АКТИВАТОРЫ СХВАТЫВАНИЯ ЦЕМЕНТА ДЛЯ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ С ЗАМЕДЛЕННЫМ СХВАТЫВАНИЕМ И СВЯЗАННЫЕ С НИМИ СПОСОБЫ Российский патент 2017 года по МПК E21B33/138 C09K8/467 C04B28/22 

Уровень техники

[0001] Настоящее изобретение относится к операциям подземного цементирования и, более конкретно, в определенных вариантах реализации, к композициям цемента с замедленным схватыванием и способам использования композиций цемента с замедленным схватыванием в подземных формациях.

[0002] Цементные композиции могут быть использованы в различных подземных операциях. Например, при строительстве подземных скважин, колонна труб (например, обсадных, хвостовых, расширяемых корпусноскважинных и т.д.) может быть введена в скважину и зацементирована на месте. Процесс цементирования колонны труб на месте обычно называется "первичным цементированием". В типичном способе первичного цементирования, цементная композиция может закачиваться насосом в кольцевое пространство между стенками скважины и наружной поверхностью находящейся в ней колонны труб. Цементная композиция может схватываться в кольцевом пространстве, образуя при этом кольцеобразную оболочку из затвердевшего, практически непроницаемого цемента (т.е., цементный камень за колонной), которая может поддерживать и определять положение колонны труб в скважине и может связывать наружную поверхность колонны труб с подземной формацией. Помимо прочего, цементная оболочка, окружающая колонну труб, выполняет функцию предотвращения миграции флюидов в затрубном пространстве, а также защиты колонны труб от коррозии. Цементные композиции могут быть также использованы в способах ремонтного цементирования, например, для закупоривания трещин или отверстий в колоннах труб или цементных оболочках, для запечатывания высокопроницаемых зон или разломов пласта, для установки цементной пробки и т.п.

[0003] Широкий спектр цементных композиций использовался в операциях подземного цементирования. В некоторых случаях использовались цементные композиции с замедленным схватыванием. Цементные композиции с замедленным схватыванием характеризуются тем, что они остаются в состоянии перекачиваемого флюида в течение длительного периода времени (например, от, по меньшей мере, примерно 1 дня до примерно 2 недель или больше). В тех случаях, когда это желательно при использовании, цементные композиции с замедленным схватыванием должна быть способной к активации, вследствие чего возникает приемлемая прочность на сжатие. Например, активатор схватывания цемента может быть добавлен в цементную композицию с замедленным схватыванием, в результате чего композиция схватывается с образованием затвердевшей массы. Помимо прочего, цементная композиция с замедленным схватыванием может быть пригодной для использования в скважинах, например, когда цементную композицию желательно готовить заранее. Это может позволить, например, хранить цементную композицию перед ее использованием. Кроме того, это может позволить, например, готовить цементную композицию в удобном месте и затем транспортировать на рабочую площадку. Соответственно, капитальные затраты могут быть уменьшены вследствие снижения потребности в громоздком складском и смесительном оборудовании на месте выполнения работ. Это может быть особенно полезно для операций цементирования на морских месторождениях, когда пространство на борту судов может быть ограничено.

[0004] Хотя к настоящему времени были разработаны цементные композиции с замедленным схватыванием, существуют проблемы с их успешным использованием в операциях подземного цементирования. Например, цементные композиции с замедленным схватыванием, приготовленные с использованием портландцемента, могут иметь нежелательные проблемы со структурообразованием, которые могут ограничивать их использование и эффективность в операциях цементирования. Другие разработанные композиции с замедленным схватыванием, например, содержащие гашеную известь и кварц, могут быть эффективными в некоторых операциях, но могут иметь ограниченную применимость при пониженных температурах, поскольку они могут не развивать достаточной прочности на сжатие при использовании в подземных формациях, имеющих пониженную статическую температуру в забое скважины. Кроме того, могут существовать проблемы с активацией некоторых цементных композиций с замедленным схватыванием при поддержании приемлемых значений времени загустевания и нарастания прочности на сжатие.

Сущность изобретения

[0005] Вариант реализации раскрывает способ цементирования в подземной формации, включающий обеспечение цементной композиции с замедленным схватыванием, содержащей воду, пемзу, гашеную известь и замедлитель схватывания; активацию цементной композиции с замедленным схватыванием активатором схватывания цемента, причем активатор схватывания цемента содержит по меньшей мере один активатор, выбранный из группы, состоящей из нанокремнезема, полифосфата и их комбинаций; подачи цементной композиции с замедленным схватыванием в подземную формацию; и создание условий для схватывания цементной композиции с замедленным схватыванием в подземной формации.

[0006] Другой вариант реализации раскрывает способ активации цементной композиции с замедленным схватыванием, включающий обеспечение цементной композиции с замедленным схватыванием, содержащей пемзу, гашеную известь в количестве от примерно 10% до примерно 30% от веса пемзы, замедлитель схватывания в количестве от примерно 1% до примерно 5% от веса пемзы и воду в количестве от примерно 35% до примерно 70% от веса пемзы; хранение цементной композиции с замедленным схватыванием на протяжении периода, равного, по меньшей мере, примерно 1 дню; активацию цементной композиции с замедленным схватыванием активатором схватывания цемента, причем активатор схватывания цемента содержит полифосфат и добавку, выбранную из группы, состоящей из нанокремнезема и одновалентной соли; подачу цементной композиции с замедленным схватыванием в кольцевой зазор между трубопроводом, расположенным в скважине, и стенкой скважины или другим трубопроводом; и создание условий для схватывания цементной композиции с замедленным схватыванием в кольцевом зазоре.

[0007] Еще один вариант реализации раскрывает активированную цементную композицию с замедленным схватыванием содержащую: воду; пемзу; гашеную известь; замедлитель схватывания; и активатор схватывания цемента, причем активатор схватывания цемента содержит, по меньшей мере, один активатор, выбранный из группы, состоящей из нанокремнезема, полифосфата и их комбинаций.

[0008] Еще один вариант реализации раскрывает систему цементирования, содержащую смесительное оборудование для смешения активированной цементной композиции с замедленным схватыванием, где активированная цементная композиция с замедленным схватыванием содержит воду, пемзу, гашеную известь, замедлитель схватывания и активатор схватывания цемента, причем активатор схватывания цемента содержит, по меньшей мере, один активатор, выбранный из группы, состоящей из нанокремнезема, полифосфата и их комбинаций. Система цементирования может дополнительно включать насосное оборудование для подачи цементной композиции с замедленным схватыванием в скважину.

[0009] Признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидны квалифицированным специалистам в данной области техники. Хотя многочисленные изменения могут быть выполнены квалифицированными специалистами в данной области техники, такие изменения не выходят за пределы объема изобретения.

Описание предпочтительных вариантов реализации изобретения

[0010] Настоящее изобретение относится к операциям подземного цементирования и, более конкретно, в определенных вариантах реализации, к композициям цемента с замедленным схватыванием и способам использования композиций цемента с замедленным схватыванием в подземных формациях. В конкретных вариантах реализации, настоящее изобретение предусматривает усовершенствованные активаторы схватывания цемента для активации цементных композиций с замедленным схватыванием. Варианты реализации активаторов схватывания цемента могут быть использованы для активации цементной композиции с замедленным схватыванием при достижении в то же время желательных значений времени загустевания и наращивания прочности на сжатие.

[0011] Варианты реализации цементных композиций с замедленным схватыванием по настоящему изобретению могут обычно включать воду, пемзу, гашеную известь и замедлитель схватывания. Необязательно, цементные композиции с замедленным схватыванием могут дополнительно содержать диспергент. Предпочтительно, варианты реализации цементных композиций с замедленным схватыванием могут быть способны оставаться в состоянии перекачиваемой текучей среды в течение длительного периода времени. Например, цементные композиции с замедленным схватыванием могут оставаться в состоянии перекачиваемой текучей среды на протяжении, по меньшей мере, примерно 1 дня или дольше. Предпочтительно, цементные композиции с замедленным схватыванием могут приобретать достаточную прочность на сжатие после активации при относительно низкой температуре.

[0012] Вода, используемая в вариантах реализации цементных композиций с замедленным схватыванием по настоящему изобретению, может быть взята из любого источника, при условии, что она не содержит избытка соединений, которые могут нежелательно повлиять на другие компоненты цементных композиций с замедленным схватыванием. Например, цементная композиция с замедленным схватыванием может содержать пресную воду или соленую воду. Соленая вода обычно может содержать одну или несколько растворенных солей и может быть насыщенной или ненасыщенной, в зависимости от конкретного применения. Морская вода или рассолы могут быть пригодны для использования в вариантах реализации настоящего изобретения. Дополнительно, вода может присутствовать в количестве, достаточном для образования перекачиваемой дисперсии. В определенных вариантах реализации, вода может присутствовать в цементной композиции с замедленным схватыванием в количестве в интервале значений от примерно 33% до примерно 200% от веса пемзы. В определенных вариантах реализации, вода может присутствовать в цементных композициях с замедленным схватыванием в количестве в интервале значений от примерно 35% до примерно 70% от веса пемзы. Рядовой специалист в данной области техники, пользуясь данным описанием, сможет определить требуемое количество воды для выбранной области применения.

