном варианте осуществления, пемза может иметь средний размер частиц меньше, чем около 15 микрон. Образец подходящей пемзы доступен у Hess Pumice Products, Inc., Малад, Айдахо, как DS-325 заполнитель для легких бетонов, имеющий размер частиц меньше, чем приблизительно 15 микрон. Следует учесть, что слишком малый размер частиц может приводить к проблемам смешивания, в то время как частицы слишком большого размера не смогут эффективно удерживаться во взвешенном состоянии в композиции. Любой специалист в данной области техники, имеющий сведения о преимуществах настоящего изобретения, сможет выбрать размер частицы пемзы, подходящий для конкретного применения.

Варианты осуществления медленно застывающей композиции могут включать гашеную известь. В контексте настоящего изобретения, термин «гашеная известь» установлен для обозначения гидроксида кальция. Гашеная известь может быть включена в вариантах осуществления медленно застывающей композиции, в частности, для образования затвердевающих в воде композиций с пемзой. В частности, гашеная известь может быть включена в смесь пемза-гашеная известь в весовом отношении от приблизительно 10:1 к приблизительно 1:1 или от 3:1 к приблизительно 5:1. В случае, если гашеная известь присутствует, она может, например, входить в состав медленно застывающей цементной композиции в количестве, попадающем в диапазон значений от почти 10 масс. % до почти 100 масс. % пемзы. В некоторых вариантах осуществления, гашеная известь может присутствовать в количестве, попадающем в диапазон между любым значением из и/или включая любое значение из следующих: почти 10 масс. %, почти 20 масс. %, почти 40 масс. %, почти 60 масс. %, почти 80 масс. % или почти 100 масс. % пемзы. В некоторых вариантах осуществления цементирующие компоненты, присутствующие в медленно застывающей цементной композиции, могут включать, главным образом, пемзу и гашеную известь. В частности, цементирующие компоненты могут, в основном, быть представлены пемзой и гашеной известью без каких-либо дополнительных компонентов (таких как, портландцемент, искусственный пуццолан, известково-шлаковый цемент), которые гидравлически схватываются в присутствии воды. Любой специалист в данной области техники, знакомый с преимуществом настоящего изобретения, установит количество гашеной извести, необходимое для введения при конкретном применении.

Варианты осуществления медленно застывающей цементной композиции могут включать замедлитель схватывания. Широкий спектр различных замедлителей схватывания может быть пригоден для использования в медленно застывающей цементной композиции, применяемой в рамках настоящего изобретения. В частности, замедлитель схватывания может быть представлен фосфоновой кислотой, производными фосфоновой кислоты, лигносульфонатами, солями, органическими кислотами, карбоксиметилированной гидроксиэтилированной целлюлозой, синтетическими сополимерами или терполимерами, содержащими сульфонатную и карбоксильную группы, соединениями борной кислоты, производными перечисленных веществ или их смесями. В конкретных вариантах осуществления, замедлитель схватывания в медленно застывающей цементной композиции, применяемой в рамках настоящего изобретения, представлен производными фосфоновой кислоты, такими, которые описаны в заявке U.S. Pat. No. 4676832, содержание которой полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки. Примеры пригодных замедлителей схватывания, помимо прочих, включают производные фосфоновой кислоты, предлагаемые Halliburton Energy Services, Inc., Дункан, Оклахома, под наименованием Micro Matrix® замедлитель схватывания цемента. Согласно общим правилам, замедлитель схватывания может присутствовать в медленно застывающей цементной композиции, применяемой в рамках настоящего изобретения, в количестве, достаточном для отсрочки схватывания на необходимое время. В конкретных вариантах осуществления, замедлитель схватывания может присутствовать в медленно застывающей цементной композиции в количестве, попадающем в диапазон значений от приблизительно 0,01 масс. % до приблизительно 10 масс. % по массе пемзы. В конкретных вариантах осуществления, замедлитель схватывания может присутствовать в количестве, попадающем в диапазон между любым значением из и/или включая любое значение из следующих: приблизительно 0,01 масс. %, приблизительно 0,1 масс. %, приблизительно 1 масс. %, приблизительно 2 масс. %, приблизительно 4 масс. %, приблизительно 6 масс. %, приблизительно 8 масс. %, или приблизительно 10 масс. % по массе пемзы. Любой специалист в данной области техники, знакомый с преимуществом настоящего изобретения, установит количество замедлителя схватывания, необходимое для введения при конкретном применении.

