ИЗВЕСТКОВО-КРЕМНЕЗЕМНЫЕ ЦЕМЕНТЫ С НИЗКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА Российский патент 2020 года по МПК E21B33/13 C09K8/467 C04B14/04 C04B28/18 C04B103/10 C04B103/24 C04B103/42 C04B103/50 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] При цементировании скважин, например, при строительстве или ремонте скважин, обычно используются цементные композиции. Цементные композиции могут быть использованы в различных подземных применениях. Например, при строительстве подземной скважины колонна труб (например, обсадная колонна, хвостовики, расширяемые трубные элементы и т.д.) могут быть опущены в ствол скважины и зацементированы на месте. Процесс цементирования колонны труб на месте обычно называют «первичным цементированием». В типичном способе первичного цементирования цементная композиция может закачиваться в затрубное пространство между стенками ствола скважины и внешней поверхностью колонны труб, расположенной в нем. Цементная композиция может схватываться в кольцевом зазоре, образуя кольцевую оболочку из затвердевшего, по существу непроницаемого цемента (т.е. цементную оболочку), которая может поддерживать и удерживать на месте колонну труб в стволе скважины, и может связывать внешнюю поверхность колонны труб с подземным пластом. Помимо прочего, цементная оболочка, окружающая колонну труб, предотвращает миграцию флюидов в затрубном пространстве и защищает колонну труб от коррозии. Цементные композиции могут также использоваться в способах ремонтно-изоляционного цементирования, например, для герметизации трещин или отверстий в колоннах труб или цементных оболочках, для герметизации высокопроницаемых зон формации или трещин, для установки цементной пробки и тому подобных работ.

[0002] Особой проблемой при цементировании скважин является выработка удовлетворительных механических свойств в цементной композиции в течение разумного периода времени после ее размещения в подземном пласте. Смешивание пуццоланов с портландцементом является известной технологией, позволяющей сэкономить на затратах. Однако из-за таких факторов, как недостаточная реакционная способность пуццолана, количество портландцемента, замененного пуццоланом, может быть ограничено около 40-50%. Процесс выбора компонентов цементной композиции обычно осуществляется с помощью метода наилучшего предположения, используя предыдущие суспензии и модифицируя их, пока не будет найдено удовлетворительное решение. Компоненты цемента, доступные в любом конкретном регионе, могут отличаться по составу от компонентов другого региона, что дополнительно усложняет процесс выбора правильной суспензии. Процесс может занимать много времени, и получающаяся в результате суспензия не может быть наименее дорогой суспензией.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0003] Приведенные графические материалы иллюстрируют некоторые аспекты некоторых вариантов реализации согласно настоящему изобретению, и их не следует использовать для ограничения или определения границ объема указанного изобретения.

[0004] На Фиг. 1 приведена схематическая иллюстрация представленной в качестве примера системы для анализа компонентов цемента.

[0005] На Фиг. 2 приведена схематическая иллюстрация представленной в качестве примера системы для получения цементных композиций.

[0006] На Фиг. 3 представлена схематическая иллюстрация, демонстрирующая введение цементной композиции в ствол скважины.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Настоящее раскрытие в целом может относиться к способам и системам цементирования. В данном документе представлены способы, которые могут включать создание цементной композиции, которая учитывает физико-химические свойства каждого вяжущего компонента и улучшает состав цементной композиции путем определения соотношения извести и диоксида кремния для обеспечения желаемых свойств цемента. В частности, физико-химические свойства могут включать минеральный состав каждого вяжущего компонента. Вяжущие компоненты могут влиять на конечные установленные механические свойства цементной композиции, а также на динамические или временные свойства, такие как смешиваемость, реология, вязкость и другие. Каждый вяжущий компонент может влиять на одно или несколько из упомянутых свойств.

[0008] В предыдущих составах цементных композиций на основе портландцемента мог быть добавлен источник кремнезема в качестве наполнителя для снижения стоимости без учета реакционной способности материалов. Источник кремнезема (например, пуццоланы) может быть относительно нереакционноспособным или инертным по сравнению с реакционной способностью портландцемента. Раскрытый в данном документе процесс создания цементной композиции может включать превращение относительно нереакционноспособного источника диоксида кремния в относительно более реакционноспособный компонент для повышения общих механических свойств композиции. Реакционная способность источника диоксида кремния может быть увеличена путем регулирования количества извести в композиции, доступной для реакции с источником диоксида кремния. Раскрытая в данном документе цементная композиция может быть в целом классифицирована как синтетическая портландцементная композиция. Хотя раскрытая в данном документе цементная композиция может не соответствовать концентрации оксида кремния в портландцементе, цементная композиция может соответствовать или иметь свойства, которые лучше механических свойств цементной композиции на основе портландцемента.

[0009] Цементные композиции обычно могут содержать воду, портландцемент, источник кремнезема и известь. Цементные композиции могут иметь плотность, подходящую для конкретного применения. Цементные композиции могут иметь любую подходящую плотность, включая, но не ограничиваясь этим, от около 8 фунтов на галлон («pounds per gallon - ppg») до около 16 ppg (от 1 г/см³ до 1,9 г/см³). В примерах вспененные цементные композиции могут иметь плотность в диапазоне от около 8 ppg до около 13 ppg (от 1 г/см³ до 1,6 г/см³) (или даже ниже). Цементные композиции могут содержать другие средства для снижения плотности, такие как полые микросферы, эластичные гранулы низкой плотности или другие добавки для снижения плотности, известные в данной области техники. При помощи данного описания специалисты в данной области техники должны определять подходящую плотность для конкретного применения.

