ОТВЕРЖДАЕМЫЕ КОМПОЗИЦИИ, СОДЕРЖАЩИЕ ВОЛЛАСТОНИТ И ПЕМЗУ, И СПОСОБЫ ПРИМЕНЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК C09K8/467 E21B33/138 C04B28/22 C04B28/02 C04B14/04 C04B111/20 

Предшествующий уровень техники

Настоящее изобретение относится к операциям цементирования и, более конкретно, в некоторых формах осуществления к отверждаемым композициям, содержащим волластонит и пемзу, и к связанным с ними способам их применения в операциях цементирования.

В операциях цементирования, таких как цементирование при строительстве скважин и исправительное цементирование, обычно применяются отверждаемые композиции. В значении, использующемся в настоящем изобретении, термин «отверждаемая композиция» относится к композиции, которая гидравлически схватывается или каким-либо иным образом проявляет прочность при сжатии. Отверждаемые композиции могут быть использованы в операциях первичного цементирования, в результате которого в стволах скважин цементируют колонны труб, такие как обсадная колонна и хвостовики обсадных колонн. В типичной операции первичного цементирования отверждаемая композиция может быть закачана в кольцевое пространство между стенками ствола скважины и наружной поверхностью колонны труб, расположенной в ней, или между колонной труб и трубопроводом большого диаметра в подземном пласте. Отверждаемая композиция может затвердеть в кольцевом пространстве, тем самым образуя кольцевую оболочку из отвержденного, по существу, непроницаемого материала (например, цементного кольца), которая может поддерживать и позиционировать колонну труб в стволе скважины и соединять внешнюю поверхность колонны труб со стенками ствола скважины или с трубопроводом большего диаметра. Кроме того, цементное кольцо, окружающее колонну труб, должно функционировать так, чтобы предотвратить миграцию жидкости в кольцевом пространстве, а также защитить колонну труб от коррозии. Отверждаемые композиции также могут быть использованы в способах исправительного цементирования, например, в тампонажных работах и в цементировании под давлением для герметизации пустот в колонне труб, цементном кольце, гравийной набивке, подземном пласте и т.п.

Особой проблемой в операциях цементирования является развитие в отверждаемой композиции удовлетворительных механических свойств в течение приемлемого периода времени после размещения ее в подземном пласте. В течении срока службы скважины подземное цементное кольцо претерпевает многочисленные деформации и напряжения в результате воздействий температуры, давления и ударных нагрузок. Способность выдерживать эти деформации и напряжения прямо связана с механическими свойствами отверждаемого состава после его затвердевания. Механические свойства часто характеризуются с помощью таких параметров, как предел прочности при сжатии, предел прочности на разрыв, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, упругость и т.п. Эти свойства могут быть изменены путем включения добавок.

Один из типов отверждаемой композиции, примененной ранее, включает портландцемент в качестве цементирующего компонента. Портландцемент является одним из наиболее распространенных цементирующих компонентов, используемых во всем мире и, как правило, производится при помощи процесса, который включает спекание смеси заданного состава, а затем измельчение полученного портландцементного клинкера. Несмотря на то что портландцемент используется в цементировании при строительстве скважин и в исправительном цементировании в течение многих лет, он имеет недостатки, заключающиеся в энергетических потребностях для его производства. Эти энергетические потребности значительно увеличивают затраты на создание портландцемента. Усилия по сокращению затрат на отверждаемые композиции выразились в форме замены портландцемента на другие компоненты в виде твердых частиц.

Краткое описание изобретения

Форма осуществления настоящего изобретения описывает способ цементирования. Формы осуществления этого способа могут включать обеспечение отверждаемой композиции, которая может содержать волластонит, пемзу, источник иона кальция и воду, причем в упомянутой композиции волластонит может присутствовать в количественном диапазоне от примерно 25% до примерно 75% от общей массы волластонита и пемзы, а пемза в упомянутой композиции может присутствовать в количественном диапазоне от примерно 25% до примерно 75% от общей массы волластонита и пемзы. Формы осуществления этого способа могут дополнительно включать предоставление возможности этой отверждаемой композиции затвердеть.

Другая форма осуществления настоящего изобретения раскрывает способ цементирования. Формы осуществления этого способа могут включать приготовление базовой жидкости, которая может содержать воду и известь. Формы осуществления этого способа могут дополнительно включать приготовление сухой смеси, которая может содержать волластонит и пемзу, причем в упомянутой смеси волластонит может присутствовать в количественном диапазоне от примерно 25% до примерно 75% от общей массы волластонита и пемзы, а пемза в упомянутой композиции может присутствовать в количественном диапазоне от примерно 25% до примерно 75% от общей массы волластонита и пемзы. Формы осуществления упомянутого способа могут дополнительно включать смешивание базовой жидкости и сухой смеси с получением отверждаемой композиции, которая по существу не содержит портландцемента. Формы осуществления способа могут дополнительно включать введение отверждаемой композиции в подземный пласт. Формы осуществления этого способа могут дополнительно включать предоставление возможности этой отверждаемой композиции затвердеть в подземном пласте.

Еще одна форма осуществления настоящего изобретения раскрывает отверждаемую композицию, которая может содержать волластонит, пемзу, источник иона кальция, воду, причем в упомянутой композиции волластонит может присутствовать в количественном диапазоне от примерно 25% до примерно 75% от общей массы волластонита и пемзы, а пемза в упомянутой композиции может присутствовать в количественном диапазоне от примерно 25% до примерно 75% от общей массы волластонита и пемзы.