Как уже отмечалось выше, вариант осуществления медленно застывающей цементной композиции может дополнительно содержать диспергирующий агент. Примеры подходящих диспергирующих агентов включают в том числе диспергирующие агенты на основе сульфонированного формальдегида и диспергирующие агенты на основе поликарбоксилированного эфира. Одним из примеров пригодного диспергирующего агента на основе сульфонированного формальдегида, отвечающего заявленным требованиям, является сульфонированный ацетонформальдегидный дистиллят, выпускаемый Halliburton Energy Services, Inc., как CFR™-3 диспергирующий агент. Одним из примеров пригодного диспергирующего агента на основе поликарбоксилированного эфира, отвечающего заявленным требованиям, является Liquiment® 514L диспергирующий агент, выпускаемый BASF Corporation, Хьюстон, Техас, который содержит 36 масс. % поликарбоксилированного эфира в воде. Несмотря на то, что различные диспергирующие агенты могут использоваться в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, диспергирующие агенты на основе поликарбоксилированного эфира могут быть наиболее подходящими для применения в конкретных вариантах осуществления. Не будучи ограниченными рамками какой-либо теории, полагают, что диспергирующие агенты на основе поликарбоксилированного эфира могут синергетически взаимодействовать с прочими компонентами медленно застывающей цементной композиции. В частности, считают, что диспергирующие агенты на основе поликарбоксилированного эфира могут взаимодействовать с определенными замедлителями схватывания (например, производными фосфоновой кислоты), что приводит к образованию геля, который удерживает во взвешенном состоянии пемзу и гашеную известь в композиции в течение длительного времени.

В конкретных вариантах осуществления, диспергирующий агент может быть включен в состав медленно застывающей цементной композиции в количестве, попадающем в диапазон значений от приблизительно 0,01 масс. % до приблизительно 5 масс. % по массе пемзы. В конкретном варианте осуществления, диспергирующий агент может присутствовать в количестве, попадающем в диапазон между любым значением из и/или включая любое значение из следующих: приблизительно 0,01 масс. %, приблизительно 0,1 масс. %, 0,5 масс. %, приблизительно 1 масс. %, приблизительно 2 масс. %, приблизительно 3 масс. %, приблизительно 4 масс. %, или приблизительно 5 масс. % по массе пемзы. Любой специалист в данной области техники, знакомый с преимуществом настоящего изобретения, установит количество диспергирующего агента, необходимое для введения при конкретном применении.

Прочие присадки, пригодные для использования при подземных цементирующих операциях, также могут быть включены в варианты осуществления медленно застывающей цементной композиции. Примеры таких присадок включают, но не ограничиваются: добавки-утяжелители; облегчающие добавки; газогенерирующие добавки; присадки, увеличивающие прочностные свойства; наполнитель для борьбы с поглощением; присадки, регулирующие фильтрацию; добавки для борьбы с водопоглощением; пеноподавляющие агенты; пенообразователи; тиксотропные добавки и комбинации перечисленных веществ. В вариантах осуществления, одна или несколько из этих присадок могут быть добавлены в медленно застывающую цементную композицию после периода хранения, но до помещения медленно застывающей цементной композиции в подземную формацию.

Специалисты в данной области техники согласятся, что вариант осуществления медленно застывающей цементной композиции, заявленной в настоящем изобретении, должен иметь плотность, подходящую для конкретного применения. В качестве примера, медленно застывающая цементная композиция может иметь плотность в диапазоне значений от приблизительно 4 фунтов на галлон ("lb/gal"; ф/гал) (479,3 г/л) до приблизительно 20 ф/гал (2397 г/л). В конкретных вариантах осуществления, медленно застывающая цементная композиция может иметь плотность в диапазоне значений от приблизительно 8 ф/гал (958,6 г/л) до приблизительно 17 ф/гал (2037 г/л). Варианты осуществления медленно застывающей цементной композиции могут быть вспененными или невспененными или могут содержать другие средства для уменьшения их плотности, такие как полые микросферы, резиновые гранулы низкой плотности или другие добавки, понижающие плотность, известные в технике. В вариантах осуществления, плотность может быть уменьшена после периода хранения, но до помещения в подземную формацию. Специалист в данной области техники, знакомый с преимуществом настоящего изобретения, установит подходящую плотность для конкретного применения.