[0010] Вода, используемая в цементных композициях, может представлять собой, например, пресную воду, соленую воду (например, воду, содержащую растворенную в ней одну или несколько солей), рассол (например, насыщенную соленую воду, добываемую из подземных пластов), морскую воду или их комбинации. Обычно вода может быть из любого источника при условии, что она не содержит избытка соединений, которые могут нежелательно влиять на другие компоненты в цементной композиции. Вода может содержаться в количестве, достаточном для получения поддающейся насосной перекачке суспензии. Вода может быть включена в цементные композиции в любом подходящем диапазоне, включая, но не ограничиваясь этим, в диапазоне от около 40% до около 200% по массе вяжущих компонентов («by weight of cementitious components - bwoc»), присутствующих в цементной композиции. Используемый в данном документе термин «вяжущий компонент» относится к материалам, которые обладают вяжущими свойствами, таким как, среди прочего, материалы с гидравлической или пуццолановой активностью, включая портландцемент и источник кремнезема. Для целей этого раскрытия известь также считается вяжущим компонентом, поскольку она реагирует с источником диоксида кремния в пуццолановой реакции. В некоторых примерах вода может быть включена в количестве в диапазоне от около 40% bwoc до около 150% bwoc. Специалисты в данной области техники с помощью этого раскрытия должны иметь возможность выбрать подходящее количество и тип воды для конкретного применения.

[0011] Портландцементы, которые подходят для использования в настоящем раскрытии, могут быть классифицированы как цементы классов A, C, G и H согласно Американскому нефтяному институту, Спецификация API для материалов и испытаний для скважинных цементов, Спецификация API 10, Пятое издание, 1 июля 1990. Кроме того, в некоторых примерах цементы, подходящие для использования в настоящем изобретении, могут быть классифицированы как ASTM типа I, II, III или V. Могут быть использованы цементные композиции, которые считаются «низко портландцементными», в которых цементные композиции могут содержать портландцемент в любом количестве около 50% или менее по массе вяжущих компонентов («bwoc»), присутствующих в составе композитного цемента. Портландцемент может присутствовать в цементных композициях в любом подходящем количестве, включая, но не ограничиваясь, количество в диапазоне от около 0% bwoc до около 50% bwoc. В некоторых примерах портландцемент может присутствовать в количестве, варьирующемся от любого и/или включая любое из около 1%, около 5%, около 10%, около 20%, около 40% или около 50% bwoc. Кроме того, могут быть созданы цементные композиции, которые не содержат (или практически не содержат) портландцемент. Специалисты в данной области техники с помощью этого раскрытия должны иметь возможность выбрать подходящее количество портландцемента для конкретного применения.

[0012] Композиции цемента могут дополнительно содержать источник кремнезема. Используемый в данном документе термин «источник кремнезема» относится к материалу, который растворяется или иным образом диссоциирует с образованием кремниевой кислоты, которая может реагировать с образованием цементного продукта. При включении источника кремнезема может быть использован другой путь для получения продукта, подобного портландцементу. Может быть вызвана пуццолановая реакция, в которой кремниевая кислота (H₄SiO₄) и портландит (Ca(OH)₂) реагируют с образованием цементного продукта (гидрат силиката кальция). Если в источнике кремнезема присутствуют другие соединения, такие как алюминат, могут происходить дополнительные реакции с образованием дополнительных продуктов цемента, таких как гидраты алюмината кальция. Гидроксид кальция или известь, необходимые для реакции, могут быть получены из других компонентов цемента, таких как портландцемент, или могут быть отдельно добавлены к цементной композиции. Примеры подходящих источников диоксида кремния могут включать, но не ограничиваются ими, зольную пыль, шлак, кальцинированные глины, испарения кремнезема, кристаллический кремнезем, муку из кремнезема, пыль цементной печи («cement kiln dust - CKD»), цеолит, золу сельскохозяйственных отходов и природные пуццоланы, среди других. Некоторые из этих источников кремнезема будут рассматриваться более подробно ниже. Подходящие источники кремнезема обычно можно разделить на три основные категории, включая добываемые материалы, отходы и биологический пепел. Добываемые материалы представляют собой природные источники кремнезема, обычно присутствующие на поверхности Земли. Отходы могут обычно представлять собой отходы промышленных источников. Биологический пепел, как правило, может быть продуктом преднамеренного сжигания сельскохозяйственных, коммунальных и промышленных органических отходов. Биологический пепел может включать, но не ограничиваясь этим, золу сельскохозяйственных отходов, такую как зола рисовой шелухи, зола сахарного тростника и зола багассы. Там, где он присутствует, источник диоксида кремния обычно может быть добавлен в цементную композицию в количестве, достаточном для обеспечения желаемой прочности на сжатие, плотности и/или стоимости, помимо других соображений.

[0013] Источник или источники кремнезема могут присутствовать в цементных композициях в любом количестве, подходящем для конкретного применения, включая, но не ограничиваясь этим, количества в диапазоне от около 10% bwoc до около 100% bwoc, от около 50% bwoc до около 100% bwoc, от около 50% bwoc до около 80% bwoc или от 80% bwoc до 100% bwoc. В некоторых примерах портландцемент может присутствовать в количестве, варьирующемся от любого и/или включая любое из около 1%, около 5%, около 10%, около 20%, около 40%, около 60%, около 80% или около 90% bwoc. Специалисты в данной области техники с помощью этого раскрытия должны иметь возможность выбрать подходящие тип и количество источника цемента для конкретного применения.