[0013] Варианты реализации цементных композиций с замедленным схватыванием может содержать пемзу. В общем, пемза представляет собой вулканическую породу, которая может демонстрировать вяжущие свойства, проявляющиеся в том, что она может схватываться и твердеть в присутствии гашеной извести и воды. Пемза также может быть, например, размолотой. В общем, пемза может иметь любое распределение частиц по размерам, желательное для конкретной области применения. В определенных вариантах реализации, пемза может иметь средний размер частиц в интервале от примерно 1 микрона до примерно 200 микрон. Средний размер частиц соответствует значениям d50, измеренным с помощью анализаторов размера частиц, таких как производимых фирмой Malvern Instruments (Вустершир, Великобритания). В конкретных вариантах реализации, пемза может иметь средний размер частиц в интервале от примерно 1 микрона до примерно 200 микрон, от примерно 5 микрон до примерно 100 микрон, или от примерно 10 микрон до примерно 50 микрон. В одном конкретном варианте реализации, пемза может иметь средний размер частиц менее примерно 15 микрон. Примером пригодной пемзы является продукт, поставляемый фирмой Hess Pumice Products, Products, Inc. (Малад, Айдахо), в виде агрегатов малого удельного веса DS-325, с размером частиц менее примерно 15 микрон. Следует понимать, что слишком маленький размер частиц может создавать проблемы при смешивании, в то время как частицы слишком большого размера могут фактически не суспендироваться в композициях. Рядовой специалист в данной области техники, пользуясь данным описанием, будет способен выбрать размер частиц пемзы, пригодный для использования в выбранной области применения.

[0014] Варианты реализации цементных композиций с замедленным схватыванием могут содержать гашеную известь. В используемом в данном документе значении, термин "гашеная известь" следует понимать как означающий гидроксид кальция. Гашеная известь может быть включена в варианты реализации цементных композиций с замедленным схватыванием, например, для получения гидравлической композиции с пемзой. Например, гашеная известь может быть включена при весовом соотношении пемзы к гашеной извести от примерно 10:1 до примерно 1:1 или соотношении от примерно 3:1 до примерно 5:1. В случае своего присутствия, гашеная известь может быть включена в цементные композиции с замедленным схватыванием в количестве, например, в интервале значений от примерно 10% до примерно 100% от веса пемзы. В некоторых вариантах реализации, гашеная известь может присутствовать в количестве, находящемся в интервале значений между любыми из и/или включая любые значения из примерно 10%, примерно 20%, примерно 40%, примерно 60%, примерно 80%, или примерно 100% от веса пемзы. В некоторых вариантах реализации, вяжущие компоненты, присутствующие в цементной композиции с замедленным схватыванием, могут состоять по существу из пемзы и гашеной извести. Например, вяжущие компоненты могут содержать главным образом пемзу и гашеную известь без каких-либо дополнительных компонентов (например, портландцемента, золы уноса, шлакового цемента), которые гидравлически схватываются в присутствии воды. Рядовой специалист в данной области техники, пользуясь данным описанием, сможет определить требуемое количество гашеной извести для включения для выбранной области применения.

[0015] Варианты реализации цементных композиций с замедленным схватыванием может содержать замедлитель схватывания. Широкий спектр замедлителей схватывания может быть годным для использования в цементных композициях с замедленным схватыванием, являющихся пригодными по настоящему изобретению. Например, замедлитель схватывания может содержать фосфаты, фосфоновую кислоту, производные фосфоновой кислоты, фосфонаты, лигносульфонаты, соли, органические кислоты, карбоксиметилированные гидроксиэтилированные целлюлозы, синтетические со- или терполимеры, содержащие сульфонатные и карбоксильные группы, боратные соединения, их производные, или их смеси. В определенных вариантах реализации, замедлители схватывания, используемые в цементных композициях с замедленным схватыванием, пригодных для использования по настоящему изобретению, являются производными фосфоновой кислоты, такими как метиленовые производные фосфоновой кислоты, описанные в патенте США №4676832, описание которого включено в данный документ в качестве ссылки. Примеры пригодных замедлителей схватывания включают, в числе прочего, метиленфосфонаты, такие как замедлитель схватывания цемента Micro Matrix^® (MMCR), поставляемый фирмой Halliburton Energy Services, Inc. (Дункан, Оклахома), как добавка Dequest^® 2006 и добавка Dequest^® 2066. Добавка Dequest^® 2006 и добавка Dequest^® 2066 обе поставляются фирмой Thermphos, North America / Italmatch Chemicals. Добавка Dequest^® 2066 представляет собой нейтрализованный по значению рН диэтилентриаминпентаметиленфосфонат. Добавка Dequest^® 2006 представляет собой нитрилотрисметилентрифосфонат. Добавка Dequest^® 2066 в некоторых системах может быть более сильнодействующей из двух добавок Dequest^®. В некоторых вариантах реализации, метиленфосфонаты и/или производные метиленфосфоновой кислоты могут быть использованы для замедления пемзосодержащих композиций, раскрытых в данном документе, на протяжении длительных периодов времени. Одно из многих преимуществ вариантов реализации настоящего изобретения заключается в том, что такие более сильнодействующие замедлители схватывания цемента могут быть успешно использованы с активаторами схватывания цемента, описанными далее. В общем, замедлитель схватывания может присутствовать в цементной композиции с замедленным схватыванием, используемой по настоящему изобретению, в количестве, достаточном для задержки схватывания на желательное время. В некоторых вариантах реализации, замедлитель схватывания может присутствовать в цементных композициях с замедленным схватыванием в количестве в интервале значений от примерно 0,01% до примерно 10% от веса пемзы. В конкретных вариантах реализации, замедлитель схватывания может присутствовать в количестве, находящемся в интервале значений между любыми из и/или включая любые значения из примерно 0,01%, примерно 0,1%, примерно 1%, примерно 2%, примерно 4%, примерно 6%, примерно 8%, или примерно 10% от веса пемзы. Рядовой специалист в данной области техники, пользуясь данным описанием, сможет определить количество замедлителя схватывания для включения для выбранной области применения.

[0016] Как было указано ранее, варианты реализации цементных композиций с замедленным схватыванием может необязательно содержать диспергент. Примеры пригодных диспергентов включают, без ограничений, диспергенты на основе сульфонированного формальдегида и диспергенты типа карбоксилированного простого эфира. Одним из примеров пригодного диспергента на основе сульфонированного формальдегида, который может быть годен для использования, является сульфонированный продукт конденсации ацетона и формальдегида, поставляемый фирмой Halliburton Energy Services, Inc., как диспергент CFR^™-3. Примеры пригодных диспергентов типа карбоксилированного простого эфира включают диспергенты Liquiment^® 514L и 5581F (поставляемые фирмой BASF Corporation, Хьюстон, Техас) и диспергенты Coatex (поставляемые фирмой Coatex Inc.). Хотя различные диспергенты могут быть использованы в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения, диспергенты типа карбоксилированного простого эфира могут быть особенно пригодными для использования в некоторых вариантах реализации. Без ограничения теорией, считается, что диспергенты типа карбоксилированного простого эфира могут синергично взаимодействовать с другими компонентами цементной композиции с замедленным схватыванием. Например, считается, что диспергенты типа карбоксилированного простого эфира могут вступать в реакцию с определенными замедлителями схватывания (например, производными фосфоновой кислоты), приводя к образованию геля, в котором суспендируются пемза и гашеная известь в композиции в течение длительного периода времени.

[0017] В некоторых вариантах реализации, диспергент может быть включен в цементные композиции с замедленным схватыванием в количестве в интервале значений от примерно 0,01% до примерно 5% от веса пемзы. В конкретных вариантах реализации, диспергент может присутствовать в количестве, находящемся в интервале значений между любыми из и/или включая любые значения из примерно 0,01%, примерно 0,1%, примерно 0,5%, примерно 1%, примерно 2%, примерно 3%, примерно 4%, или примерно 5% от веса пемзы. Рядовой специалист в данной области техники, пользуясь данным описанием, сможет определить требуемое количество диспергента для включения для выбранной области применения.