Как уже упоминалось выше, медленно застывающие цементные композиции могут иметь отсрочку схватывания, при которой они сохраняют прокачиваемое текучее состояние в течение длительного времени. В частности, медленно застывающие цементные композиции могут сохранять прокачиваемое текучее состояние в течение периода времени от приблизительно 1 дня до приблизительно 7 и более дней. В конкретных вариантах осуществления, медленно застывающие цементные композиции могут сохранять прокачиваемое текучее состояние в течение как минимум приблизительно 1 дня, приблизительно 7 дней, приблизительно 10 дней, приблизительно 20 дней, приблизительно 30 дней, приблизительно 40 дней, приблизительно 50 дней, приблизительно 60 дней, или более. Считается, что жидкость находится в прокачиваемом текучем состоянии, когда она имеет вязкость меньше, чем 70 единиц консистенции Вердена ("Вс"); при проведении измерений в выскотемпературном консистометре высокого давления при комнатной температуре (например, около 80°F (20,7°С) в соответствии с процедурой определения времени схватывания цемента по API RP Practice 10В-2, Recommended Practice for Testing Well Cements, первое издание, июль 2005. Как показано в приведенном ниже Примере 4, образец был приготовлен с содержанием пемзы, 20 масс. % гашеной извести, 1,4 масс. % диспергирующего агента (Liquiment® 514L), 1,26 масс. % замедлителя схватывания (Micro Matrix® замедлитель схватывания цемента), и 62 масс. % воды (все масс. % по массе пемзы). Через 45 дней хранения при обычных условиях, образец композиции был смешан с 6 масс. % хлорида кальция по массе пемзы. При 140°F (60°С) образец композиции имел время схватывания (время до достижения 70 Вс) 2 часа и 36 минут и вырабатывал прочность на сжатие в 50 psi (фунтов на кв.дюйм) (344,7 кПа) в течение 9 часов и 6 минут согласно показаниям ультразвукового анализатора цемента ("UCA"), выпускаемого Fann Instrument Company, Хьюстон, Техас, в ходе исследования установленного на 3000 psi (20,68 МПа). Через 48 часов образец был раздавлен и имел прочность на сжатие 2 240 psi (15,44 МПа).

При необходимости, вариант осуществления медленно застывающей цементной композиции может быть активирован (например, посредством соединения с ускорителем схватывания цемента) и, тем самым, превращен в отвердевшую массу. В качестве примера, вариант осуществления медленно застывающей цементной композиции может быть активирован, что приводит к отверждению массы в течение периода времени в диапазоне от почти 2 часов до почти 12 часов. В частности, варианты осуществления медленно застывающей цементной композиции могут быть активированы, что приводит к отверждению массы в течение времени в диапазоне между любым значением из и/или включая любое значение из следующих: приблизительно 2 дня, приблизительно 4 дня, приблизительно 6 дней, приблизительно 8 дней, приблизительно 10 дней, или приблизительно 12дней. После активации, медленно застывающая цементная композиция может развивать 24-часовую прочность на сжатие в диапазоне значений от приблизительно 50 psi (344,7 кПа) до приблизительно 5000 psi (34,47 МПа), в качестве альтернативного варианта, от приблизительно 100 psi (689,5 кПа) до приблизительно 4500 psi (31 МПа), или от приблизительно 500 psi (3,45 МПа) до приблизительно 4000 psi (27,58 МПа). В конкретных вариантах осуществления, медленно застывающая цементная композиция может развивать 24-часовую прочность на сжатие, как минимум, приблизительно 50 psi (344,7 кПа), минимально около 100 psi (689,5 кПа), не меньше, чем приблизительно 500 psi (3,45 МПа), или более. Прочность на сжатие может быть определена в соответствии с API RP 10В-2, Recommended Practice for Testing Well Cements, первое издание, июль 2005, при использовании ультразвукового анализатора цемента (УАЦ) при 140°F (60°С) и, в то же время, установленного на 3000 psi (20,68 МПа).

Варианты осуществления настоящего изобретения могут также включать добавление ускорителя схватывания цемента к медленно застывающей цементной композиции. Примеры подходящих ускорителей схватывания цемента включают, но не ограничиваются: хлорид кальция, триэтаноламин, силикат натрия, формиат цинка, ацетат кальция, гидроксид натрия, сульфат натрия или смеси перечисленных веществ. Ускоритель схватывания цемента должен быть добавлен к вариантам осуществления медленно застывающей цементной композиции в количестве, достаточном для активации протяженно размещенной композиции, чтобы запустить схватывание массы. В конкретных вариантах осуществления, ускоритель схватывания цемента может быть добавлен к медленно застывающей цементной композиции в количестве, попадающем в диапазон от приблизительно 1 масс. % до приблизительно 20 масс. % по массе пемзы. В конкретных вариантах осуществления, ускоритель схватывания цемента может присутствовать в количестве, попадающем в диапазон между любым значением из и/или включая любое значение из следующих: приблизительно 1 масс. %, приблизительно 5 масс. %, приблизительно 10 масс. %, приблизительно 15 масс. %, или приблизительно 20 масс. %, по массе пемзы. Любой специалист в данной области техники, имеющий сведения о преимуществах настоящего изобретения, сможет подобрать подходящее количество ускорителя схватывания цемента, необходимое для введения при конкретном применении.