Отличительные признаки 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 настоящего изобретения, такие изменения находятся в пределах сущности настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Формы осуществления настоящего изобретения раскрывают отверждаемые композиции, содержащие волластонит, пемзу, источник иона кальция и воду. Одним из многих потенциальных преимуществ форм осуществления отверждаемых композиций является то, что применение волластонита и пемзы может придать отверждаемым композициям достаточные пределы прочности при сжатии для использования в подземных работах без необходимости применять портландцемент. В качестве примера, предел прочности при сжатии отверждаемых композиций, содержащих волластонит и пемзу, может быть равен или больше, чем предел прочности при сжатии отверждаемой композиции, в которой волластонит и пемза были заменены портландцементом. Соответственно, формы осуществления отверждаемых композиции могут быть использованы в различных подземных работах, где могут быть применимы отверждаемые композиции, в том числе, без ограничений, для первичного и исправительного цементирования.

В некоторых формах осуществления настоящего изобретения отверждаемые композиции могут содержать волластонит. Волластонит обычно представляет собой минерал иносиликата кальция, использующийся для таких промышленных применений, как керамика, фрикционные изделия, изделия для обработки металла, наполнители красок и пластмасс. Волластонит может быть добыт во множестве различных мест по всему миру, а затем обработан для промышленного применения. Волластонит может рассматриваться как цементирующий компонент, поскольку он схватывается и затвердевает в присутствии кремнезема, извести и воды. Волластонит, использующийся в формах осуществления настоящего изобретения, может иметь средний размер частиц в диапазоне от примерно 1 мкм до примерно 200 мкм и, в качестве альтернативы, от примерно 5 микрон до примерно 100 микрон. Волластонит может быть включен в формы осуществления отверждаемых композиций в количестве, соответствующем конкретному применению. В некоторых формах осуществления изобретения волластонит может присутствовать в отверждаемой композиции в количественном диапазоне от примерно 25% до примерно 75% от общей массы волластонита и пемзы. В конкретных формах осуществления изобретения волластонит может присутствовать в количественном диапазоне между любым значением и/или включая любое значение от примерно 25%, примерно 30%, примерно 40%, примерно 50%, примерно 60%, примерно 70% или примерно 75% от общей массы волластонита и пемзы. Специалист в данной области техники, с учетом настоящего описания, сможет сам определить количество волластонита для того, чтобы включить его в выбранный вариант применения.

В некоторых формах осуществления настоящего изобретения отверждаемые композиции могут содержать пемзу. Пемза обычно представляет собой вулканическую породу, которая проявляет цементирующие свойства в том, что она может схватываться и затвердевать в присутствии извести и воды. Пемза может быть добыта в ряде различных мест по всему миру, а затем обработана для промышленного применения. Пемза, использующаяся в формах осуществления настоящего изобретения, может иметь средний размер частиц в диапазоне от примерно 1 мкм до примерно 50 мкм и, в качестве альтернативы, от примерно 1 мкм до примерно 20 мкм. Пример подходящей пемзы, имеющей средний размер частиц менее 20 мкм, доступен для приобретения от компании Hess Pumice Products, Inc. (Malad City, Idaho) под торговой маркой DS-200. Пемза может быть включена в формы осуществления отверждаемых композиций в количестве, соответствующем конкретному применению. В некоторых формах осуществления настоящего изобретения пемза может присутствовать в отверждаемых композициях в количественном диапазоне от примерно 25% до примерно 75% от общей массы волластонита и пемзы. В некоторых формах осуществления настоящего изобретения, пемза может присутствовать в количественном диапазоне между любыми значениями и/или включая любое значение от примерно 25%, примерно 30%, примерно 40%, примерно 50%, примерно 60%, примерно 70% или примерно 75% от общей массы волластонита и пемзы. Специалист в данной области техники, с учетом настоящего описания, сможет сам определить соответствующее количество пемзы для того, чтобы включить его в выбранный вариант применения.

В некоторых формах осуществления настоящего изобретения отверждаемые композиции могут содержать источник иона кальция. Источник иона кальция может быть включены в отверждаемые композиции, например, с целью обеспечения ионами кальция для реакции с волластонитом и/или пемзой. Один из примеров подходящего источника иона кальция включает известь. В значении, использующемся в настоящем изобретении, термин «известь» понимается как включающий оксид кальция, гидроксид кальция или их комбинацию. В некоторых формах осуществления настоящего изобретения источник иона кальция может присутствовать в отверждаемой композиции в количественном диапазоне от примерно 0,1% до примерно 15% от общей массы волластонита и пемзы. В других формах осуществления настоящего изобретения источник иона кальция может быть включен в количественном диапазоне от примерно 1% до примерно 10% от общей массы волластонита и пемзы.