[0018] Другие добавки, пригодные для использования в операциях подземного цементирования, также могут быть включены в вариантах реализации цементных композиций с замедленным схватыванием. Примеры таких добавок включают, без ограничений, утяжелители, легкие заполнители, газообразующие добавки, добавки, улучшающие механические свойства, материалы для борьбы с потерями циркуляции, добавки для борьбы с фильтрацией, добавки для борьбы с потерями текучей среды, пеногасители, пенообразователи, тиксотропные добавки и их комбинации. В вариантах реализации, одна или несколько таких добавок могут быть введены в цементную композицию с замедленным схватыванием после хранения, но перед подачей цементной композиции с замедленным схватыванием в подземную формацию. Рядовой специалист в данной области техники, пользуясь данным описанием, сможет легко определить тип и количество добавки, пригодной для конкретной области применения и достижения желательного результата.

[0019] Рядовым специалистам в данной области техники будет понятно, что варианты реализации цементных композиций с замедленным схватыванием по настоящему изобретению должны обычно иметь плотность, пригодную для конкретной области применения. В качестве примера, цементные композиции с замедленным схватыванием могут иметь плотность в интервале значений от примерно 4 фунтов на галлон ("lb/gal") до примерно 20 фунтов/галлон. В определенных вариантах реализации, цементные композиции с замедленным схватыванием могут иметь плотность в интервале значений от примерно 8 фунтов/галлон до примерно 17 фунтов/галлон. Варианты реализации цементных композиций с замедленным схватыванием может быть вспененными или невспененными или могут содержать другие средства для снижения их плотности, такие как полые микросферы, эластичные бусины низкой плотности, или другие добавки для снижения плотности, известные специалистам в данной области техники. В вариантах реализации, плотность может быть уменьшена после хранения композиции, но перед введением в подземную формацию. Рядовые специалисты в данной области техники, пользуясь данным описанием, смогут определить пригодную плотность для конкретной области применения.

[0020] Как было указано ранее, цементные композиции с замедленным схватыванием могут иметь отсроченное схватывание в том смысле, что они остаются в состоянии перекачиваемой текучей среды в течение длительного периода времени. Например, цементные композиции с замедленным схватыванием могут оставаться в состоянии перекачиваемой текучей среды на протяжении периода времени от примерно 1 дня до примерно 7 дней или больше. В некоторых вариантах реализации, цементные композиции с замедленным схватыванием могут оставаться в состоянии перекачиваемой текучей среды на протяжении, по меньшей мере, примерно 1 дня, примерно 7 дней, примерно 10 дней, примерно 20 дней, примерно 30 дней, примерно 40 дней, примерно 50 дней, примерно 60 дней, или дольше. Считается, что текучая среда находится в состоянии перекачиваемой текучей среды, когда текучая среда имеет консистенцию менее 70 единиц консистенции Вердена ("Вс"), при измерении с помощью консистометра, работающего при повышенном давлении, для испытания цементов, предназначенных для повышенных температур, при комнатной температуре (например, примерно 27°С (80°F) в соответствии с процедурой определения времени загустевания цемента, описанной в API RP Practice 10В-2, Recommended Practice for Testing Well Cements, First Edition, July 2005. Как описано в Примере 4 ниже, была приготовлена композиция по примеру, содержащая пемзу, 20% гашеной извести, 1,4% диспергента (Liquiment^® 514L), 1,26% замедлителя схватывания (замедлитель схватывания цемента Micro Matrix^®) и 62% воды (все в % от веса пемзы). После 45 дней хранения в условиях окружающей среды, композицию по примеру смешивали с 6% хлорида кальция от веса пемзы. При 60°С (140°F), композиция по примеру имеет время загустевания (время до достижения 70 Вс), равное 2 часам и 36 минутам, и достигает прочности на сжатие 50 фунтов/кв.дюйм (psi) (344,7 кПа) за 9 часов и 6 минут при измерении с помощью ультразвукового анализатора цемента Ultrasonic Cement Analyzer ("UCA"), выпускаемого фирмой Fann Instrument Company (Хьюстон, Техас), при выдерживании при 3000 фунтов/кв.дюйм (20,68 МПа). Через 48 часов образец раздавливали, и он имел прочность на сжатие, равную 2240 фунтов/кв.дюйм (15,44 МПа).

[0021] В тех случаях, когда это желательно при использовании, варианты реализации цементных композиций с замедленным схватыванием могут быть активированы (например, путем объединения с активатором схватывания цемента), что приводит к схватыванию с образованием затвердевшей массы. Термин "активатор схватывания цемента" или "активатор", в используемом в данном документе значении, относится к добавке, которая активирует цементную композицию с замедленным или сильно замедленным схватыванием, и может также ускорять схватывание цемента с замедленным или сильно замедленным схватыванием. В качестве примера, варианты реализации цементных композиций с замедленным схватыванием могут быть активированы для схватывания с образованием затвердевшей массы за период времени в интервале от примерно 2 часов до примерно 12 часов. Например, варианты реализации цементных композиций с замедленным схватыванием могут схватываться с образованием затвердевшей массы за период времени, находящийся в интервале значений между любыми из и/или включая любые значения из примерно 2 дней, примерно 4 дней, примерно 6 дней, примерно 8 дней, примерно 10 дней, или примерно 12 дней.

[0022] В некоторых вариантах реализации, цементные композиции с замедленным схватыванием могут схватываться с достижением желательной прочности на сжатие после активации. Прочность на сжатие, в общем, представляет собой способность материала или структуры противостоять ориентированным по оси толкающим усилиям. Прочность на сжатие может быть измерена в заданный момент времени после активации цементной композиции с замедленным схватыванием, и выдерживания полученной композиции при заданных условиях температуры и давления. Прочность на сжатие может быть измерена с использованием разрушающего способа или неразрушающего способа. Разрушающий способ заключается в физических испытаниях прочности образцов обрабатываемого раствора в различные моменты времени путем раздавливания образцов в машине для испытаний на сжатие. Прочность на сжатие рассчитывают путем деления разрушающей нагрузки на площадь поперечного сечения, к которой приложена нагрузка, и выражают в единицах фунтов силы на квадратный дюйм (psi). Неразрушающие способы типично могут использовать ультразвуковой анализатор цемента Ultrasonic Cement Analyzer ("UCA"), производимый фирмой Fann Instrument Company (Хьюстон, Техас). Величины прочности на сжатие могут быть определены в соответствии с API RP 10В-2, Recommended Practice for Testing Well Cements, First Edition, July 2005.

[0023] В качестве примера, цементная композиция с замедленным схватыванием, может приобретать 24-часовую прочность на сжатие в интервале значений от примерно 50 фунтов/кв.дюйм (344,7 кПа) до примерно 5000 фунтов/кв.дюйм (34,47 МПа), альтернативно, от примерно 100 фунтов/кв.дюйм (689,5 кПа) до примерно 4500 фунтов/кв.дюйм (31,03 МПа), или альтернативно от примерно 500 фунтов/кв.дюйм (3,45 МПа) до примерно 4000 фунтов/кв.дюйм (27,58 МПа). В некоторых вариантах реализации, цементная композиция с замедленным схватыванием может приобретать прочность на сжатие за 24 часа, равную, по меньшей мере, примерно 50 фунтов/кв.дюйм (344,7 кПа), по меньшей мере, примерно 100 фунтов/кв.дюйм (689,5 кПа), по меньшей мере, примерно 500 фунтов/кв.дюйм (3,45 МПа), или больше. В некоторых вариантах реализации, значения прочности на сжатие могут быть определены с использованием UCA при температуре в интервале значений от 38°С до 93°С (100-200°F) при выдерживании при 3000 фунтов/кв.дюйм (20,68 МПа).

[0024] В некоторых вариантах реализации, цементная композиция с замедленным схватыванием может иметь желательное время загустевания после активации. Время загустевания типично относится к времени, в течение которого текучая среда, такая как цементная композиция, остается в текучем состоянии, пригодном для перекачивания насосом. Ряд разных лабораторных методов может быть использован для измерения времени загустевания, чтобы получить представление о величине времени, в течение которого текучая среда для обработки пласта будет оставаться в перекачиваемом состоянии в скважине. Типичная методика определения того, находится ли текучая среда для обработки пласта в состоянии перекачиваемой текучей среды, может использовать консистометр, работающий при повышенном давлении, для испытания цементов, предназначенных для повышенных температур, при заданных условиях давления и температуры, в соответствии с процедурой определения времени загустевания цемента, изложенной в вышеупомянутом документе API RP Practice 10B-2. Время загустевания может представлять собой время до достижения текучей средой 70 единиц консистенции Вердена ("Вс") и может быть названо временем до достижения 70 Вс. В некоторых вариантах реализации, цементные композиции с замедленным схватыванием могут иметь время загустевания более примерно 1 часа, альтернативно, более примерно 2 часов, альтернативно, более примерно 5 часов при 3000 фунтов/кв.дюйм (20,68 МПа) и температуре в интервале от примерно 10°С до примерно 205°С (50°F - 400°F), альтернативно, в интервале от примерно 10°С до примерно 121°С (80-250°F), и альтернативно, при температуре примерно 60°С (140°F).