Специалисты согласятся, что варианты осуществления медленно застывающей цементной композиции, заявленные настоящим документом, могут быть использованы в различных подземных операциях, включая первичное и исправительное цементирование. В конкретных вариантах осуществления предлагается медленно застывающая цементная композиция, которая содержит воду, пемзу, гашеную известь, замедлитель схватывания и, в некоторых случаях, диспергирующий агент. Медленно застывающую цементную композицию можно ввести в подземную формацию и дать ей возможность там отвердеть. В контексте настоящего изобретения, введение медленно застывающей цементной композиции в подземную формацию включает в себя введение в любую часть подземной формации; в том числе, без ограничений, в ствол скважины, пробуренной в подземной формации; в призабойную зону, окружающую ствол скважины, или в ту и другую часть. Варианты осуществления настоящего изобретения могут дополнительно включать активацию медленно застывающей цементной композиции. Активация медленно застывающей цементной композиции может представлять, например, введение в медленно застывающую цементную композицию ускорителя схватывания цемента.

В конкретных вариантах осуществления, предлагается медленно застывающая цементная композиция, которая содержит воду, пемзу, гашеную известь, замедлитель схватывания и, в некоторых случаях, диспергирующий агент. Медленно застывающая цементная композиция может храниться, к примеру, в цистерне или другой подходящей емкости. Медленно застывающей цементной композиции можно позволить оставаться на хранении в течение требуемого периода времени. Например, медленно застывающая цементная композиция может оставаться в течение периода времени от приблизительно 1 дня и дольше. В частности, медленно застывающая цементная композиция может храниться в течение приблизительно 1 дня, приблизительно 2 дней, приблизительно 5 дней, приблизительно 7 дней, приблизительно 10 дней, приблизительно 20 дней, приблизительно 30 дней, приблизительно 40 дней, приблизительно 50 дней, приблизительно 60 дней или дольше. В конкретных вариантах осуществления, медленно застывающая цементная композиция может оставаться на хранении в течение периода времени в диапазоне от приблизительно 1 дня до приблизительно 7 или более дней. В дальнейшем, медленно застывающую цементную композицию можно активировать, например, посредством добавления ускорителя схватывания цемента, ввести в подземную формацию и позволить там отвердеть.

При осуществлении изобретения при первичном цементировании, например, вариант осуществления медленно застывающей цементной композиции может быть введен в пространство между стенками ствола скважины и трубопроводом (например, обсадными трубами или хвостовиками-лайнерами), размещенным в стволе скважины, при этом ствол скважины вскрывает подземную формацию. Медленно застывающей цементной композиции можно дать возможность отвердеть с образованием межтрубного покрытия из отвердевшего цемента в пространстве между стволом скважины и трубопроводом. Среди прочего, отвердевшая цементная композиция может образовывать барьер, предотвращающий миграцию жидкости в ствол скважины. Отвердевшая цементная композиция может также, в частности, поддерживать трубопровод в стволе скважины.

При осуществлении изобретения при исправительном цементировании, вариант осуществления медленно застывающей цементной композиции может быть использован, в частности, в операциях исправительного тампонажа или при установке цементного моста. Как пример, медленно застывающая цементная композиция может быть помещена в ствол скважины для закупоривания или герметизации пустот, таких как пустоты и трещины в подземной формации, в гравийном фильтре, в трубопроводе, в цементном кольце и/или микрозазоры между цементным кольцом и трубопроводом.

С целью содействовать лучшему пониманию настоящего изобретения, ниже приведены примеры конкретных аспектов реализации данного изобретения. Приведенные ниже примеры ни в коей мере не следует понимать, как ограничивающие или определяющие объем настоящего изобретения в целом.

Пример 1

Приведенная ниже серия опытов была проведена с целью оценить характеристики силового сопротивления цементных композиций сравнения, содержащих пемзу и гашеную известь. Три различных образца сравнения заданного состава, обозначенные как «Образцы 1-3», были приготовлены с использованием пемзы (DS-325 заполнитель для легких бетонов), гашеной извести, Liquiment® 514L диспергирующего агента, и воды, в соответствии с приведенными ниже табличными данными. После изготовления образцы были помещены в УАЦ и выдержаны при 140°F (60°С) и 3000 psi (20,68 МПа) в течение 24 часов. Затем затвердевшие образцы цемента были удалены из УАЦ и раздавлены с приложением сжимающего усилия, значения которого приведено ниже в Таблице 1.

Пример 1, таким образом, показывает, что цементные композиции, которые содержат пемзу и известь в весовом соотношении в диапазоне от 3:1 до 5:1 могут вырабатывать прочность при сжатии, совместимую с определенным применением.