В некоторых формах осуществления настоящего изобретения отверждаемые композиции могут дополнительно содержать гидравлический цемент. Может быть использован широкий спектр гидравлических цементов в соответствии с настоящим изобретением, включая, без ограничений, гидравлические цементы, содержащие кальций, алюминий, кремний, кислород, железо и/или серу, которые схватываются и затвердевают в результате реакции с водой. Подходящие гидравлические цементы включают, без ограничений, портландцемент, пуццолановые цементы, гипсовые цементы, цементы с высоким содержанием алюминия, кремнеземистые цементы и любую их комбинацию. В некоторых формах осуществления настоящего изобретения гидравлический цемент может содержать портландцемент. Портландцементы, подходящие для использования в формах осуществления настоящего изобретения, могут быть классифицированы как цементы класса А, С, Н и G в соответствии со стандартом Американского нефтяного института «Спецификация на материалы и тестирование тампонажного цемента» («API Specification for Materials and Testing for Well Cements», API Specification 10, Fifth Ed., Jul. 1, 1990). Кроме того, в некоторых формах осуществления настоящего изобретения гидравлические цементы, пригодные для использования в настоящем изобретении, могут быть классифицированы как цементы ASTM типа I, II или III.

Если в отверждаемых композициях присутствует гидравлический цемент, то как правило, он может быть включен в количестве, достаточном для обеспечения желаемого предела прочности при сжатии, плотности и/или стоимости. В некоторых формах осуществления изобретения гидравлический цемент может присутствовать в отверждаемых композициях в количественном диапазоне от примерно 0,1% до примерно 50% от общей массы волластонита и пемзы. Например, гидравлический цемент может присутствовать в количественном диапазоне между любым значением и/или включая любое значение от примерно 0,1%, примерно 1%, примерно 5%, примерно 10%, примерно 20%, примерно 30%, примерно 40% или примерно 50% от общей массы волластонита и пемзы. В некоторых формах осуществления настоящего изобретения гидравлический цемент может быть включен в количестве, которое не выше примерно 1%, не выше примерно 5%, не выше примерно 10%, не выше примерно 20%, не выше примерно 30%, не выше примерно 40% или не выше примерно 50% от общей сухой массы волластонита и пемзы.

В некоторых формах осуществления настоящего изобретения отверждаемые композиции могут по существу не содержать каких-либо дополнительных цементирующих компонентов, таких как гидравлический цемент, описанный в настоящем изобретении (например, содержать их менее чем примерно 1% от общей массы волластонита и пемзы). В конкретных формах осуществления настоящего изобретения отверждаемые композиции могут по существу не содержать или совсем не содержать портландцемента. В некоторых формах осуществления настоящего изобретения отверждаемые композиции могут содержать дополнительные цементирующие компоненты, такие как гидравлический цемент, в количестве менее чем примерно 1% от общей массы волластонита и пемзы и, альтернативно, менее чем примерно 0,1% по общей массы волластонита и пемзы.

В некоторых формах осуществления настоящего изобретения отверждаемые композиции могут дополнительно содержать диспергатор. Если в отверждаемой композиции присутствует диспергатор, то он должен, помимо прочего, регулировать ее реологические свойства. Хотя в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы различные диспергаторы, известные специалистам в данной области техники, примеры подходящих диспергаторов включают продукт конденсации нафталинсульфоновой кислоты с формальдегидом; продукт конденсации ацетона, формальдегида и сульфита; продукт конденсации меламинсульфоната с формальдегидом; и любую их комбинацию. Если в формах осуществления отверждаемых композиций присутствует диспергатор, то он должен присутствовать в них в количестве, достаточном, чтобы предотвратить гелеобразование отверждаемой композиции и/или улучшить реологические свойства. В некоторых формах осуществления настоящего изобретения диспергатор может присутствовать в отверждаемой композиции в количественном диапазоне от примерно 0,1% до примерно 5% от общей массы волластонита и пемзы.

Вода, использующаяся в формах осуществления отверждаемых композиций по настоящему изобретению, может включать, например, пресную воду, соленую воду (например, воду, содержащую одну или более растворенных в ней солей), рассол (например, насыщенную соленую воду, добытую из подземных пластов), морскую воду или любую их комбинацию. Как правило, вода может быть из любого источника, при условии, например, что он не содержит избыток соединений, которые могут нежелательным образом повлиять на другие компоненты в отверждаемой композиции. В некоторые формы осуществления изобретения вода может быть включена в количестве, достаточном для образования прокачиваемой суспензии. В некоторых формах осуществления изобретения вода может быть включена в отверждаемые композиции в количественном диапазоне от примерно 40% до примерно 200% от общей массы волластонита и пемзы. В некоторые формы осуществления настоящего изобретения вода может быть включена в количественном диапазоне от примерно 40% до примерно 150% от общей массы волластонита и пемзы.

Другие добавки, пригодные для использования в подземных операциях цементирования, также могут быть прибавлены к формам осуществления отверждаемой композиции в соответствии с формами осуществления настоящего изобретения. Примеры таких добавок включают, без ограничений, добавки, предотвращающие снижение прочности цемента; ускорители схватывания; замедлители схватывания; утяжелители; понизители плотности цемента; газогенерирующие добавки; добавки, улучшающие механические свойства; материалы для борьбы с поглощением бурового раствора; понизители фильтрации бурового раствора; добавки для снижения водоотдачи; пенообразующие добавки; антипенные добавки; тиксотропные добавки и любую их комбинацию. Конкретные примеры этих и других добавок включают кристаллический кремнезем, аморфный кремнезем, белую сажу, соли, волокна, гидрофильную глину, прокаленные сланцы, остеклованные глинистые сланцы, микросферы, золу, диатомовую землю, метакаолин, молотый перлит, золу рисовой шелухи, природный пуццолан, цеолит, цементную пыль, смолы, любую их комбинацию и т.п. Специалист, имеющий обычную квалификацию в данной области техники, извлекая преимущества данного изобретения, сможет легко определить тип и количество добавки, использующейся для конкретного применения и заданного результата.