[0025] Варианты реализации настоящего изобретения могут включать прибавление активатора схватывания цемента к цементным композициям с замедленным схватыванием. Примеры пригодных активаторов схватывания цемента включают, без ограничений, хлорид кальция, триэтаноламин, силикат натрия, формиат цинка, ацетат кальция, гидроксид натрия, сульфат натрия и их комбинации. Дополнительный пример пригодного активатора схватывания цемента включает нанокремнезем. Еще один пример пригодного активатора цемента включает полифосфат. Было обнаружено, что комбинация нанокремнезема и полифосфатаа может быть использована для активации вариантов реализации цементных композиций с замедленным схватыванием. Дополнительно, комбинация полифосфата и одновалентной соли оказалась особенно эффективным активатором схватывания цемента в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения. Предпочтительно, цементные композиции с замедленным схватыванием, активированные нанокремнеземом, полифосфатом, комбинацией нанокремнезема и полифосфата, или комбинацией полифосфата и одновалентной соли, могут иметь приемлемые значения времени загустевания и/или нарастание прочности на сжатие. Более того, активаторы или комбинации активаторов, перечисленные в предыдущем предложении, могут демонстрировать лучшие результаты по сравнению с другими активаторами, такими как хлорид кальция, в композициях, представляющих собой цементные композиции с сильно замедленным сроком схватывания, такие как композиции с использованием метиленфосфонатов и/или производных метиленфосфоновой кислоты, как описано выше.

[0026] Варианты реализации настоящего изобретения могут включать активатор схватывания цемента, содержащий нанокремнезем. В используемом в данном документе значении, термин "нанокремнезем" относится к диоксиду кремния, имеющему размер частиц, меньший или равный примерно 100 нанометров ("нм"). Размер нанокремнезема может быть измерен с использованием любого пригодного способа. Следует понимать, что измеренный размер нанокремнезема может меняться в зависимости от методики измерений, подготовки образца и условий образца, таких как температура, концентрация и т.д. Одной из методик измерения размеров частиц нанокремнезема является наблюдение с помощью трансмиссионного электронного микроскопа (ТЭМ). Пример пригодной коммерчески доступной методики, основанной на методе лазерной дифракции, может использовать прибор Zetasizer Nano ZS, поставляемый фирмой Malvern Instruments (Вустершир, Великобритания). В некоторых вариантах реализации, нанокремнезем может содержать коллоидный нанокремнезем. Нанокремнезем также может быть стабилизирован с использованием любого пригодного способа. В некоторых вариантах реализации, нанокремнезем может быть стабилизирован оксидом металла, таким как оксид лития, оксид натрия, оксид калия и/или их комбинация. Дополнительно, нанокремнезем может быть стабилизирован амином и/или оксидом металла, как указано выше. Варианты реализации с нанокремнеземами имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что они, как известно, заполняют пространство пор в цементах, что может приводить к повышенным механическим характеристикам цемента после схватывания цемента.

[0027] Варианты реализации настоящего изобретения могут включать активатор схватывания цемента, содержащий комбинацию одновалентной соли и полифосфата. Одновалентная соль и полифосфат могут быть объединены перед прибавлением к цементной композиции с замедленным схватыванием или могут быть по отдельности добавлены к цементной композиции с замедленным схватыванием. Используемая одновалентная соль может представлять собой любую соль, которая диссоциирует с образованием одновалентного катиона, такую как соли натрия и калия. Конкретные примеры пригодных одновалентных солей включают сульфат калия, хлорид кальция и сульфат натрия. Разнообразные полифосфаты могут быть использованы в комбинации с одновалентной солью для активации цементных композиций с замедленным схватыванием, включая, например, полимерные метафосфатные соли, фосфатные соли и их комбинации. Конкретные примеры полимерных метафосфатных солей, которые могут быть использованы, включают гексаметафосфат натрия, триметафосфат натрия, тетраметафосфат натрия, пентаметафосфат натрия, гептаметафосфат натрия, октаметафосфат натрия и их комбинации. Конкретный пример пригодного активатора схватывания цемента содержит комбинацию сульфата натрия и гексаметафосфата натрия. Интересно, что гексаметафосфат натрия также известен специалистам в данной области техники как сильный замедлитель схватывания портландцементов. Благодаря уникальным химическим свойствам полифосфатов, полифосфаты могут быть использованы как активатор схватывания цемента для вариантов реализации цементных композиций с замедленным схватыванием, раскрытых в данном документе. Величина отношения одновалентной соли к полифосфату может изменяться, например, от примерно 2:1 до примерно 1:25 или от примерно 1:1 до примерно 1:10. Варианты реализации активатора схватывания цемента могут содержать одновалентную соль и полифосфатную соль в соотношении (одновалентная соль к полифосфату), находящемся в интервале значений между любыми из и/или включая любые значения из примерно 5:1, 2:1, примерно 1:1, примерно 1:2, примерно 1:5, примерно 1:10, примерно 1:20, или примерно 1:25.

[0028] В некоторых вариантах реализации, комбинация одновалентной соли и полифосфата может быть предусмотрена в виде жидкой добавки, которая может быть использована для активации цементной композиции с замедленным схватыванием. Жидкая добавка может содержать воду, одновалентную соль, полифосфат и диспергент. Примеры пригодных диспергентов включают, без ограничений, диспергенты на основе сульфонированного формальдегида и диспергенты типа карбоксилированного простого эфира. Одним из примеров пригодного диспергента на основе сульфонированного формальдегида является сульфонированный продукт конденсации ацетона и формальдегида, поставляемый фирмой Halliburton Energy Services, Inc. как диспергент CFR^™-3. Одним из примеров пригодного диспергента типа карбоксилированного простого эфир являются диспергенты Liquiment^® 514L или 5581F, поставляемые фирмой BASF Corporation (Хьюстон, Техас). Диспергент может быть включен в жидкую добавку в количестве от примерно 0,2% до примерно 8% от веса жидкой добавки. Вода может быть включена в жидкую добавку в количестве от примерно 90% до примерно 99,9% от веса жидкой добавки. Комбинация одновалентной соли и полифосфата может составлять от примерно 0,1% до примерно 2,5% от веса жидкой добавки.

[0029] Без ограничения теорией, приведем описание механизма активации извести и пуццолановой цементной композиции с замедленным схватыванием с использованием активатора цемента с замедленным схватыванием, содержащего комбинацию сульфата натрия и гексаметафосфата натрия. Считается, что сульфат натрия в результате реакции с известью образует гидроксид натрия. Эта реакция вызывает рост рН суспензии и, вследствие этого, увеличение скорости растворения двуокиси кремния. Скорость гидратации цемента прямо связана с относительным содержанием свободных силикатов и/или алюмосиликатов. Гексаметафосфат натрия образует хелатные соединения и увеличивает скорость растворения гидроксида кальция. Комбинация сульфата натрия и гексаметафосфата натрия создает синергичный эффект в различных составах цементных композиций с замедленным схватыванием, который обеспечивает лучшие результаты, чем использование любого одного из активаторов схватывания цемента.

[0030] Активатор схватывания цемента должен быть добавлен в вариантах реализации цементной композиции с замедленным схватыванием в количестве, достаточном для активации композиции с увеличенным сроком схватывания до схватывания с образованием затвердевшей массы. В определенных вариантах реализации, активатор схватывания цемента может быть добавлен в цементную композицию с замедленным схватыванием в количестве в интервале значений от примерно 0,1% до примерно 20% от веса пемзы. В конкретных вариантах реализации, активатор схватывания цемента может присутствовать в количестве, находящемся в интервале значений между любыми из и/или включая любые значения из примерно 0,1%, примерно 1%, примерно 5%, примерно 10%, примерно 15%, или примерно 20% от веса пемзы. Рядовой специалист в данной области техники, пользуясь данным описанием, сможет определить требуемое для включения количество активатора схватывания цемента для выбранной области применения.

[0031] Как будет понятно рядовым специалистам в данной области техники, варианты реализации цементных композиций с замедленным схватыванием по настоящему изобретению могут быть использованы в различных подземных операциях, включая первичное и ремонтное цементирование. В некоторых вариантах реализации может быть предусмотрена цементная композиция с замедленным схватыванием, которая содержит воду, пемзу, гашеную известь, замедлитель схватывания и, необязательно, диспергент. Цементная композиция с замедленным схватыванием может быть введена в подземную формацию и оставлена там для схватывания. В используемом в данном документе значении, подача цементной композиции с замедленным схватыванием в подземную формацию включает введение в любую часть подземной формации, включая, без ограничений, в скважину, пробуренную в подземной формации, в прилегающий к скважине участок, окружающий скважину, или в обе эти области. Варианты реализации настоящего изобретения могут дополнительно включать активацию цементной композиции с замедленным схватыванием. Активация цементной композиции с замедленным схватыванием могут включать, например, прибавление активатора схватывания цемента в цементную композицию с замедленным схватыванием. Активатор схватывания цемента может быть добавлен в цементную композицию с замедленным схватыванием перед подачей в подземную формацию.