Пример 2

Был приготовлен образец медленно застывающей цементной композиции, обозначенный как «Образец 4», с плотностью 13,3 ф/галл (1594 г/л) и содержащий 500 грамм пемзы (DS-325 заполнитель для легких бетонов), 100 грамм гашеной извести, 13 грамм Liquiment® 514L диспергирующего агента, 24 грамма Micro Matrix® замедлителя схватывания цемента, и 300 граммов воды. Реологические свойства образца были измерены после хранения при комнатной температуре и давлении в течение 1 и 6 дней. После изготовления реологические свойства образца были определены при комнатной температуре (а именно, приблизительно 80°F (26,7°С)) при использовании вискозиметра Model 35А Fann и пружины No. 2 в соответствии с процедурой, установленной в API RP Practice 10В-2, Recommended Practice for Testing Well Cements. Результаты испытания приведены в таблице ниже.

Пример 2, таким образом, показывает, что медленно застывающая цементная композиция, содержащая пемзу, гашеную известь, диспергирующий агент, замедлитель схватывания цемента и воду, может сохранять текучесть по истечении 6 дней.

Пример 3

Был приготовлен образец медленно застывающей цементной композиции, обозначенный как «Образец 5», с плотностью 13,4 ф/гал (1606 г/л) и содержащий 500 грамм пемзы (DS-325 заполнитель для легких бетонов), 100 грамм гашеной извести, 7 грамм Liquiment® 514L диспергирующего агента, 6,3 грамма Micro Matrix® замедлителя схватывания цемента, и 304 грамма воды. Реологические свойства образца были измерены после хранения при комнатной температуре и давлении в течение периода от 1 до 19 дней. Реологические свойства образца измерялись при комнатной температуре (а именно, приблизительно 80°F (26,7°С)) при использовании вискозиметра Model 35А Fann и пружины No. 2 в соответствии с процедурой, установленной в API RP Practice 10В-2, Recommended Practice for Testing Well Cements. Результаты испытания приведены в таблице ниже.

По истечении 7 дней, к отдельно приготовленным образцам одинакового состава, который был приведен выше, был добавлен хлорид кальция в количестве, обозначенном в приведенной ниже Таблице 4. Затем образцы были помещены в УАЦ, и было определено время начала схватывания, то есть время, за которое композиция достигала прочности на сжатие в 50 psi (344,74 кПа) при установленном давлении в 3000 psi (20,68 МПа), в соответствии с API RP Practice 10В-2, Recommended Practice for Testing Well Cements. Время начала схватывания было также определено и для образцов, к которым не добавлялся хлорид кальция. Образцы с хлоридом кальция и без него были нагреты до температуры 140°F (60°С) в течение 30 минут, а затем выдерживались при данной температуре при проведении испытаний.

Пример 3, таким образом, показывает, что медленно застывающая цементная композиция, содержащая пемзу, гашеную известь, диспергирующий агент, замедлитель схватывания цемента и воду, не будет схватываться в течение периода как минимум 19 дней при комнатной температуре и в течение свыше 4 дней при температуре 140°F (60°С). Пример 3 также демонстрирует, что данный образец медленно застывающей цементной композиции может быть активирован в требуемый момент времени путем добавления подходящего активатора.

Пример 4

Был приготовлен образец медленно застывающей цементной композиции, обозначенный как «Образец 6», с плотностью 13,4 ф/гал (1606 г/л) и содержащий 500 грамм пемзы (DS-325 заполнитель для легких бетонов), 20 масс. % гашеной извести, 1,4 масс. % Liquiment® 514L диспергирующего агента, 1,26 масс. % Micro Matrix® замедлителя схватывания цемента, и 62 масс. % воды (все данные относительно массы пемзы, что указано в приведенной ниже таблице, как "% bwop"). По истечении 45 дней хранения при обычных условиях окружающей среды образец был смешан с 6% хлорида кальция. При 140°F (60°С) образец имел время схватывания (время до достижения 70 ВС) равное 2 часам и 36 минутам и время начала схватывания (время до достижения 50 psi (344,74 кПа)) равное 9 часам и 6 минутам на основании данных измерений с использованием УАЦ при установленном давлении в 3000 psi (20,68 МПа). Через 48 часов образец был раздавлен на механическом прессе, который создавал сжимающее усилие в 2240 psi (15,44 МПа). И время схватывания, и время начала схватывания были определены в соответствии с API RP Practice 10В-2, Recommended Practice for Testing Well Cements. Результаты испытания приведены в таблице ниже.

Пример 4, таким образом, показывает, что медленно застывающая цементная композиция, содержащая пемзу, гашеную известь, диспергирующий агент, замедлитель схватывания цемента и воду, не будет схватываться в течение периода как минимум 45 дней при комнатной температуре. Пример 4 также демонстрирует, что данный образец медленно застывающей цементной композиции может быть активирован в требуемый момент времени путем добавления подходящего активатора.