Добавки, предотвращающие снижение прочности цемента, могут быть включены в формы осуществления отверждаемой композиции для того, например, чтобы предотвратить снижение прочности отверждаемой композиции после того, как ей была дана возможность проявить предел прочности при сжатии в случае, когда отверждаемая композиция подвергается воздействию высоких температур. Эти добавки могут позволить отверждаемым композициям сформироваться так, как требуется, предотвращая трещины и преждевременное разрушение цементирующей композиции. Примеры подходящих добавок, предотвращающих снижение прочности цемента, могут включать, без ограничений, аморфный кремнезем, крупнозернистый кристаллический кремнезем, мелкозернистый кристаллический кремнезем или их комбинации.

Ускорители схватывания могут быть включены в формы осуществления отверждаемых композиций для того, например, чтобы увеличить скорость реакций схватывания. Для управления временем схватывания можно принять во внимание способность адаптироваться к условиям скважины или настроить время схватывания для отдельных видов работ. Примеры подходящих ускорителей схватывания могут включать, без ограничений, сульфат алюминия, квасцы, хлорид кальция, сульфат кальция, полугидрат гипса, алюминат натрия, карбонат натрия, хлорид натрия, силикат натрия, сульфат натрия, хлорид железа или комбинацию вышеперечисленных веществ.

Замедлители схватывания могут быть включены в формы осуществления отверждаемых композиций для того, например, чтобы увеличить время загустевания отверждаемых композиций. Примеры подходящих замедлителей схватывания включают, без ограничения, аммоний, щелочные металлы, щелочноземельные металлы, буру, соли металлов и лигносульфонат кальция, карбоксиметилгидроксиэтилцеллюлозу, сульфоалкилированные лигнины, гидроксикарбоновые кислоты, сополимеры солей 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты и акриловой кислоты или малеиновой кислоты, насыщенные соли или комбинации вышеперечисленных веществ. Один из примеров подходящего сульфоалкилированного лигнина содержит сульфометилированный лигнин.

Утяжелители могут быть включены в формы осуществления отверждаемых композиций для того, например, чтобы увеличить плотность отверждаемой композиции. Примеры подходящих утяжелителей включают, без ограничений, молотый сульфат бария, барит, гематит, карбонат кальция, сидерит, ильменит, оксид магния, песок, соль или их комбинации.

Понизители плотности цемента могут быть включены в формы осуществления отверждаемых композиций для того, например, чтобы уменьшить плотность отверждаемой композиции. Примеры подходящих понизителей плотности цемента включают, без ограничений, бентонит, уголь, кизельгур, вспученный перлит, зольную пыль, гильсонит, полые микросферы, упругие гранулы низкой плотности, азот, пуццолан/бентонит, силикат натрия, их комбинации или другие понизители плотности цемента, известные в данной области техники.

Газогенерирующие добавки могут быть включены в формы осуществления отверждаемых композиций для того, чтобы высвободить газ в заранее определенное время, что может быть полезно для предотвращения миграции газа из пласта через отверждаемую композицию, прежде чем она затвердеет. Образующийся газ может смешиваться с отверждаемой композицией или уменьшать проникновение в нее пластового газа. Примеры подходящих газогенерирующих добавок включают, без ограничений, металлические частицы (например, порошки алюминия), которые вступают в реакцию с щелочным раствором, образуя газ.

Добавки, улучшающие механические свойства, могут быть включены в формы осуществления отверждаемых композиций для того, например, чтобы обеспечить достаточный предел прочности при сжатии и длительную структурную целостность. На эти свойства могут воздействовать деформации, напряжения, температура, давление и воздействия ударных нагрузок со стороны подземной среды. Примеры добавок, улучшающие механические свойства, включают, без ограничений, углеродные волокна, стекловолокно, металлические волокна, минеральные волокна, кварцевые волокна, полимерные эластомеры и латексы.

Материалы для борьбы с поглощением бурового раствора могут быть включены в формы осуществления отверждаемых композиций, например, для того, чтобы предотвратить поглощение бурового раствора в подземном пласте. Примеры материалов для борьбы с поглощением бурового раствора включают, без ограничений, кедровую кору, измельченные стебли сахарного тростника, минеральное волокно, хлопья слюды, целлофан, карбонат кальция, измельченную резину, полимерные материалы, куски пластика, молотый мрамор, древесину, скорлупу ореха, огнеупорную пластмассу «formica», кукурузные початки и хлопковый жмых.

Добавки для снижения водоотдачи могут быть включены в формы осуществления отверждаемых композиций, например, для того, чтобы уменьшить объем жидкости, которая теряется в подземном пласте. Свойства отверждаемых композиций могут значительно зависеть от содержания в них воды. Водоотдача может подвергать отверждаемые композиции разрушению или приводить к полной потере конструктивных свойств. Примеры подходящих добавок для снижения водоотдачи включают, без ограничений, некоторые полимеры, такие как гидроксиэтилцеллюлоза; карбоксиметилгидроксиэтилцеллюлоза; сополимеры 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты и акриламида или N,N-диметилакриламида; и привитые сополимеры, включающие главную цепь лигнина или лигнита и боковые группы, содержащие по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты, акрилонитрила и N,N-диметилакриламида.