[0032] В некоторых вариантах реализации может быть предусмотрена цементная композиция с замедленным схватыванием, которая содержит воду, пемзу, гашеную известь, замедлитель схватывания и, необязательно, диспергент. Цементная композиция с замедленным схватыванием может храниться, например, в сосуде или другом пригодном контейнере. Цементная композиция с замедленным схватыванием может оставаться на хранении в течение желательного периода времени. Например, цементная композиция с замедленным схватыванием может оставаться на хранении на протяжении периода времени примерно 1 день или дольше. Например, цементная композиция с замедленным схватыванием может оставаться на хранении в течение периода времени примерно 1 день, примерно 2 дня, примерно 5 дней, примерно 7 дней, примерно 10 дней, примерно 20 дней, примерно 30 дней, примерно 40 дней, примерно 50 дней, примерно 60 дней, или дольше. В некоторых вариантах реализации, цементная композиция с замедленным схватыванием может оставаться на хранении в течение периода времени от примерно 1 дня до примерно 7 дней или дольше. После этого, цементная композиция с замедленным схватыванием может быть активирована, например, путем прибавления активатора схватывания цемента, введена в подземную формацию и оставлена в ней для схватывания.

[0033] В вариантах реализации первичного цементирования, например, варианты реализации цементной композиции с замедленным схватыванием могут быть активированы и введены в пространство между трубопроводом (например, колоннами труб, хвостовиками), расположенным в скважине, и стенкой скважины (или другим трубопроводом), в скважине, проходящей через подземную формацию. Цементная композиция с замедленным схватыванием может быть оставлена для схватывания с образованием кольцевой оболочки из затвердевшего цемента в пространстве между трубопроводом и стенкой скважины (или другим трубопроводом). Помимо прочего, отвердевшая цементная композиция может образовывать барьер, препятствующий миграции флюидов в скважине. Отвердевшая цементная композиция также может, например, поддерживать трубопровод в скважине.

[0034] В вариантах реализации ремонтного цементирования, цементная композиция с замедленным схватыванием может быть использована, например, в операциях исправительного цементирования под давлением или при установке цементных пробок. В качестве примера, композиция с замедленным схватыванием может быть активирована и размещена в скважине для закрытия отверстия, такого как полость или трещина, в формации, в гравийном фильтре, в трубопроводе, в цементной оболочке, и/или в микрозазоре между цементной оболочкой и трубопроводом.

[0035] Типичные цементные композиции с замедленным схватыванием, раскрытые в данном документе, могут прямо или косвенно воздействовать на один или несколько компонентов или элементов оборудования, связанных с приготовлением, подачей, повторным извлечением, рециркуляцией, повторным использованием и/или утилизацией раскрытых цементных композиций с замедленным схватыванием. Например, раскрытые цементные композиции с замедленным схватыванием могут прямо или косвенно воздействовать на один или несколько смесителей, связанное смесительное оборудование, емкости для бурового раствора, складское оборудование или агрегаты, сепараторы композиций, теплообменники, датчики, измерительные средства, насосы, компрессоры и т.п., используемые для получения, хранения, контроля, регулировки и/или восстановления типичных цементных композиций с замедленным схватыванием. Раскрытые цементные композиции с замедленным схватыванием могут также прямо или косвенно воздействовать на любой транспорт или оборудование для доставки, используемые для подачи цементных композиций с замедленным схватыванием к месту скважины или вглубь скважины, такие как, например, любые транспортные емкости, трубопроводы, магистрали, грузовой автотранспорт, трубное буровое оборудование и/или трубы, используемые для взаимосвязанного перемещения цементных композиций с замедленным схватыванием из одного места в другое, любые насосы, компрессоры или двигатели (например, на поверхности или внутрискважинные), используемые для приведения цементных композиций с замедленным схватыванием в движение, любые клапаны или связанные стыки, используемые для регулирования давления или скорости подачи цементных композиций с замедленным схватыванием, и любые датчики (такие как давления и температуры), измерительные средства и/или их комбинации и т.п. Раскрытые цементные композиции с замедленным схватыванием могут также прямо или косвенно воздействовать на различное внутрискважинное оборудование и инструменты, которые могут контактировать с цементными композициями с замедленным схватыванием, такими как, без ограничений, обсадные трубы, обсадной хвостовик, колонна заканчивания скважины, вставные колонны, бурильная колонна, трубы в бухтах, канатно-тросовая установка, вспомогательный канат, бурильная труба, воротник бура, забойный гидротурбинный двигатель, забойные двигатели и/или насосы, цементные насосы, установленные на поверхности двигатели и/или насосы, центраторы, турбулизаторы, скребки, поплавковые устройства (например, башмаки колонн с обратным клапаном, муфты обсадных труб с обратным клапаном, поплавковые клапаны и т.д.), скважинные зонды и родственное телеметрическое оборудование, приводные механизмы (например, электромеханические устройства, гидромеханические устройства и т.д.), скользящие муфты, рабочие рукава, пробки, скважинные фильтры, фильтры, устройства для регулирования дебита (например, устройства для регулирования притока, автономные устройства для регулирования притока, устройства для регулирования выпуска и т.д.), соединительные фитинги (например, электрогидравлические для жидкостных трубопроводов, сухое соединение (dry connect), индукционная муфта и т.д.), линии управления (например, электрическая, оптоволоконная, гидравлическая и т.д.), линии систем наблюдения, буровые головки и расширительные коронки, датчики или распределенные датчики, забойные теплообменники, клапаны и соответствующие управляющие устройства, уплотнения инструментов, пакеры, цементные пробки, мостовые пробки и другие устройства изоляции скважин, или компоненты и т.п.

[0036] Для лучшего понимания настоящего изобретения далее приведены примеры определенных аспектов некоторых вариантов реализации. Приведенные далее примеры никоим образом не должны пониматься как ограничивающие или определяющие полный объем изобретения.

Соответствие единиц измерения в примерах:

1 фунт/галлон (lb/gal) = 119,8 кг/м³

1 фунт/кв.дюйм (psi) = 6,9 кПа

1 фунт/100 кв.футов (lb/100ft²) = 0,48 Па

ПРИМЕР 1

[0037] Следующая серия испытаний была проведена для оценки способности к сопротивлению нагрузке сравнительных цементных композиций, содержащих пемзу и гашеную известь. Были приготовлены три разных сравнительных образца схватывающихся композиций, обозначенных Образцы 1-3, с использованием пемзы (легкий заполнитель DS-325), гашеной извести, диспергента Liquiment^® 514L и воды, как указано в таблице ниже. После приготовления, образцы помещали в UCA и отверждали при 60°С (140°F) и 3000 фунтов/кв.дюйм (20,68 МПа) в течение 24 часов. Отвержденный цемент затем извлекали из UCA и раздавливали для определения значений прочности на сжатие, представленных в Таблице 1 ниже.

[0038] Пример 1, таким образом, указывает, что цементные композиции, содержащие пемзу и известь в весовом отношении в интервале значений от 3:1 до 5:1, могут приобретать прочность на сжатие, пригодную для определенных областей применения.

ПРИМЕР 2

[0039] Был приготовлен образец цементной композиции с замедленным схватыванием, обозначенный Образец 4, имеющий плотность 13,3 фунтов/галлон, который содержит 500 грамм пемзы (легкий заполнитель DS-325), 100 грамм гашеной извести, 13 грамм диспергента Liquiment^® 514L, 24 грамм замедлителя схватывания цемента Micro Matrix^® и 300 грамм воды. Реологические свойства образца измеряли после хранения при комнатной температуре и давлении в течение периодов времени 1 день и 6 дней. После приготовления, реологические свойства образца определяли при комнатной температуре (например, примерно 27°С (80°F) с помощью вискозиметра Model 35А Fann Viscometer с пружиной №2, в соответствии с процедурой, описанной в API RP Practice 10В-2, Recommended Practice for Testing Well Cements. Результаты этих испытаний приведены в таблице ниже.

[0040] Пример 2, таким образом, показывает, что цементные композиции с замедленным схватыванием, содержащие пемзу, гашеную известь, диспергент, замедлитель схватывания и воду, могут оставаться в текучем состоянии после 6 дней.