[0014] Пример подходящего источника диоксида кремния может содержать зольную пыль. Может быть подходящим множество летучей золы, включая летучую золу, классифицированную как летучая зола класса C и класса F в соответствии с Американским институтом нефти, Спецификация API для материалов и испытаний для скважинных цементов, Спецификация API 10, Пятое издание.1 июля, 1990. Летучая зола класса C содержит как кремнезем, так и известь, поэтому она может образовывать затвердевшую массу при смешивании с водой. Летучая зола класса F, как правило, не содержит достаточного количества извести, чтобы вызвать цементирующую реакцию, поэтому для композиционной цементной композиции, содержащей летучую золу класса F, может потребоваться дополнительный источник ионов кальция. В некоторых вариантах известь может быть смешана с летучей золой класса F в количестве от около 0,1% до около 100% по массе летучей золы. В некоторых случаях известь может представлять собой гидратированную известь. Подходящие примеры летучей золы содержат, но не ограничиваются ими, цементную добавку POZMIX^® A, коммерчески доступную от Halliburton Energy Services, Inc., Хьюстон, Техас.

[0015] Другой пример подходящего источника диоксида кремния может содержать шлак. Шлак, как правило, является побочным продуктом при производстве различных металлов из соответствующих руд. Например, при производстве чугуна можно получить шлак в виде гранулированного побочного продукта доменной печи, отличающийся тем, что шлак обычно содержит окисленные примеси, входящие в железную руду. Шлак, как правило, не содержит достаточного количества основного материала, поэтому шлак можно использовать вместе с основой для получения отверждаемой композиции, которая может реагировать с водой для схватывания с образованием затвердевшей массы. Примеры подходящих источников основ включают, но не ограничиваются ими, гидроксид натрия, бикарбонат натрия, карбонат натрия, известь и их комбинации.

[0016] Другой пример подходящего источника диоксида кремния может содержать пыль кремнезема. В качестве альтернативы пыль кремнезема может быть обозначена как «микрокремнезем» или «осажденная пыль кремнезема». Как правило, пыль кремнезема является побочным продуктом, который может быть получен, например, путем восстановления кварца углем в процессе производства определенных сплавов. Пыль кремнезема может быть переработана после восстановления, например, для контроля размера частиц. Пыль кремнезема может быть очень мелкой, например, со средним размером частиц менее 1 микрона и, альтернативно, менее 0,2 микрона. Средний размер частиц соответствует значениям d50, измеренным анализаторами размера частиц, такими как произведенные компанией Malvern Instruments, Вустершир, Великобритания. Пыль кремнезема может иметь большую площадь поверхности и обычно доступна в виде порошка или жидкости.

[0017] Другой пример подходящего источника диоксида кремния может содержать CKD. В данном документе пыль цементной печи или «CKD» относится к частично кальцинированному материалу, загружаемому в печь, который обычно удаляют из газового потока и собирают в пылеулавливатель в процессе производства цемента. Как правило, при производстве цемента собирают большие количества CKD, которые обычно утилизируют как отходы. Утилизация CKD в виде отходов может обусловливать нежелательное удорожание производства цемента, а также экологические проблемы, связанные с ее захоронением.

[0018] Другой пример подходящего источника диоксида кремния может содержать цеолит. Цеолиты обычно представляют собой пористые алюмосиликатные минералы, которые могут быть природным или синтетическим материалом. Природные цеолиты могут быть добыты с поверхности Земли. Также могут быть использованы синтетические цеолиты, которые созданы в лаборатории. Синтетические цеолиты основаны на структурном элементе того же типа, что и природные цеолиты, и могут содержать алюмосиликатные гидраты. Используемый в данном документе термин «цеолит» относится ко всем природным и синтетическим формам цеолита. Примеры цеолитов могут включать, но не ограничиваться им, морденит, zsm-5, цеолит x, цеолит y, цеолит a и т.д. Кроме того, примеры, содержащие цеолит, могут включать цеолит в комбинации с катионом, таким как Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и т.д. Цеолиты, содержащие катионы, такие как натрий, могут также обеспечивать дополнительные источники катионов для цементной композиции по мере растворения цеолитов.

[0019] Другой пример источника кремнезема может содержать золу сельскохозяйственных отходов. Примеры золы сельскохозяйственных отходов, которые могут быть использованы в композиционной цементной композиции, включают, например, древесину (например, опилки, кору, ветки, ветви, другие древесные отходы) золу, древесную золу, золу кукурузного початка, золу рисовой шелухи, тростник (например, сахарный тростник) зола, зола багассы, зерно (например, амарант, ячмень, кукурузное льняное семя, просо, овес, лебеда, рожь, рис, пшеница и т. д.) и связанные с ними побочные продукты (например, шелуха, шелуха) и т. д.) ясень, садовый ясень, ясень для обрезки винограда, трава (например, Корай, Тифтон, нативная сиба и т.д.). Зола, солома, зола молотого ореха, зола бобовых (например, соя) и их комбинации.

[0020] Другой пример подходящего источника диоксида кремния может содержать вулканическую породу. Некоторые вулканические породы могут проявлять вяжущие свойства, поскольку они могут схватываться и затвердевать в присутствии гидратной извести и воды. Например, вулканическая порода также может быть измельчена. В общем случае вулканическая порода может иметь любое распределение частиц по размерам, в соответствии с конкретным применением. В некоторых примерах вулканическая порода может иметь средний размер частиц в диапазоне от около 1 микрона до около 200 микрон. Средний размер частиц соответствует значениям d50, измеренным анализаторами размера частиц, такими как произведенные компанией Malvern Instruments, Вустершир, Великобритания. При помощи данного описания, рядовые специалисты способны выбрать такой размер частиц, чтобы вулканическая порода была пригодна для использования в выбранном применении.