Пенообразующие добавки могут быть включены в формы осуществления отверждаемых композиций, например, для того, чтобы способствовать вспениванию и/или стабилизировать полученную в результате его пену. Примеры подходящих пенообразующих добавок включают, без ограничений: смеси аммониевой соли сульфата простого алкилового эфира, поверхностно-активного вещества на основе кокоамидопропилбетаина, поверхностно-активного вещества на основе кокоамидопропилдиметиламиноксида, хлорида натрия и воды; смеси поверхностно-активного вещества на основе аммониевой соли сульфата простого алкилового эфира, поверхностно-активного вещества на основе кокоамидопропилгидроксисультаина, поверхностно-активного вещества на основе кокоамидопропилдиметиламиноксида, хлорид натрия и воды; гидролизованный кератин; смеси поверхностно-активного вещества на основе сульфата простого эфира этоксилированного спирта, поверхностно-активного вещества на основе алкила или алкена амидопропилбетаина и поверхностно-активного вещества на основе алкила или алкена диметиламиноксида; водные растворы поверхностно-активного вещества на основе альфа-олефинового сульфоната и поверхностно-активного вещества на основе бетаина; и их комбинации.

Антипенные добавки могут быть включены в формы осуществления отверждаемых композиций, например, для того, чтобы снизить тенденцию отверждаемой композиции образовывать пену в процессе смешивания и нагнетания этой отверждаемой композиции. Примеры подходящих антипенных добавок включают, без ограничения, соединения полиолов и силиконов. Подходящие противопенные добавки доступны для приобретения от компании Halliburton Energy Services, Inc. под торговой маркой «пеногасители D-AIR™».

Тиксотропные добавки могут быть включены в формы осуществления отверждаемых композиций, например, для того, чтобы обеспечить такую отверждаемую композицию, которую можно перекачивать в виде жидкой или маловязкой жидкости, но которая достигает относительно высокой вязкости, будучи оставлена в неподвижном состоянии. Среди прочего, тиксотропные добавки могут быть использованы для того, чтобы способствовать регулированию свободной воды, вызывать быстрое гелеобразование при затвердевании жидкого цементного раствора, бороться с поглощением бурового раствора, предотвращать фильтрацию цементного раствора в кольцевом пространстве колонны и сводить к минимуму миграцию газа. Примеры подходящих тиксотропных добавок включают, без ограничений, гипс, водорастворимый карбоксиалкил, гидроксиалкил, смешанные карбоксиалкиловые и гидроксиалкиловые простые эфиры целлюлозы, соли поливалентных металлов, оксихлорид циркония с гидроксиэтилцеллюлозой или их комбинации.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что формы осуществления отверждаемых композиций, как правило, должны иметь плотность, соответствующую конкретному применению. В качестве примера, формы осуществления отверждаемых композиций могут иметь плотность от примерно 4 фунта на галлон (фунт/галлон) (0,48 кг/л) до примерно 17 фунт/галлон (2,04 кг/л). В некоторых формах осуществления изобретения отверждаемые композиции могут иметь плотность от примерно 8 фунт/галлон (0,96 кг/л) до примерно 17 фунт/галлон (2,04 кг/л). Формы осуществления отверждаемых композиций могут быть вспененными или невспененными или могут содержать другие средства для того, чтобы уменьшить их плотности, например понизители плотности цемента. Кроме того, формы осуществления отверждаемой композиции могут содержать утяжелители или другие средства для того, чтобы увеличить плотность. Специалист в данной области техники, пользующийся преимуществами настоящего изобретения, сможет сам определить соответствующую плотность для конкретного применения.

Компоненты отверждаемой композиции могут быть смешаны в любом порядке для того, чтобы сформировать отверждаемую композицию, которая может быть помещена в подземный пласт. Кроме того, компоненты отверждаемой композиции могут быть смешаны с помощью любого смесительного устройства, совместимого с композицией, включая, например, смеситель для сыпучих материалов. В некоторых формах осуществления настоящего изобретения отверждаемые композиции могут быть получены путем смешивания волластонита и пемзы с водой. Другие добавки могут быть смешаны с водой перед добавлением к волластониту. Например, может быть получена базовая жидкость, включающая диспергатор цемента, источник иона кальция и воду, причем эту базовую жидкость затем смешивают с волластонитом. В некоторых формах осуществления настоящего изобретения волластонит и пемза могут быть смешаны в сухом виде перед их смешиванием с водой. В некоторых формах осуществления настоящего изобретения источник ионов кальция может быть смешан в сухом виде с волластонитом и пемзой. Как должно быть понятно специалистам в данной области техники, могут быть использованы другие подходящие способы для приготовления отверждаемых композиций в соответствии с формами осуществления настоящего изобретения.

Формы осуществления отверждаемых композиций могут быть использованы для различных подземных работ, включая, среди прочих, первичное и исправительное цементирование. Формы осуществления настоящего изобретения могут включать обеспечение отверждаемой композиции и предоставление возможности этой отверждаемой композиции затвердеть. Формы осуществления отверждаемых композиции могут содержать, например, волластонит, пемзу, источник иона кальция и воду. В значении, использующемся в настоящем изобретении, введение отверждаемой композиции в подземный пласт включает введение в любую часть подземного пласта, в том числе, без ограничения, в ствол скважины, пробуренный в подземной пласте, в ближайший к стволу скважины участок, окружающий скважину, или и в ствол скважины, и в окружающий ее участок одновременно.