ПРИМЕР 3

[0041] Был приготовлен образец цементной композиции с замедленным схватыванием, обозначенный Образец 5, имеющий плотность 13,4 фунтов/галлон, который содержал 500 грамм пемзы (легкий заполнитель DS-325), 100 грамм гашеной извести, 7 грамм диспергента Liquiment^® 514L, 6,3 грамм замедлителя схватывания цемента Micro Matrix^® и 304 грамма воды. Реологические свойства образца измеряли после хранения при комнатной температуре и давлении в течение периодов времени от 1 дня до 19 дней. Реологические свойства измеряли при комнатной температуре (например, примерно 27°С (80°F)) с помощью вискозиметра Model 35А Fann Viscometer с пружиной №2, в соответствии с процедурой, описанной в API RP Practice 10В-2, Recommended Practice for Testing Well Cements. Результаты этих испытаний приведены в таблице ниже.

[0042] Через 7 дней, хлорид кальция в количестве, указанном в Таблице 4 ниже, прибавляют к отдельно приготовленному образцу такого же состава, как указано выше. Образец затем помещали в UCA и определяли исходное время схватывания, которое представляет собой время достижения композицией прочности на сжатие, равной 50 фунтов/кв.дюйм, при выдерживании при 3000 фунтов/кв.дюйм, в соответствии с API RP Practice 10В-2, Recommended Practice for Testing Well Cements. Исходное время схватывания образца также определяли без прибавления хлорида кальция. Образцы с и без хлорида кальция нагревали до температуры 60°С (140°F) за 30 минут и затем поддерживали при этой температуре на протяжении испытаний.

[0043] Пример 3, таким образом, показывает, что цементные композиции с замедленным схватыванием, содержащие пемзу, гашеную известь, диспергент, замедлитель схватывания и воду, не схватываются на протяжении периода, по меньшей мере, 19 дней при температуре окружающей среды и более 4 дней при 60°С (140°F). Пример 3 дополнительно показывает, что образцы цементных композиций с замедленным схватыванием могут быть активированы в желательный момент времени путем прибавления пригодного активатора.

ПРИМЕР 4

[0044] Был приготовлен образец цементной композиции с замедленным схватыванием, обозначенный Образец 6, имеющий плотность 13,4 фунтов/галлон, который содержит пемзу (легкий заполнитель DS-325), 20% гашеной извести, 1,4% диспергента Liquiment^® 514L, 1,26% замедлителя схватывания цемента Micro Matrix^® и 62% воды (все значения рассчитываются по весу пемзы, что обозначено в таблице ниже как "% bwop"). После 45 дней хранения в условиях окружающей среды, образец смешивали с 6% хлорида кальция. При 60°С (140°F), образец имел время загустевания (время до 70 Вс), равное 2 часа и 36 минут и исходное время схватывания (время до 50 фунтов/кв.дюйм), равное 9 часов и 6 минут при измерении с помощью UCA при выдерживании при 3000 фунтов/кв.дюйм. Через 48 часов, образец раздавливали с помощью механического пресса, получив значение прочности на сжатие, равное 2240 фунтов/кв.дюйм. Время загустевания и исходное время схватывания оба определяли в соответствии с API RP Practice 10В-2, Recommended Practice for Testing Well Cements. Результаты этих испытаний приведены в таблице ниже.

[0045] Пример 4, таким образом, показывает, что цементные композиции с замедленным схватыванием, содержащие пемзу, гашеную известь, диспергент, замедлитель схватывания и воду, не схватываются на протяжении периода, по меньшей мере, 45 дней при температуре окружающей среды. Пример 4 дополнительно показывает, что образцы цементных композиций с замедленным схватыванием могут быть активированы в желательный момент времени путем прибавления пригодного активатора.

ПРИМЕР 5

[0046] Этот пример был осуществлен для оценки способности гидроксида натрия и сульфата натрия к активации цементной композиции с замедленным схватыванием, содержащей пемзу (легкий заполнитель DS-325), гашеную известь, диспергент Liquiment^® 514L, замедлитель схватывания цемента Micro Matrix^® и воду. Были приготовлены четыре образца цементных композиций с замедленным схватыванием, обозначенных Образцы 7-10, имеющих концентрации компонентов, указанные в таблице ниже. Состояние образцов контролировали с помощью UCA. После помещения образцов в UCA, давление повышали до 3000 фунтов/кв.дюйм и температуру повышали до 38°С (100°F) за 15-минутный период времени и поддерживали такие условия на протяжении испытаний. Часть суспензии отбирали и заливали в пластмассовый цилиндр для контроля поведения суспензии при комнатной температуре и давлении. Указанные процедуры повторяли для всех образцов.

[0047] Образец 7 контролировали в течение 72 часов, причем за этот период времени нарастания прочности не происходило и суспензия оставалась в текучем состоянии после извлечения из UCA. Часть, хранившаяся при комнатной температуре и давлении, аналогично оставалась в текучем состоянии через 72 часа.

[0048] Образец 8 был приготовлен с использованием той же рецептуры суспензии, что и Образец 7, за исключением того, что в качестве активатора добавляли гидроксид натрия. Гидроксид натрия прибавляли в твердой форме непосредственно в смесительную емкость, содержащую приготовленный образец. Как можно увидеть из Таблицы 6, Образец 8 достигал прочности на сжатие 50 фунтов/кв.дюйм за 16 часов и 36 минут. Прочность продолжала нарастать, достигая максимального значения, равного 1300 фунтов/кв.дюйм, когда испытания прекращали через 72 часа. Отвержденный цемент извлекали из UCA и раздавливали с помощью механического пресса, получая значение прочности на сжатие, равное 969 фунтов/кв.дюйм. Часть, хранившуюся при комнатной температуре и давлении, раздавливали через 7 дней, получая прочность на сжатие, равную 143 фунтов/кв.дюйм.

[0049] Образец 9 был приготовлен с использованием той же рецептуры суспензии, что и Образец 8, за исключением того, что в качестве активатора добавляли сульфат натрия. Сульфат натрия прибавляли в твердой форме непосредственно в смесительную емкость, содержащую приготовленную суспензию. Образец 9 достигал прочности на сжатие 50 фунтов/кв.дюйм за 67 часов и 29 минут. Прочность продолжала медленно нарастать, достигая максимального значения, равного 78 фунтов/кв.дюйм, когда испытания прекращали через 72 часа. Отвержденный цемент извлекали из UCA и раздавливали с помощью механического пресса, получая значение прочности на сжатие, равное 68,9 фунтов/кв.дюйм. Часть, хранившаяся при комнатной температуре и давлении, оставалась слишком мягкой для раздавливания через 7 дней.

[0050] Образец 10 был приготовлен с использованием той же рецептуры суспензии, что и Образец 8, за исключением того, что в качестве активатора прибавляли равные количества гидроксида натрия и сульфата натрия. Гидроксид натрия и сульфат натрия прибавляли в твердой форме непосредственно в смесительную емкость, содержащую приготовленную суспензию. Образец 10 достигал прочности на сжатие 50 фунтов/кв.дюйм за 22 часа и 40 минут. Прочность продолжала нарастать, достигая максимального значения, равного 900 фунтов/кв.дюйм, когда испытания прекращали через 72 часа. Отвержденный цемент извлекали из UCA и раздавливали с помощью механического пресса, получая значение прочности на сжатие, равное 786 фунтов/кв.дюйм. Часть, хранившуюся при комнатной температуре и давлении, раздавливали через 7 дней, получая прочность на сжатие, равную 47,9 фунтов/кв.дюйм.

[0051] Результаты этих испытаний приведены в таблице ниже. Аббревиатура "% bwop" относится к содержанию компонента в процентах от веса пемзы. Аббревиатура "gal/sk" относится к числу галлонов компонента на 46-фунтовый мешок пемзы. Аббревиатура "RTP" относится к комнатным температуре и давлению.

[0052] Пример 5, таким образом, показывает, что гидроксид натрия, сульфат натрия и комбинации указанных двух компонентов могут активировать цементные композиции с замедленным схватыванием, но в разной степени. Испытания показали, что как гидроксид натрия, так и комбинации гидроксида натрия с сульфатом натрия активировали цементные композиции до приемлемого уровня. По сравнению с неактивированной композицией, сульфат натрия активировал цементные композиции, но в значительно меньшей степени, чем гидроксид натрия или комбинация гидроксида натрия и сульфата натрия.