Пример 5

Данный образец был сделан с целью оценки способности гидроксида натрия и сульфата натрия активировать медленно застывающую цементную композицию, которая содержит пемзу (DS-325 заполнитель для легких бетонов), гашеную известь, Liquiment® 514L диспергирующий агент, Micro Matrix® замедлитель схватывания цемента и воду. Были изготовлены четыре образца медленно застывающей цементной композиции, обозначенные как «Образецы 7-10», имеющие концентрации компонентов согласно приведенным в таблице ниже данным. Образцы контролировались при помощи УАЦ. После того, как образцы были помещены в УАЦ, давление увеличили до 3000 psi (20,68 МПа), а температуру подняли через 15-минутный промежуток времени до 100°F (37,8°С), и поддерживали такими на протяжении всего испытания. Порция цементного раствора была отобрана и помещена в пластиковый баллон, чтобы отслеживать поведение цементного раствора при комнатной температуре и давлении. Данная процедура была повторена для каждого образца.

Образец 7 был под наблюдением в течение 72 часов, по истечении которых никакой прочности не вырабатывалось, и цементный раствор был по-прежнему текучим при удалении его из УАЦ. Порция, находившаяся при комнатной температуре и давлении, также была по-прежнему текуча через 72 часа.

Образец 8 был приготовлен с использованием такого же расчета цементного раствора, как и для образца 7, с тем исключением, что был добавлен гидроксид натрия в качестве активатора. Гидроксид натрия был добавлен в твердом виде прямо в смесительную емкость, содержащую приготовленный образец. Как можно увидеть из Таблицы 6, Образец 8, достигал прочности на сжатие в 50 psi (344,74 кПа) через 16 часов и 36 минут. Прочность продолжала нарастать, достигнув максимального значения, равного 1300 psi (8,96 МПа), когда испытание было завершено через 72 часа. Затвердевший цемент был удален из УАЦ и раздавлен на механическом прессе при приложении сжимающего усилия в 969 psi (6,68 МПа). Порция, хранившаяся при комнатной температуре и давлении, была раздавлена по прошествии 7 дней в результате приложения сжимающего усилия в 143 psi (985,95 кПа).

Образец 9 был приготовлен с использованием такого же расчета цементного раствора, как и для образца 8, с тем исключением, что в качестве активатора был добавлен сульфат натрия. Сульфат натрия был добавлен в твердом виде прямо в смесительную емкость, содержащую приготовленный образец. Образец 9, достигал прочности на сжатие в 50 psi (344,74 кПа) через 67 часов и 29 минут. Прочность продолжала медленно нарастать, достигая максимального значения, равного 78 psi (537,79 кПа), когда испытание было завершено через 72 часа. Затвердевший цемент был удален из УАЦ и раздавлен на механическом прессе при приложении сжимающего усилия в 68,9 psi (475,05 кПа). Порция, хранившаяся при комнатной температуре и давлении, была по-прежнему слишком мягкая через 7 дней, чтобы быть раздавленной.

Образец 10 был приготовлен с использованием такого же расчета цементного раствора, как и для образца 8, с тем исключением, что равные количества гидроксида натрия и сульфата натрия были добавлены в качестве активатора. Сульфат натрия и гидроксид натрия были добавлены в твердом виде прямо в смесительную емкость, содержащую приготовленный образец. Образец 10, достигал прочности на сжатие в 50 psi (344,74 кПа) через 22 часа и 40 минут. Прочность продолжала нарастать, достигая максимального значения, равного 900 psi (6,21 МПа), когда испытание было завершено через 72 часа. Затвердевший цемент был удален из УАЦ и раздавлен на механическом прессе при приложении сжимающего усилия в 786 psi (5,42 МПа). Порция, хранившаяся при комнатной температуре и давлении, была раздавлена по истечении 7 дней в результате приложения сжимающего усилия в 47,9 psi (330,26 кПа).

Результаты данных испытаний приведены в таблице ниже. Сокращение "% bwop" обозначает процентное содержание компонента по массе относительно массы пемзы. Сокращение "gal/sk" обозначает количество галлонов компонента на 46-фунтовый мешок пемзы. Сокращение "RTP" относится к комнатной температуре и давлению.

Пример 5, таким образом, показывает, что гидроксид натрия, сульфат натрия и их комбинация могут активировать медленно застывающую цементную композицию, но в разной степени. Проведенные испытания показали, что как гидроксид натрия, так и комбинация гидроксида натрия с сульфатом натрия активировали цементную композицию на приемлемом уровне. По сравнению с неактивированной композицией, сульфат натрия активировал цементную композицию, но в значительно меньшей степени, чем гидроксид натрия или комбинация гидроксида натрия и сульфата натрия.