В формах осуществления изобретения, касающихся первичного цементирования отверждаемую композицию могут, например, ввести в кольцевое пространство ствола скважины; и дать возможность ей затвердеть в кольцевом пространстве ствола скважины, образовав отвержденную массу. Кольцевое пространство ствола скважины может включать, например, кольцевое пространство между трубопроводом (например, колонной труб, хвостовиком обсадной колонны и т.д.) и стенкой ствола скважины или между этим трубопроводом и трубопроводом большего диаметра в стволе скважины. Как правило, в большинстве случаев, отвержденная масса должна фиксировать трубопровод в стволе скважины.

В формах осуществления изобретения, касающихся исправительного цементирования, отверждаемая композиция может быть использована, например, в операциях по цементированию под давлением или в тампонажных работах. В качестве примера, отверждаемая композиция может быть помещена в ствол скважины для того, чтобы тампонировать пустоты или трещину в пласте, гравийной набивке, трубопроводе, цементном кольце и/или закупорить микрозазор между цементным кольцом и трубопроводом. В другой форме осуществления изобретения отверждаемая композиция может быть помещена в ствол скважины для того, чтобы образовать тампон в стволе скважины с целью, например, придания непроницаемости стволу скважины.

ПРИМЕРЫ

Для облегчения лучшего понимания настоящего изобретения ниже приводятся примеры определенных аспектов некоторых форм осуществления настоящего изобретения. Нижеследующие примеры ни в коем случае не следует расценивать как ограничивающие или определяющие весь объем изобретения.

Пример 1

Проводили следующую серию испытаний для оценки механических свойств отверждаемых композиций, содержащих волластонит и пемзу. Шесть различных отверждаемых композиций, помеченные как Образцы 1-6, приготавливали с использованием указанных количеств воды, волластонита, пемзы, извести и диспергатора цемента. Количества этих компонентов в каждом образце указаны в таблице ниже с обозначением «масс. %», указывающим процентное содержание компонента по отношению к совместной массе волластонита и пемзы, и с обозначением «галлонов на мешок» («галлон/мешок»), указывающим число галлонов соответствующего компонента на 94-фунтовый (42,64 кг) мешок волластонита и пемзы. Использующийся диспергатор представлял собой понизитель трения цементного раствора CFR-3™ от компании Halliburton Energy Services, Inc. (Duncan, Oklahoma).

После приготовления отверждаемым композициям позволяли затвердеть в течение 48 часов в металлическом цилиндре размерами 2 дюйма (5 см) × 4 дюйма (10,1 см), который помещали в водяную баню при 180°F (82,2°C) для того, чтобы сформировать набор цементных цилиндров. Сразу же после снятия с водяной бани определяли разрушающее усилие (РУ) для вычисления предела прочности при сжатии (ППС) с помощью механического пресса в соответствии со стандартом Американского нефтяного института API RP 10В-2. Результаты этого испытания приведены в Таблице ниже.

1 фунт/галлон = 0,12 кг/л

1 фунт/кв. дюйм = 6,89 кПа

Согласно результатам этих испытаний отверждаемые композиции, содержащие волластонит и пемзу, могут проявлять приемлемые пределы прочности при сжатии. Например, для Образца 1 получили предел прочности при сжатии 519 фунтов на квадратный дюйм путем включения в образец 30% волластонита от массы сухого цемента и 70% пемзы от массы сухого цемента. В Образце 2 предел прочности при сжатии 550 фунтов на квадратный дюйм был достигнут путем включения в образец 40% волластонита от массы сухого цемента и 60% пемзы от массы сухого цемента.

Пример 2

Следующую серию испытаний проводили для оценки водоотдачи отверждаемых композиций, содержащих волластонит и пемзу. Четыре различные отверждаемые композиции, обозначенные как Образцы 7-10, приготавливали с использованием указанных количеств воды, волластонита, пемзы, извести, диспергатор цемента, замедлителя схватывания цемента и добавки для снижения водоотдачи. Количества этих компонентов в каждом образце указаны в таблице ниже, с обозначением «масс. %», указывающим процентное содержание компонента по отношению к совместной массе волластонита и пемзы, и с обозначением «галлонов на мешок» («галлон/мешок»), указывающим число галлонов соответствующего компонента на 94-фунтовый (42,64 кг) мешок волластонита и пемзы. Использующийся диспергатор цемента представлял собой понизитель трения цементного раствора CFR-3™ от компании Halliburton Energy Services, Inc. (Duncan, Oklahoma). Использующийся замедлитель схватывания цемента представлял собой замедлитель схватывания цемента HR®-5 от компании Halliburton Energy Services, Inc. Добавкой для снижения водоотдачи была добавка Halad™-344 от компании Halliburton Energy Services, Inc.

После приготовления образец отверждаемых композиций выливали в предварительно нагретую камеру с фильтром, имеющим ячейки размером 325 меш и проводили испытание водоотдачи в течение 30 минут под давлением 1000 фунтов на квадратный дюйм (6895 кПа) и при температуре 180°F (82,2°C) в соответствии со стандартом Американского нефтяного института API RP 10В-2. Результаты этого испытания приведены в Таблице ниже.

Как показано выше, отверждаемые композиции, содержащие волластонит и пемзу, могут иметь приемлемое значение водоотдачи. Например, для образцов 7 и 10 были получены значения водоотдачи по АНИ, меньше или равные 117 куб. см/30 мин.