[0021] Другие природные пуццоланы могут быть подходящим источником кремнезема. Природные пуццоланы обычно присутствуют на поверхности Земли и могут проявлять пуццолановую активность. Подходящие природные пуццоланы могут содержать диатомовую землю, вулканический пепел, туф, метакаолин, кальцинированные глины, сланцы (например, кальцинированные сланцы, опаловые сланцы и т.д.) и их комбинации. Природные пуццоланы могут быть молотыми или не измельченными. Природные пуццоланы могут содержать материалы, такие как прокаленные глины, метакаолин и прокаленный сланец, которые были подвергнуты термообработке, например, в печи для усиления их пуццолановой активности. В общем случае, пемза может иметь любое распределение частиц по размерам, в соответствии с конкретным применением. Природные пуццоланы могут иметь средний размер частиц, подходящий для конкретного применения, включая, но не ограничиваясь этим, диапазон от около 0,1 микрона до около 200 микрон или даже меньше. В специфических примерах природные пуццоланы могут иметь средний размер частиц в диапазоне от около 1 микрометра до около 200 микрометров, от около 5 микрометров до около 100 микрометров или от около 10 микрометров до около 50 микрометров. При помощи данного описания, рядовые специалисты способны выбрать такой размер частиц, чтобы природные пуццоланы были пригодны для использования в выбранном применении.

[0022] Цементные композиции могут содержать известь. Известь может присутствовать в цементной композиции в различных формах, в том числе в виде оксида кальция и/или гидроксида кальция. Используемый в данном документе термин «известь» включает как оксид кальция, так и гидроксид кальция. Гидроксид кальция также обычно называют гидратной известью или гашеной известью. В некоторых вариантах реализации изобретения гашеная известь может поставляться как негашеная известь (оксид кальция), которая гидратируется при смешивании с водой, образуя гашеную известь. В дополнение к дополнительной извести, добавляемой в качестве отдельного компонента по меньшей мере часть извести в цементной композиции также может быть получена из других компонентов цемента. Например, гидравлическая реакция портландцемента с водой может привести к выделению гидратированной извести в цементную композицию. Кроме того, источники кремнезема также могут содержать известь или выделять известь в цементную композицию. Известь, присутствующая в источнике кремнезема в виде CaO, может называться свободной известью, если она не связана с другими минералами. Гидратированная известь может быть включена в примеры цементных композиций, например, для взаимодействия с источником диоксида кремния. Там, где она присутствует, известь может быть включена в цементные композиции в количестве, например, в диапазоне от около 10% bwoc до около 100% bwoc по массе вяжущих веществ. В некоторых примерах гашеная известь может присутствовать в количестве в диапазоне между любыми и/или включая значения около 10%, около 20%, около 40%, около 60%, около 80% или около 100% bwoc. При помощи данного описания специалисты в данной области техники должны определить подходящее количество используемой гашеной извести для выбранного применения.

[0023] В некоторых примерах цементные композиции могут содержать источник кальция, отличный от гидратной извести. Как правило, кальций и высокий pH, например, pH, составляющий 7,0 или выше, могут потребоваться для определенных вяжущих реакций. Потенциальное преимущество гидратированной извести может заключаться в том, что ионы кальция и гидроксид-ионы находятся в составе одной молекулы. В другом примере источником кальция может быть Ca(NO₃)₂ или CaCl₂ с гидроксидом, подаваемым, например, из NaOH или KOH. Специалист в данной области техники поймет, что альтернативный источник кальция и источник гидроксида могут быть включены в цементную композицию так же, как и гидратированная известь. Например, источник кальция и источник гидроксида могут быть включены в массовое отношение источника кремнезема к гидратной извести от около 10:1 до около 1:1 или от около 3:1 до около 5:1. Там, где они присутствуют, альтернативный источник кальция и источник гидроксида могут быть включены, например, в цементные композиции в количестве в диапазоне от около 10% до около 100% по массе источника кремнезема. В некоторых примерах альтернативный источник кальция и источник гидроксида могут присутствовать в количестве, варьирующемся между любым из и/или включая любое из около 10%, около 20%, около 40%, около 60%, около 80% или около 100% по массе источника кремнезема. Специалист в данной области техники, пользуясь преимуществом этого раскрытия, должен распознавать соответствующее количество альтернативного источника кальция и источника гидроксида для включения в выбранное применение.

[0024] Цементная композиция может дополнительно содержать другие добавки, подходящие для использования в операциях цементирования. Примеры таких добавок включают, но не ограничиваются ими: утяжелители, замедлители, ускорители, активаторы, газовые контрольные добавки, легкие присадки, газогенерирующие присадки, добавки, улучшающие механические свойства, материалы с потерей циркуляции, добавки для контроля фильтрации, присадки, снижающие потери жидкости, пеногасители, пеногасители пенообразователи, модификаторы времени перехода, диспергаторы, тиксотропные добавки, суспендирующие агенты и их комбинации. Специалисты в данной области техники с помощью этого раскрытия должны иметь возможность выбрать подходящее количество добавок для конкретного применения.

[0025] Цементные композиции могут быть приготовлены с использованием любой подходящей технологии. Вяжущие компоненты, такие как портландцемент, источник кремнезема и/или известь, могут быть смешаны в сухом виде перед смешиванием с водой для образования цементной композиции. Эта сухая смесь может быть приготовлена за пределами площадки и затем транспортирована на участок скважины, например, где она может быть разведена водой. Дополнительная сухая цементная добавка также может быть включена в сухую смесь. Другие подходящие технологии могут быть использованы для приготовления цементных композиций, что должно быть понятно специалистам в данной области в соответствии с настоящим раскрытием.