ПРИМЕР 6

[0053] Данный пример был выполнен для оценки влияния сульфата натрия и гексаметафосфата натрия на время схватывания цементной композиции с замедленным схватыванием, имеющей плотность 13,5 фунтов/галлон, содержащей пемзу (легкий заполнитель DS-325), гашеную известь, диспергент Liquiment^® 5581F, замедлитель схватывания цемента Micro Matrix^® и воду. Замедлитель схватывания цемента Micro Matrix^® (MMCR) представляет собой фосфонатный замедлитель схватывания цемента. Были приготовлены четыре образца цементных композиций с замедленным схватыванием, обозначенных Образцы 11-14, имеющие концентрации компонентов, как указано в таблице ниже, где указано процентное содержание компонентов от веса пемзы (% bwop). Образцы отливали в цилиндры 2''×4'' и отверждали в течение 24 часов на водяной бане. Один набор образцов (образцы 11, 12 и 13) отверждали при 100°F, и другой набор образцов (образцы 14, 15 и 16) отверждали при 110°F. Мы проводили испытания на одноосное сжатие для всех образцов по истечении периода времени 24 часа.

[0054] Образцы 11 и 14 активировали с использованием гексаметафосфата натрия. Образцы 12 и 15 активировали с использованием комбинации гексаметафосфата натрия и сульфата натрия. Образцы 13 и 16 активировали с помощью хлорида кальция. Добавку прибавляли непосредственно в смесительную емкость, содержащую приготовленный образец. Как можно увидеть из Таблицы 7, образцы, содержащие комбинацию сульфата натрия и гексаметафосфата натрия, достигали более высокой 24-часовой прочности на сжатие, чем образцы, которые отверждались при такой же температуре с помощью одного лишь сульфата натрия. Это увеличение прочности, наблюдаемое при добавлении сульфата натрия, указывает на синергию между сульфатом натрия и гексаметафосфатом натрия при активации схватывания цементных растворов с увеличенными сроками хранения. Кроме этого, при использовании для активации цемента хлорида кальция не наблюдалась прочность на сжатие при 100°F (37,8°С) или 110°F (43,3°С). В обоих этих случаях цемент не схватывался. Это указывает на активирующую способность гексаметафосфата натрия и комбинации гексаметафосфата натрия и сульфата натрия по сравнению с хлоридом кальция.

[0055] Пример 6, таким образом, показывает, что гексаметафосфат натрия, сульфат натрия и комбинации указанных двух компонентов могут активировать цементные композиции с замедленным схватыванием, но в разной степени. Испытания показали, что комбинация сульфата натрия и гексаметафосфата натрия активировала цементные композиции в условиях, при которых хлорид кальция не способен эффективно активировать схватывание цемента.

ПРИМЕР 7

[0056] Этот пример был выполнен для дополнительной оценки способности сульфата натрия и гексаметафосфата натрия к активации цементной композиции с замедленным схватыванием, имеющей плотность 13,5 фунтов/галлон, которая содержит пемзу (легкий заполнитель DS-325), гашеную известь, диспергент Liquiment^® 5581F, замедлитель схватывания цемента Micro Matrix^® и воду. Замедлитель схватывания цемента Micro Matrix^® (MMCR) представляет собой фосфонатный замедлитель схватывания цемента. Были приготовлены пять образцов цементных композиций с замедленным схватыванием, обозначенных Образцы 17-21, имеющих концентрации компонентов, указанные в таблице ниже. Время загустевания для обоих образцов определяли в соответствии с API RP Practice 10В-2, Recommended Practice for Testing Well Cements. Результаты этих испытаний приведены в таблице ниже.

[0057] Образцы 17, 19 и 20 активировали с использованием комбинации гексаметафосфата натрия и сульфата натрия в виде жидкой добавки. Жидкую добавку прибавляли непосредственно в смесительную емкость, содержащую приготовленный образец. Жидкая добавка содержала гексаметафосфат натрия (10 г), сульфат натрия (10 г), диспергент Liquiment^® 5581F (2,5 г) и воду (50 г). Образцы 18 и 21 активировали с помощью хлорида кальция. Как можно увидеть из Таблицы 8, Образец 17 достигал 100 Вс через 5,5 часов, в то время как Образец 18 (с хлоридом кальция) не схватывался через 100 часов. Схватывание Образцов 19 и 20 проводили при 140°F. Эти образцы имели композиции, содержащие 2,6 и 5,2% MMCR (% от веса пемзы), соответственно. Их активировали с помощью сульфата натрия и гексаметафосфата натрия и они имели время загустевания 1 час и 5,5 часов, соответственно. Время загустевания активированных образцов определяли при 60°С (140°F) в соответствии с API RP Practice 10B-2, Recommended Practice for Testing Well Cements. Результаты этих испытаний приведены в таблице ниже.

[0058] Примеры 17, 19 и 20, таким образом, показывают, что гексаметафосфат натрия, сульфат натрия и комбинации указанных двух компонентов могут активировать цементные композиции с замедленным схватыванием, тогда как активация хлоридом кальция является недостаточной для фосфонатного замедлителя схватывания, такого как MMCR.

ПРИМЕР 8

[0059] Этот пример был выполнен для оценки способности нанокремнезема к активации цементных композиций с замедленным схватыванием, имеющих плотность 13,5 фунтов/галлон, которые содержат пемзу (легкий заполнитель DS-325), 20% гашеной извести, 1,2% диспергента Liquiment^® 558IF, 1,3% замедлителя схватывания цемента Micro Matrix^® и 60% воды (все - от веса пемзы). Образцы 21-26 активировали нанокремнеземом, стабилизированным оксидом лития. Нанокремнезем, стабилизированный оксидом лития, представлял собой коллоидный нанокремнезем с активностью приблизительно 20%. Образцы 21-26 были стабилизированы нанокремнеземом, стабилизированным оксидом лития (LSS-35 фирмы Nissan Chemical), обозначенным в таблице ниже как Нанокремнезем А. Нанокремнезем, стабилизированный оксидом лития, представлял собой коллоидный нанокремнезем с активностью приблизительно 20%. Нанокремнезем прибавляли непосредственно в смесительную емкость, содержащую приготовленный образец, для каждого образца. После активации, время загустевания измеряли при различных температурах после прибавления различных количеств стабилизированных литием активаторов. Время загустевания определяли в соответствии с API RP Practice 10В-2, Recommended Practice for Testing Well Cements. Результаты этих испытаний приведены в таблице ниже.

[0060] Пример 8, таким образом, показывает, что уменьшение количества стабилизированного оксидом лития нанокремнезема, прибавляемого к суспензии, приводит к увеличению времени загустевания.

ПРИМЕР 9

[0061] Этот Пример описывает дополнительную комбинацию активаторов с синергичным эффектом, аналогичным эффекту, описанному для Образцов 17, 19 и 20. Были приготовлены образцы цементных композиций с замедленным схватыванием, обозначенные Образцы 27-30, с плотностями, приведенными в Таблице 10, содержащие пемзу (легкий заполнитель DS-325), 20% гашеной извести, 1,2% диспергента Liquiment^® 5581F, 2,6% замедлителя схватывания цемента Micro Matrix^® и 76% воды (все - от веса пемзы). Все образцы 21-24 демонстрировали синергию между несхожими активаторами. Образец 27 использует комбинацию активаторов сульфата натрия и гексаметафосфата натрия (как в образцах 17, 19 и 20). При температуре схватывания 140°F, 24-часовая прочность на сжатие образца была определена равной 800 фунтов/кв.дюйм. LSS-75 используется в образце 28 в качестве синергического компонента для гексаметафосфата натрия (в роли заменителя сульфата натрия в образце 27). Если LSS-75 прибавляли вместо сульфата натрия, то прочность на сжатие имела еще более высокое значение, равное 950 фунтов/кв.дюйм. LSS-75 обозначен в таблице ниже как Нанокремнезем В и представляет собой нанокремнезем, стабилизированный оксидом лития, поставляемый фирмой Nissan Chemical Ltd. Образец 29 использует другую нанокремнеземную добавку, поставляемую фирмой Nissan Chemical. Этой добавкой является SNOWTEX-PS-M, обозначенный в таблице ниже как Нанокремнезем С. 24-часовая прочность на сжатие отвержденного цемента в образце 24, отверждаемом при 140°F, равна 962 фунтов/кв.дюйм. Образец 30 иллюстрирует использование нанокремнезема в качестве синергической добавки к гексаметафосфату натрия при более низкой температуре (110°F).

ПРИМЕР 10

[0062] Этот пример описывает использование разных фосфонатных замедлителей схватывания и их влияние на 24-часовую прочность на сжатие активированных цементных композиций. Добавки Dequest^® 2006 и Dequest^® 2066 принадлежат к тому же семейству фосфонатных замедлителей схватывания, что и MMCR. Образцы 31 и 32 описаны в Таблице 11. Образец 31 представляет собой образец с добавкой Dequest^® 2066, тогда как Образец 32 содержит добавку Dequest^® 2066. Они имеют величины 24-часовой прочности на сжатие, равные 452 и 514. Этот пример демонстрирует пригодность комбинации гексаметафосфата натрия и сульфата натрия к использованию в качестве активатора с другими замедлителями схватывания фосфонатного типа.