Пример 3

Следующую серию испытаний проводили для оценки времени загустевания отверждаемых композиций, содержащих волластонит и пемзу. Три различных отверждаемые композиции, обозначенные как Образцы 11-13, приготавливали с использованием указанных количеств воды, волластонита, пемзы, извести, диспергатор цемента и замедлителя схватывания цемента. Количества этих компонентов в каждом образце указаны в таблице ниже с обозначением «масс. %», указывающим процентное содержание компонента по отношению к совместной массе волластонита и пемзы, и с обозначением «галлонов на мешок» («галлон/мешок»), указывающим число галлонов соответствующего компонента на 94-фунтовый (42,64 кг) мешок волластонита и пемзы. Отверждаемые композиции имели плотность 14,2 фунт/галлон (1,7 кг/л). Использующийся диспергатор цемента представлял собой понизитель трения цементного раствора CFR-3™ от компании Halliburton Energy Services, Inc. Использующийся замедлитель схватывания цемента представлял собой замедлитель схватывания цемента HR®-5 от компании Halliburton Energy Services, Inc. (Duncan, Oklahoma). После приготовления времена загустевания, который представляют собой время, необходимое для достижения композициями 70 единиц консистенции Бердена, определяли при 180°F (82,2°C) в соответствии со стандартом Американского нефтяного института API RP 10В-2.

Как показано выше, отверждаемые композиции, содержащие волластонит и пемзу, могут иметь приемлемые значения времени загустевания. Например, в Образцах 11 и 13 наблюдали времена загустевания от более чем 12 часов до чуть менее 2,5 часов соответственно.

Пример 4

Следующую серию испытаний проводили для оценки предела прочности при сжатии (ППС) отверждаемых композиций, содержащих волластонит и пемзу. Одну отверждаемую композицию, обозначенную как Образец 14, приготавливали с использованием указанных количеств воды, волластонита, пемзы, извести, диспергатор цемента и замедлителя схватывания цемента. Количества этих компонентов в каждом образце указаны в таблице ниже с обозначением «масс. %», указывающим процентное содержание компонента по отношению к совместной массе волластонита и пемзы, и с обозначением «галлонов на мешок» («галлон/мешок»), указывающим число галлонов соответствующего компонента на 94-фунтовый (42,64 кг) мешок волластонита и пемзы. Отверждаемая композиция имела плотность 14,2 фунт/галлон (1,7 кг/л). Использующийся замедлитель схватывания цемента представлял собой замедлитель схватывания цемента HR®-5 от компании Halliburton Energy Services, Inc. (Duncan, Oklahoma).

После приготовления определяли 24-часовой и 48-часовой предел прочности при сжатии для образца отверждаемой композиции с помощью ультразвукового анализатора цемента (УАЦ), доступного для приобретения от компании Fann Instrument Company (Houston, TX). В УАЦ образцы цементных композиций отверждали при температуре 180°F (82,2°C), поддерживая давление 3000 фунтов на квадратный дюйм (20680 кПа). После извлечения из УАЦ определяли разрушающее усилие (РУ) в образце для вычисления предела прочности при сжатии с помощью механического пресса в соответствии со стандартом Американского нефтяного института API RP 10В-2.

Соответственно, Таблица 4 показывает, что могут быть получены приемлемые пределы прочности при сжатии для отверждаемых композиций, содержащих волластонит и пемзу. Например, для Образца 14 был получен предел прочности при сжатии 900 фунтов на квадратный дюйм (6205 кПа) через 48 часов.

Все композиции и способы, описанные в терминах «содержащий», «вмещающий» или «включающий» различные компоненты или этапы, могут быть также описаны терминами «состоит по существу из» или «состоит из» различных компонентов и стадий. Кроме того, понятия, использующиеся в широком значении в формуле изобретения (то есть эквиваленты слов с неопределенными артиклями в английском языке), означают один или несколько элементов, вводимых этим понятием.

Для краткости изложения только некоторые диапазоны раскрыты явно в настоящем описании. Тем не менее диапазоны от любого нижнего предела могут быть скомбинированы с любым верхним пределом для того, чтобы описать диапазон, не указанный явно, а также диапазоны от любого нижнего предела, могут быть скомбинированы с любым другим нижним пределом для того, чтобы описать диапазон, не указанный явно, и точно также диапазоны от любого верхнего предела могут быть скомбинированы с любым другим верхним пределом для того, чтобы описать диапазон, не указанный явно. Кроме того, во всех случаях, когда раскрыт численный диапазон с нижним и верхним пределами, любое количество и любой включенный диапазон, попадающей в диапазон, упомянутый выше, также являются раскрытыми. В частности, каждый диапазон значений (в форме «от примерно а до примерно b» или, что эквивалентно, «от примерно а до b», или, что эквивалентно, «примерно а-b»), раскрытый в настоящем изобретении, следует понимать как изложение каждого числа и диапазона, входящего в более широкий диапазон значений. Таким образом, каждая точка или отдельное значение может служить своей нижним или верхним пределом в сочетании с любой другой точкой или отдельным значением или любым другим нижним или верхним пределом для того, чтобы описать диапазон, не указанный явно.