[0026] Как описано ранее, источник кремнезема может растворять или иным образом образовывать кремниевую кислоту, которая может реагировать с гидроксидом кальция с образованием цементного продукта. Может быть вызвана пуццолановая реакция, при этом кремниевая кислота (H₄SiO₄) и портландит (Ca(OH)₂) реагируют с образованием цементного продукта (гидрат силиката кальция). Эта пуццолановая реакция между кремниевой кислотой (H₄SiO₄) и портландитом (Ca(OH)₂) может протекать в соответствии со следующими уравнениями. Во-первых, кремнезем может быть гидратирован с образованием кремниевой кислоты, а оксид кальция может гидратироваться с образованием портландита или гидратированной извести. Как будет понятно специалистам в данной области техники, гидроксид кальция также может быть получен из других компонентов в цементной композиции, например, посредством гидравлической реакции портландцемента. Затем кремниевая кислота и гидратированная известь могут реагировать с образованием гидрата силиката кальция. Если в источнике кремнезема присутствуют другие соединения, такие как алюминат, могут происходить дополнительные реакции с образованием дополнительных вяжущих продуктов, таких как гидраты алюмината кальция.

[0027] Реакция может быть не простой, так как разные источники диоксида кремния могут иметь разные скорости растворимости и гидратации. Стехиометрия реакции также может быть не прямой из-за различной растворимости реагентов. Если количество любого реагента отличается от идеального количества, то реакция может замедлиться или прекратиться. Одним из способов управления реакцией может быть обеспечение соотношения доступной извести и кремниевой кислоты, достаточного для проведения реакции. Другими словами, концентрации цементных источников и/или извести могут быть выбраны для цементной композиции, чтобы обеспечить это соотношение.

[0028] Цементная композиция может быть сформирована таким образом, чтобы она имела целевое массовое соотношение извести и диоксида кремния. Кроме того, массовое соотношение также может быть молярным отношением или любым другим эквивалентным способом выражения относительного количества кремнезема к извести. Любое подходящее целевое массовое соотношение извести и диоксида кремния может быть выбрано для обеспечения желаемой реакции, включая, но не ограничиваясь этим, целевое массовое соотношение извести и диоксида кремния в диапазоне от около 10/90 извести до диоксида кремния по массе до около 40/60 извести до диоксида кремния например, около 10/90 по массе извести до диоксида кремния, около 20/80 по массе извести в диоксид кремния, около 30/70 по массе диоксида кремния до извести или около 40/60 по массе извести в диоксид кремния. Под известью понимается любой источник извести, такой как свободная известь, а также известь, которая может образовываться при других цементных реакциях. Следует также понимать, что отношение извести к кремнезему также может быть выражено в эквивалентных терминах отношения кремнезема к извести. Например, отношение извести к кремнезему 20/80 эквивалентно отношению кремнезема к извести 80/20.

[0029] Как обсуждалось, отношение кремнезема (SiO₂) к извести (CaO) можно использовать для улучшения цемента путем определения целевого отношения извести к кремнезему. Соотношение извести и диоксида кремния может быть определено как соотношение между известью и диоксидом кремния. Хотя ранее обсуждалась только одна корреляция между конкретной формой диоксида кремния и извести, специалисту в данной области понятно, что может использоваться любая корреляция между известью и диоксидом кремния в любой форме. Например, может использоваться корреляция между элементарным кремнием (Si) и элементарным кальцием (Ca), а также любые другие корреляции между различными оксидами кремния и оксидами кальция. В некоторых примерах может использоваться косвенное измерение количества кремнезема в извести. Например, количество извести в указанном образце может быть определено титрованием с известной концентрацией кислоты. Полученное значение рН после добавления известного объема кислоты может быть определено, и затем концентрация извести в образце может быть рассчитана заново. Косвенная корреляция между рН в конце титрования и диоксидом кремния может затем использоваться для создания цементной композиции. Специалисту в данной области будет понятно, что существует множество других прямых и косвенных методов получения корреляции, связанной с известью и кремнеземом.

[0030] Процесс создания цементной композиции может включать в себя любой из нескольких различных этапов. Два или более вяжущих компонента и их концентрации могут быть выбраны для исходной цементной композиции. Может быть рассчитано соотношение извести и кремнезема двух или более вяжущих компонентов. Соотношение извести и диоксида кремния может быть определено с использованием любого подходящего метода. Расчет соотношения извести и диоксида кремния может включать определение общего количества диоксида кремния и общего количества извести в двух или более вяжущих компонентах, а затем определение соотношения извести и диоксида кремния. Для целей расчета отношения извести к кремнезему известь может рассматриваться как оксид кальция или гидроксид кальция. Например, отношение извести к кремнезему может быть определено путем измерения доступного кремнезема и извести для данного вяжущего компонента с использованием стандартных лабораторных методов. В процессе измерения доступного диоксида кремния и извести может использоваться оксидный анализ, такой как рентгеновская флуоресцентная спектроскопия или другой подходящий метод. После того, как лабораторный анализ был выполнен, данные могут быть классифицированы, включая категоризацию вяжущих компонентов по составу оксида, который может включать содержание диоксида кремния, содержание извести (например, оксид кальция), содержание оксида алюминия и содержание другого оксида. Классификация может, как правило, включать перечисление в таблице содержания диоксида кремния, содержания оксида кальция и содержания оксида алюминия для каждого тестируемого вяжущего компонента, включая портландцемент, источник диоксида кремния и/или гидратированную известь. Кроме того, скорость растворения каждого компонента может быть классифицирована.