Следует понимать, что хотя композиции и способы описаны в терминах «содержащий», «состоящий» или «включающий» различные компоненты или этапы, данные композиции и способы могут также «состоять, по существу, из» или «состоять из» данных различных компонентов и этапов.

Для краткости изложения, только некоторые диапазоны однозначно указаны в настоящей заявке на изобретение. Тем не менее, диапазоны от любого нижнего предела могут быть объединены с любым верхним пределом, чтобы описать диапазон, который не обозначен явным образом; точно также диапазон от любого нижнего предела может быть объединен с любым другим нижним пределом для обозначения диапазона, не указанного явным образом; таким же образом, диапазон с любым верхним пределом может быть объединен с любым другим верхним пределом, чтобы задать диапазон, не прописанный в явном виде. Кроме того, во всех случаях при описании численного диапазона с нижним и верхним пределами конкретно описывается любое число и любой включенный диапазон, попадающий в данный диапазон. В частности следует понимать, что в каждом диапазоне значений (в форме «примерно от а до b», или, эквивалентно, «приблизительно от а до b», или, эквивалентно, «приблизительно от а-b»), раскрытом в настоящем документе, описано каждое число и диапазон, охватываемые внутри более широкого диапазона значений. Таким образом, каждая точка или отдельно взятое значение может выступать в качестве своего собственного нижнего или верхнего предела, объединяясь с любой другой точкой или отдельно взятым значением или любым другим нижним или верхним пределом, чтобы обозначить диапазон, не прописанный в явном виде.

Следовательно, настоящее изобретение является хорошо адаптированным для достижения упомянутых целей и преимуществ, а также тех, которые ему присущи. Конкретные варианты осуществления, раскрытые выше, являются только иллюстративными, поскольку настоящее изобретение можно модифицировать и осуществлять различными, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области техники, имеющих сведения о преимуществах настоящего изобретения. Несмотря на то, что рассматриваются конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, данное изобретение покрывает все комбинации всех таких вариантов осуществления. Кроме того, не предполагается никаких ограничений на подробности вариантов осуществления, технического решения или технологической схемы, показанных в настоящем документе, отличных от тех, которые описаны в формуле изобретения, представленной ниже. К тому же, термины в формуле изобретения имеют их обычное простое значение, если только заявителем патента не определено явно и четко иное. Следовательно, ясно, что конкретные иллюстративные варианты осуществления, раскрытые выше, можно изменять или модифицировать, и все такие варианты рассматриваются в пределах объема и существа настоящего изобретения. Если имеется какое-либо противоречие между использованием слова или термина в настоящем описании и в одном или нескольких патентах или других документах, которые могут быть включены в настоящий документ ссылкой, следует принимать определения, которые совместимы с настоящим описанием.

Изобретение относится к способу цементирования в подземной формации, включающему: приготовление медленно застывающей цементной композиции, содержащей воду, пемзу, гашеную известь, диспергирующий агент и замедлитель схватывания, где замедлитель схватывания содержит производное фосфоновой кислоты, а диспергирующий агент содержит диспергирующий агент на основе поликарбоксилированного эфира; активацию медленно застывающей цементной композиции; введение медленно застывающей цементной композиции в подземную формацию; и предоставление возможности медленно застывающей цементной композиции схватиться в подземной формации. Изобретение также относится к медленно застывающей композиции, используемой в указанном способе цементирования. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы изобретения. Технический результат - замедление сроков схватывания композиции, повышение её жизнеспособности. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 6 табл.