Таким образом, настоящее изобретение хорошо приспособлено для достижения целей и преимуществ, как упомянутых в нем, так и тех, которые ему присущи. Конкретные формы осуществления настоящего изобретения, раскрытые выше, являются только иллюстративными, поскольку настоящее изобретение может быть модифицировано и осуществлено различными, но эквивалентными способами, очевидными специалистам в данной области техники, извлекающим пользу из настоящего изобретения. Хотя обсуждены лишь отдельные формы осуществления изобретения, изобретение охватывает все комбинации всех этих форм осуществления изобретения. Также не существует никаких ограничений, предназначенных для деталей конструкции или проекта, показанных в данном изобретении, кроме тех, которые описаны в приведенной ниже формуле изобретения. Кроме того, содержание формулы изобретения имеет свое простое, обычное значение, если иное толкование прямо и ясно не определено патентообладателем. Поэтому очевидно, что конкретные иллюстративные формы осуществления настоящего изобретения, раскрытые выше, могут быть изменены или модифицированы и все такие изменения рассматриваются в рамках объема и сущности настоящего изобретения. Если имеется противоречие между употреблением слова или термина в данном описании и в одном или более патенте (патентах) или других документах, которые могут быть включены в данное описание посредством ссылки, то должны быть приняты определения, которые согласуются с настоящим описанием.

Изобретение относится к способу и к композиции, используемым в операциях цементирования, в том числе к способу цементирования, который может включать обеспечение отверждаемой композиции, содержащей волластонит, пемзу, известь и воду, причем в упомянутой композиции волластонит может присутствовать в количественном диапазоне от примерно 25% до примерно 75% от общей массы волластонита и пемзы, а пемза может присутствовать в количественном диапазоне от примерно 25% до примерно 75% от общей массы волластонита и пемзы. Формы осуществления способа могут дополнительно включать предоставление возможности этой отверждаемой композиции затвердеть. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы изобретения. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 4 табл., 4 пр.

1. Способ цементирования, включающий: обеспечение отверждаемой композиции, включающей
волластонит;
пемзу;
известь; и
воду;
где волластонит присутствует в количественном диапазоне от примерно 25% до примерно 75% от общей массы волластонита и пемзы; и
пемза присутствует в количественном диапазоне от примерно 25% до примерно 75% от общей массы волластонита и пемзы; и
предоставление возможности указанной отверждаемой композиции затвердеть.

2. Способ по п. 1, в котором отверждаемая композиция имеет плотность в диапазоне от примерно 12 фунтов на галлон (1,44 кг/л) до примерно 20 фунтов на галлон (2,4 кг/л).

3. Способ по п. 1, в котором вода присутствует в количественном диапазоне от примерно 40% до примерно 200% от общей массы волластонита и пемзы.

4. Способ по п. 1, в котором известь присутствует в количественном диапазоне от примерно 0,1% до примерно 25% от общей массы волластонита и пемзы.

5. Способ по п. 1, в котором отверждаемая композиция дополнительно содержит добавку, выбранную из группы, состоящей из диспергатора; добавки, предотвращающей снижение прочности цемента; ускорителя схватывания; замедлителя схватывания; утяжелителя; понизителя плотности цемента; газогенерирующей добавки; добавки, улучшающей механические свойства; материала для борьбы с поглощением бурового раствора; понизителя фильтрации бурового раствора; добавки для снижения водоотдачи; пенообразующей добавки; антипенной добавки; тиксотропной добавки и любой их комбинации.

6. Способ по п. 1, в котором отверждаемая композиция дополнительно содержит добавку, выбранную из группы, состоящей из кристаллического кремнезема, аморфного кремнезема, белой сажи, солей, волокон, гидрофильной глины, прокаленных сланцев, остеклованных глинистых сланцев, микросфер, золы, диатомовой земли, метакаолина, молотого перлита, золы рисовой шелухи, природного пуццолана, цеолита, цементной пыли, смол и любой их комбинации.

7. Способ по п. 1, в котором отверждаемую композицию вводят в подземный пласт.

8. Способ по п. 7, в котором отверждаемой композиции дают возможность затвердеть в кольцевом пространстве ствола скважины.

9. Способ по п. 7, в котором отверждаемую композицию применяют в первичном цементировании.

10. Способ по п. 7, в котором отверждаемую композицию применяют в исправительном цементировании.

11. Способ цементирования, включающий:
приготовление базовой жидкости, содержащей воду и известь;
получение сухой смеси, содержащей волластонит и пемзу, причем в этой смеси волластонит присутствует в количественном диапазоне от примерно 25% до примерно 75% от общей массы волластонита и пемзы, а пемза в этой смеси присутствует в количественном диапазоне от примерно 25% до примерно 75% от общей массы волластонита и пемзы;
смешивание базовой жидкости и сухой смеси с получением отверждаемой композиции;
введение отверждаемой композиции в подземный пласт; и
предоставление возможности этой композиции затвердеть.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что известь присутствует в отверждаемой композиции в количественном диапазоне от примерно 0,1% до примерно 25% от общей массы волластонита и пемзы.

13. Способ по п. 11, в котором отверждаемой композиции дают возможность затвердеть в кольцевом пространстве ствола скважины.

14. Способ по п. 11, в котором отверждаемую композицию применяют в первичном цементировании.

15. Способ по п. 11, в котором отверждаемую композицию применяют в исправительном цементировании.

16. Отверждаемая композиция, включающая:
волластонит;
пемзу;
известь; и
воду;
где волластонит присутствует в количественном диапазоне от примерно 25% до примерно 75% от общей массы волластонита и пемзы; а
пемза присутствует в этой композиции в количественном диапазоне от примерно 25% до примерно 75% от общей массы волластонита и пемзы.

17. Отверждаемая композиция по п. 16, дополнительно содержащая один или
более признаков, определенных в любом из пп. 2-6.