[0031] Если расчетная цементная композиция с отношением извести к кремнезему не соответствует (или не превышает) целевому отношению извести к кремнезему, концентрацию одного или нескольких вяжущих компонентов можно регулировать до тех пор, пока целевое отношение извести к кремнезему не будет достигнуто или превышено. В некоторых примерах концентрация извести (в качестве отдельного вяжущего компонента) в цементной композиции может быть отрегулирована в случае, когда извести недостаточно. Чтобы определить, сколько извести нужно добавить, чистое количество кремнезема и извести, вносимое каждым вяжущим компонентом, может быть определено с использованием ранее описанных лабораторных методов. Соотношение диоксида кремния и извести затем может быть определено, и может быть добавлено больше извести, пока не будет достигнуто желаемое соотношение. Если кремнезема недостаточно, источник кремнезема можно регулировать до достижения целевого соотношения.

[0032] Одним из потенциальных преимуществ баланса соотношения извести и диоксида кремния может быть то, что общее количество портландцемента, необходимое для удовлетворения или превышения технических требований, может быть относительно низким. Как правило, инженер или оператор по цементу может определить требуемые инженерные свойства цементного состава для конкретной скважины. Источники кремнезема, доступные в конкретной области, где должна перекачиваться цементная композиция, могут иметь разные уровни оксидов. Доступные источники или ресурсы кремнезема могут быть внесены в каталог, и на каждом из материалов могут быть проведены лабораторные испытания. Лабораторные испытания могут включать, например, определение содержания диоксида кремния, содержания оксида алюминия, оксида кальция и содержания других оксидов. Инженер по цементу может начать с цементной композиции, например, с 30% по весу портландцемента, при этом процентная доля по весу составляет различные ранее испытанные источники кремнезема. Целевое отношение извести к кремнезему может быть выбрано 20/80. Используя весовые проценты каждого компонента и лабораторные испытания, которые были проведены ранее, можно определить соотношение извести и кремнезема в цементной композиции. Если известь или кремнезем закончились, то их можно отрегулировать, добавив больше извести или кремнезема (например, добавив больше источника кремнезема). Когда баланс кремнезема и извести завершен, цементная композиция может быть проверена на механические или инженерные свойства. Несколько цементных композиций могут быть сформированы с различными уровнями портландцемента. Например, цементная композиция может содержать от около 10% до около 30% портландцемента. В некоторых примерах цементная композиция может содержать около 10%, около 15%, около 20%, около 25% или около 30% портландцемента по массе. Специалист в данной области должен иметь возможность выбирать массовый процент портландцемента, проводить анализ оксида, определять целевое отношение извести к кремнезему и корректировать массовый процент каждого компонента для создания суспензии с требуемыми инженерными свойствами.

[0033] Любая из представленных в качестве примера цементных композиций, раскрытых в данном документе, может быть введена в подземный пласт и оставлена для схватывания. Как используется в данном документе, процесс введения цементной композиции в подземный пласт включает в себя введение в любую часть подземного пласта, в ближнюю зону ствола скважины, окружающую ствол скважины, или в обе зоны. В применениях первичного цементирования, например, цементные композиции могут быть введены в кольцевой зазор между трубой, расположенной в стволе скважины, и стенками ствола скважины (и/или трубы большего диаметра в стволе скважины), где ствол скважины проходит через подземный пласт. Цементная композиция может быть приготовлена и оставлена для схватывания в кольцевом зазоре с образованием кольцевой оболочки из затвердевшего цемента. Цементная композиция может образовывать барьер, который препятствует миграции флюидов в стволе скважины. Цементная композиция может также, например, поддерживать трубу в стволе скважины. При корректирующих применениях цементирования цементные композиции могут быть использованы, например, в операциях цементирования с отжимом или при размещении цементных пробок. Например, цементная композиция может быть введена в ствол скважины для закупоривания отверстия (например, пустоты или трещины) в пласте, в гравийной набивке, в трубе, в цементной оболочке и/или между цементной оболочкой и трубой (например, в кольцевом микрозазоре).

[0034] Утверждение 1. Способ, включающий в себя: вычисление соотношения извести к кремнезему для двух или более вяжущих компонентов цементной композиции; и регулирование концентрации по меньшей мере одного из вяжущих компонентов таким образом, чтобы корреляция извести и диоксида кремния соответствовала или превышала целевой показатель.

[0035] Утверждение 2. Способ по утверждению 1, дополнительно включающий в себя: подготовку цементного состава; и разрешение на отверждение цементной композиции.

[0036] Утверждение 3. Способ по утверждению 1 по утверждению 2 дополнительно включающий в себя введение цементной композиции в подземный пласт.

[0037] Утверждение 4. Способ по любому из предшествующих утверждений, отличающийся тем, что цементную композицию вводят в подземный пласт с использованием одного или нескольких насосов.

[0038] Утверждение 5. Способ по любому из утверждений 2-4, отличающийся тем, что приготовление включает в себя смешивание компонентов цементных композиций с использованием смесительного оборудования, причем компоненты включают два или более вяжущих компонента и воду.

[0039] Утверждение 6. Способ по любому предшествующему утверждению, отличающийся тем, что вяжущие компоненты включают, по меньшей мере, один вяжущий компонент, выбранный из группы, состоящей из портландцемента, источников диоксида кремния, извести и их комбинаций.

[0040] Утверждение 7. Способ по утверждению 6, отличающийся тем, что вяжущие компоненты включают портландцемент в количестве от около 10% до около 50% вяжущих компонентов.