1. Способ цементирования в подземной формации, включающий:
приготовление медленно застывающей цементной композиции, содержащей воду, пемзу, гашеную известь, диспергирующий агент и замедлитель схватывания, где замедлитель схватывания содержит производное фосфоновой кислоты, а диспергирующий агент содержит диспергирующий агент на основе поликарбоксилированного эфира;
активацию медленно застывающей цементной композиции;
введение медленно застывающей цементной композиции в подземную формацию; и
предоставление возможности медленно застывающей цементной композиции схватиться в подземной формации.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пемза имеет средний размер частиц в диапазоне от приблизительно 1 микрона до приблизительно 200 микрон.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пемза и гашеная известь присутствуют в массовом соотношении пемзы к гашеной извести от приблизительно 10:1 до приблизительно 1:1.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что медленно застывающая цементная композиция имеет массовое соотношение пемзы к гашеной извести от приблизительно 3:1 до приблизительно 5:1, и тем, что замедлитель схватывания присутствует в количестве от приблизительно 0,01 масс. % до приблизительно 2 масс. % относительно массы пемзы, и тем, что диспергирующий агент на основе поликарбоксилированного эфира присутствует в количестве от приблизительно 0,01 масс. % до приблизительно 2 масс. % относительно массы пемзы.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что медленно застывающая цементная композиция дополнительно содержит, по меньшей мере, одну присадку, выбранную из группы, состоящей из добавок-утяжелителей; облегчающих добавок; газогенерирующих добавок; присадок, увеличивающих прочностные свойства; наполнителей для борьбы с поглощением; присадок, регулирующих фильтрацию; добавок для борьбы с водопоглощением; пеногасителей; пенообразователей; тиксотропных добавок и любых комбинаций перечисленных веществ.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что медленно застывающая цементная композиция сохраняет прокачиваемое текучее состояние в течение периода времени по меньшей мере приблизительно 7 дней до активации.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что медленно застывающая цементная композиция сохраняет прокачиваемое текучее состояние в течение периода времени по меньшей мере приблизительно 30 дней до активации.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что активация включает добавление ускорителя схватывания цемента к медленно застывающей цементной композиции.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что медленно застывающая цементная композиция развивает 24-часовую прочность на сжатие по меньшей мере приблизительно 50 psi (344,74 кПа) согласно измерениям с использованием УАЦ (ультразвукового анализатора цемента) при 140°F (60°С) и установленном давлении 3000 psi (20,68 МПа).

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что медленно застывающую цементную композицию вводят в ствол скважины, проникающей в подземную формацию, при этом ствол скважины имеет статическую температуру забоя меньше чем приблизительно 200°F (93,33°С).

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что медленно застывающую цементную композицию вводят в межтрубное пространство между стенками ствола скважины и обсадными трубами, установленными в стволе скважины.

12. Способ цементирования в подземной формации, включающий:
приготовление медленно застывающей цементной композиции, содержащей воду, пемзу, гашеную известь и замедлитель схватывания;
хранение медленно застывающей цементной композиции в течение по меньшей мере приблизительно 1 дня;
добавление ускорителя схватывания цемента к медленно застывающей цементной композиции;
введение медленно застывающей цементной композиции в подземную формацию; и
предоставление возможности медленно застывающей цементной композиции схватиться в подземной формации.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что пемза и гашеная известь присутствуют в массовом соотношении пемзы к гашеной извести от приблизительно 10:1 до приблизительно 1:1.

14. Способ по п. 12, отличающийся тем, что замедлитель схватывания содержит производное фосфоновой кислоты, и тем, что медленно застывающая цементная композиция дополнительно содержит диспергирующий агент на основе поликарбоксилированного эфира.

15. Способ по п. 12, отличающийся тем, что медленно застывающая цементная композиция дополнительно содержит диспергирующий агент.

16. Способ по п. 12, отличающийся тем, что медленно застывающую цементную композицию хранят в течение периода времени, который составляет по меньшей мере приблизительно 30 дней.

17. Медленно застывающая цементная композиция, содержащая воду;
пемзу;
гашеную известь;
диспергирующий агент, где диспергирующий агент содержит диспергирующий агент на основе поликарбоксилированного эфира; и
замедлитель схватывания, где замедлитель схватывания содержит производное фосфоновой кислоты,
где медленно застывающая цементная композиция будет сохранять прокачиваемое текучее состояние в течение периода времени, который составляет по меньшей мере приблизительно 1 день.

18. Композиция по п. 17, где пемза имеет средний размер частиц в диапазоне от приблизительно 1 микрона до приблизительно 200 микрон.

19. Композиция по п. 17, где пемза и гашеная известь присутствуют в массовом соотношении пемзы к гашеной извести от приблизительно 10:1 до приблизительно 1:1.

20. Композиция по п. 19, где медленно застывающая цементная композиция имеет массовое соотношение пемзы к гашеной извести от приблизительно 3:1 до приблизительно 5:1, и тем, что замедлитель схватывания присутствует в количестве от приблизительно 0,01 масс. % до приблизительно 2 масс. % относительно массы пемзы, и где диспергирующий агент на основе поликарбоксилированного эфира присутствует в количестве от приблизительно 0,01 масс. % до приблизительно 2 масс. % относительно массы пемзы.

21. Композиция по п. 17, где медленно застывающая цементная композиция дополнительно содержит, по меньшей мере, одну присадку, выбранную из группы, состоящей из добавок-утяжелителей; облегчающих добавок; газогенерирующих добавок; присадок, увеличивающих прочностные свойства; наполнителей для борьбы с поглощением; присадок, регулирующих фильтрацию; добавок для борьбы с водопоглощением; пеногасителей; пенообразователей; тиксотропных добавок и любых комбинаций перечисленных веществ.