[0063] Следует понимать, что композиции и способы описаны как "содержащие", "имеющие" или "включающие" различные компоненты или стадии, композиции и способы могут также "состоять по существу из" или "состоять из" различных компонентов и стадий. Кроме того, формы единственного числа (в англоязычном тексте - с неопределенными артиклями "а" или "an"), используемые в формуле изобретения, обозначают в данном документе один или несколько элементов, к которым они относятся.

[0064] Для краткости, в данном документе явным образом указаны только некоторые интервалы значений. Однако интервалы значений от любого нижнего предела могут быть объединены с любым верхним пределом для описания интервала значений, не указанного явным образом, а также, интервалы значений от любого нижнего предела могут быть объединены с любым другим нижним пределом для описания интервала значений, не указанного явно и, таким же образом, интервалы значений от любого верхнего предела могут быть объединены с любым другим верхним пределом для описания интервала значений, не указанного явно. Дополнительно, в тех случаях, когда раскрыт численный интервал с нижним пределом и верхним пределом, это означает, что конкретно раскрыты любое число и любой включенный интервал значений, входящие в данный интервал. В частности, каждый интервал значений (в форме "от примерно а до примерно b," или, эквивалентно, "приблизительно от а до b," или, эквивалентно, "приблизительно из а-b"), раскрытый в данном документе следует понимать как перечисляющий каждое число и интервал значений, охватываемые более широким интервалом значений, даже если они не будут указаны явно. Таким образом, каждая точка или индивидуальное значение может служить своим собственным нижним или верхним пределом, в комбинации с любой другой точкой или индивидуальным значением или любым другим нижним или верхним пределом, для обозначения интервала, не указанного явно.

[0065] Таким образом, настоящее изобретение хорошо обеспечивает достижение упомянутых в данном документе, а также присущих ему целей и преимуществ. Конкретные варианты реализации, раскрытые выше, являются только иллюстративными, поскольку настоящее изобретение может быть модифицировано и практически реализовано разными, но эквивалентными способами, очевидными для квалифицированных специалистов в данной области техники, при использовании ими описания, приведенного в данном документе. Хотя описываются индивидуальные варианты реализации, изобретение охватывает все комбинации всех таких вариантов реализации. Кроме того, не предусматривается никаких ограничений, касающихся деталей представленной в данном документе конструкции или схемы, за исключением тех, которые описаны в приведенной ниже формуле изобретения. Также, термины в формуле изобретения имеют свое прямое, обычное значение, если иное ясно и четко не указано патентовладельцем. Таким образом, понятно, что конкретные иллюстративные варианты реализации, раскрытые выше, могут быть изменены или модифицированы, и все такие варианты считаются не выходящими за пределы объема и сущности настоящего изобретения. При наличии какого-либо конфликта в употреблении слова или термина в данном описании изобретения и одном или нескольких патентах или других документах, которые могут быть включены в данный документ в качестве ссылок, должно быть принято определение, согласующееся с данным описанием.

Изобретение относится к цементным композициям и способам использования цементных композиций с замедленным схватыванием в подземных формациях. Способ цементирования в подземных формациях, включающий получение цементной композиции с замедленным схватыванием, содержащей воду, пемзу, гашеную известь, фосфонатный замедлитель схватывания и диспергент типа карбоксилированного простого эфира, активацию цементной композиции с замедленным схватыванием активатором схватывания цемента, причем активатор схватывания цемента содержит по меньшей мере один активатор, выбранный из группы, состоящей из нанокремнезема, полифосфата и их комбинаций, подачу цементной композиции с замедленным схватыванием в подземную формацию и создание условий для схватывания цементной композиции с замедленным схватыванием в подземной формации. Технический результат - повышение жизнеспособности цементной композиции и получение необходимой прочности затвердевшей композиции. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 11 табл.

1. Способ цементирования в подземной формации, включающий:

обеспечение цементной композиции с замедленным схватыванием, содержащей воду, пемзу, гашеную известь, фосфонатный замедлитель схватывания и диспергент типа карбоксилированного простого эфира;

активацию цементной композиции с замедленным схватыванием активатором схватывания цемента, причем активатор схватывания цемента содержит по меньшей мере один активатор, выбранный из группы, состоящей из нанокремнезема, полифосфата и их комбинаций;

подачу цементной композиции с замедленным схватыванием в подземную формацию; и

создание условий для схватывания цементной композиции с замедленным схватыванием в подземной формации.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что активатор схватывания цемента прибавляют к цементной композиции с замедленным схватыванием в количестве от примерно 0,1% до примерно 20% от веса цементной композиции с замедленным схватыванием.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что активатор схватывания цемента содержит комбинацию одновалентной соли и полифосфата.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что полифосфат содержит гексаметафосфат натрия.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что одновалентная соль содержит сульфат натрия.

6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что отношение одновалентной соли к полифосфату составляет от примерно 2:1 до примерно 1:25.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что активатор схватывания цемента содержит нанокремнезем, и тем, что нанокремнезем был стабилизирован по меньшей мере одним стабилизатором нанокремнезема, выбранным из группы, состоящей из: оксида натрия, оксида калия, оксида лития, амина и любой их комбинации.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что цементная композиция с замедленным схватыванием до активации остается в состоянии перекачиваемой текучей среды в течение периода времени по меньшей мере примерно 7 дней.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что цементная композиция с замедленным схватыванием вводится в скважину, проходящую через подземную формацию, причем скважина имеет статическую температуру в забое менее примерно 93,33°С (200°F).

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что цементная композиция с замедленным схватыванием вводится в кольцевой зазор между трубопроводом, расположенным в скважине, и стенкой скважины или другим трубопроводом.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что замедлитель схватывания содержит метиленфосфонат.

12. Способ активации цементной композиции с замедленным схватыванием, включающий:

обеспечение цементной композиции с замедленным схватыванием, содержащей пемзу, гашеную известь в количестве от примерно 10% до примерно 30% от веса пемзы, фосфонатный замедлитель схватывания в количестве от примерно 1% до примерно 5% от веса пемзы, воду в количестве от примерно 35% до примерно 70% от веса пемзы и диспергент типа карбоксилированного простого эфира;

хранение цементной композиции с замедленным схватыванием на протяжении периода по меньшей мере примерно 1 день;

активацию цементной композиции с замедленным схватыванием активатором схватывания цемента, причем активатор схватывания цемента содержит полифосфат и добавку, выбранную из группы, состоящей из нанокремнезема и одновалентной соли;

подачу цементной композиции с замедленным схватыванием в кольцевой зазор между трубопроводом, расположенным в скважине, и стенкой скважины или другим трубопроводом; и

создание условий для схватывания цементной композиции с замедленным схватыванием в кольцевом зазоре.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что активатор схватывания цемента прибавляют в количестве от примерно 0,1% до примерно 20% от веса цементной композиции с замедленным схватыванием.

14. Способ по п. 12, отличающийся тем, что активатор схватывания цемента содержит комбинацию полифосфата и одновалентной соли, тем, что полифосфат содержит гексаметафосфат натрия, и тем, что одновалентная соль содержит сульфат натрия.

15. Способ по п. 12, отличающийся тем, что активатор схватывания цемента содержит комбинацию полифосфата и нанокремнезема, тем, что полифосфат содержит гексаметафосфат натрия, и тем, что нанокремнезем был стабилизирован по меньшей мере одним стабилизатором нанокремнезема, выбранным из группы, состоящей из: оксида натрия, оксида калия, оксида лития, амина и любой их комбинации.

16. Активированная цементная композиция с замедленным схватыванием, содержащая:

воду;

пемзу;

гашеную известь;

фосфонатный замедлитель схватывания;

диспергент типа карбоксилированного простого эфира; и

активатор схватывания цемента, причем активатор схватывания цемента содержит по меньшей мере один активатор, выбранный из группы, состоящей из нанокремнезема, полифосфата и их комбинаций.

17. Композиция по п. 16, отличающаяся тем, что активатор схватывания цемента содержит комбинацию одновалентной соли и полифосфата.

18. Система цементирования, включающая:

смесительное оборудование для перемешивания активированной цементной композиции с замедленным схватыванием, причем активированная цементная композиция с замедленным схватыванием содержит воду, пемзу, гашеную известь, фосфонатный замедлитель схватывания, диспергент типа карбоксилированного простого эфира и активатор схватывания цемента, где активатор схватывания цемента содержит по меньшей мере один активатор, выбранный из группы, состоящей из нанокремнезема, полифосфата и их комбинаций; и

насосное оборудование для закачки цементной композиции с замедленным схватыванием в скважину.