[0041] Утверждение 8. Способ по утверждению 6 или утверждению 7, отличающийся тем, что источники кремнезема включают по меньшей мере один источник, выбранный из группы, состоящей из летучей золы, кальцинированной глины, шлака, пыли кремнезема, кристаллического кремнезема, кремнеземной муки, пыли цементной печи, цеолита, золы сельскохозяйственных отходов, природные пуццоланы и их комбинации.

[0042] Утверждение 9. Способ по любому из предшествующих утверждений, отличающийся тем, что цементная композиция дополнительно содержит одну или несколько добавок, выбранных из группы, состоящей из утяжелителей, замедлителей, ускорителей, активаторов, газовых контрольных добавок, легких добавок, газообразующих добавок, добавок, улучшающих механические свойства, материалы с потерей циркуляции, добавки для контроля фильтрации, добавки для контроля потерь жидкости, пеногасители, пеногасители, пенообразователи, модификаторы времени перехода, диспергаторы, тиксотропные добавки, суспендирующие агенты и их комбинации.

[0043] Утверждение 10. Способ по любому из предшествующих утверждений, отличающийся тем, что корреляция извести и диоксида кремния представляет собой массовое соотношение извести и диоксида кремния, и отличающийся тем, что массовое соотношение извести и диоксида кремния составляет от около 10/90 до около 40/60.

[0044] Утверждение 11. Способ по любому из предшествующих утверждений, дополнительно включающий этап расчета зависящей от времени концентрации извести и диоксида кремния и выбора дополнительных вяжущих компонентов, которые должны быть включены в цементную композицию, при этом дополнительные вяжущие компоненты выбираются на основе скорости растворения для каждого из дополнительных вяжущих компонентов.

[0045] Утверждение 12. Способ по любому из предшествующих утверждений, дополнительно включающий закачку цементной композиции через трубопровод в кольцевое пространство в стволе скважины, так что цементная композиция образует цементную оболочку в кольцевом пространстве в стволе скважины.

[0046] Утверждение 13. Способ по любому из предшествующих утверждений, дополнительно включающий выполнение анализа оксида двух или более вяжущих компонентов.

[0047] Утверждение 14. Способ улучшения соотношения извести и кремнезема в цементной смеси, включающий в себя: выбор целевого отношения извести к кремнезему; выполнение анализа оксида вяжущих компонентов цементной смеси; вычисление общего количества кремнезема и извести в цементной смеси из анализа оксида; расчет отношения извести к кремнезему в цементной смеси; и вычисление концентрации дополнительной извести, необходимой в цементной смеси, чтобы сделать соотношение извести и диоксида кремния больше или равным целевому отношению извести и диоксида кремния.

[0048] Утверждение 15. Способ по утверждению 14, отличающийся тем, что целевое соотношение извести и диоксида кремни представляет собой массовое отношение, а массовое отношение составляет от около 10/90 до около 40/60.

[0049] Утверждение 16. Способ по утверждению 14 или утверждению 15, дополнительно включающий этап вычисления скорости растворения для каждого из вяжущих компонентов.

[0050] Утверждение 17. Способ по любому из утверждений 14-16, дополнительно включающий этап расчета зависящей от времени концентрации извести и диоксида кремния и выбора дополнительных вяжущих компонентов, которые должны быть включены в цементную композицию, при этом дополнительные вяжущие компоненты выбираются на основе скорости растворения для каждого из дополнительных вяжущих компонентов.

[0051] Утверждение 18. Система для получения цементной композиции, содержащая: множество вяжущих компонентов; и компьютерную систему, выполненную с возможностью приема ввода от пользователя и генерирования концентраций вяжущих компонентов для цементной композиции, причем компьютерная система выполнена с возможностью генерирования концентраций вяжущих компонентов на основе целевой корреляции извести и диоксида кремния.

[0052] Утверждение 19. Система по утверждению 18, в которой компьютерная система дополнительно выполнена с возможностью улучшения цементных композиций путем вычисления массового отношения извести к кремнезему и корректировки относительного количества каждого из вяжущих компонентов для достижения или превышения целевого соотношения извести и кремнезема.

[0053] Утверждение 20. Система по утверждению 18 или утверждению 19, дополнительно содержащая базу данных, в которой содержится информация о вяжущих компонентах, стоимости, соответствующей каждому из вяжущих компонентов, анализе оксида, соответствующему каждому из вяжущих компонентов, и данные о растворении, соответствующие каждому из вяжущих компонентов.

[0054] Утверждение 21. Система по любому из утверждений 18-20, в которой целевая корреляция извести и диоксида кремния определяется пользователем или автоматически выбирается компьютерной системой.

[0055] Утверждение 22. Система по любому из утверждений 18-21, в которой целевое соотношение извести и диоксида кремния представляет собой массовое соотношение извести и диоксида кремния, и отличающаяся тем, что массовое соотношение извести и диоксида кремния составляет от около 10/90 до около 40/60.

[0056] Примеры способов использования технологии балансировки кремнезема и извести будут теперь описаны более подробно со ссылкой на фиг. 1. Проиллюстрирована система 100 для анализа вяжущих компонентов. Система 100 может содержать образец 105 вяжущего компонента, аналитический прибор 110 и компьютерную систему 115. Образец 105 вяжущего компонента может представлять собой любой вяжущий компонент (например, портландцемент, источник кремнезема, известь и т.д.), представляющий интерес. Образец вяжущего компонента может быть помещен или введен в аналитический прибор 110. В некоторых примерах аналитический инструмент 110 может быть выполнен с возможностью автоматической подачи образца 105 вяжущего компонента в аналитический инструмент 110. Аналитический прибор 110 может быть выполнен с возможностью анализа физических и химических свойств образца 105 вяжущего компонента. Как описано выше, физические и химические свойства могут содержать данные анализа оксида и других испытаний. Данные, сгенерированные аналитическим инструментом 110, могут быть отправлены в компьютерную систему 115 для обработки. Компьютерная система 115 может содержать процессор, память, внутреннюю память, средства ввода и вывода, средства сетевого подключения и/или другие компоненты, присущие компьютерным системам. Компьютерная система 115 может принимать данные от аналитического инструмента 110 в качестве входных данных и сохранять их в хранилище для последующей обработки. Обработка данных может включать ввод данных в алгоритмы, которые вычисляют результат. Компьютерная система может быть выполнена с возможностью анализа данных оксида из образца и генерирования корреляций, диаграмм и моделей, связанных с растворимостью, временем растворения, зависимой от времени доступностью оксидов в растворе, прогнозируемой реакционной способностью, потребностью в извести и других данных. Сгенерированные данные и данные, сгенерированные из аналитического инструмента 110, могут быть сохранены в базе данных 120. База данных 120 также может содержать данные о стоимости каждого вяжущего компонента. База данных 120 может храниться локально или в сети.

[0057] Ссылаясь теперь на фиг. 2, на которой проиллюстрирована система 200 для получения цементных композиций. Система 200 может содержать базу данных 120, как описано на фиг. 1, и компьютерную систему 210. В некоторых примерах компьютерная система 210 может быть такой же компьютерной системой 115, проиллюстрированной на фиг. 1. Данные, вводимые пользователем 220, могут определять технические параметры, такие как требуемая прочность на сжатие цементного состава, статическая температура забоя скважины, требуемые реологические свойства пульпы, время сгущения пульпы, доступные цементные материалы, доступные цементные добавки, свободная жидкость, проницаемость, поровое давление, градиент гидроразрыва, вес бурового раствора, плотность, кислотостойкость, солеустойчивость и другие параметры. Компьютерная система 210 может быть выполнена с возможностью ввода пользовательских данных 220 и прогнозирующих моделей, карт реактивности и данных, хранящихся в базе 120 данных, в алгоритм прогнозного цементирования. Алгоритм прогнозного цементирования может генерировать цементную композицию или композиции, которые соответствуют техническим требованиям, определенным пользовательскими данными 220. Выход 230 алгоритма прогнозного цементирования может содержать относительные количества каждого компонента цемента в генерируемой цементной композиции, а также прогнозируемые свойства материала цементной композиции. В другом примере пользователь может выбрать низкую концентрацию портландцемента и один или несколько источников кремнезема в качестве некоторых технических параметров. Значение низких концентраций портландцемента обсуждалось ранее. Пользователь также может выбрать целевое отношение извести к кремнезему как часть технических параметров. В некоторых примерах алгоритм прогнозного цементирования может автоматически выбирать целевое отношение извести к кремнезему или быть выполненным с возможностью выбора улучшенного отношения на основе ввода пользовательских данных. Алгоритм прогнозирующего цементирования может генерировать цементную композицию, включающую выбранную концентрацию портландцемента и выбранные источники кремнезема. Чтобы выбрать подходящее отношение извести к кремнезему, алгоритм может ссылаться на данные анализа оксида и растворимости, упомянутые ранее. Алгоритм прогнозирующего цементирования может быть выполнен с возможностью генерирования концентраций вяжущих компонентов на основе целевого отношения извести к кремнезему. Алгоритм прогнозирующего цементирования может быть выполнен с возможностью удовлетворения или превышения целевого отношения извести к кремнезему путем регулирования концентрации одного или нескольких вяжущих компонентов, включая известь.

[0058] Хотя алгоритм прогнозирующего цементирования может генерировать цементную композицию исключительно на основе отношения извести к кремнезему из пользовательского ввода или автоматически выбранного значения, алгоритм также может генерировать цемент на основе комбинации других факторов. Одним из факторов может быть наличие оксидов и извести в зависимости от времени и температуры. Как описано ранее, концентрация кремниевой кислоты и портландита могут варьироваться по времени и температуре в зависимости от растворимости вяжущего компонента. Как описано ранее, доступные вяжущие компоненты могут иметь различные степени растворимости, которые также могут зависеть от температуры раствора. Вяжущий компонент может растворяться относительно медленно при температуре окружающей среды, но может растворяться относительно быстрее при статической температуре в забое скважины. По существу, наличие оксидов и извести из каждого компонента может зависеть не только от времени, но также и от положения цементной композиции в стволе скважины. Алгоритм прогнозирующего цементирования может генерировать цементную композицию, которая поддерживает выбранный баланс извести и кремнезема в течение пуццолановых и других реакций схватывания цемента путем учета доступности реагентов во времени. Алгоритм прогнозирующего цементирования может также использовать данные о затратах из базы данных 120 для создания цементной композиции, которая имеет желаемое соотношение извести и кремнезема, а также повышает стоимость композиции. В некоторых примерах алгоритм прогнозирующего цементирования может генерировать цементную композицию с минимизированной или сниженной стоимостью.

[0059] Ссылка теперь делается на фиг. 3, иллюстрирующую использование цементной композиции 300. Цементная композиция 300 может содержать любой из компонентов, описанных в данном документе. Цементная композиция 300 может быть разработана, например, с использованием балансировки извести-кремнезема, как описано в данном документе. Обращаясь к фиг. 3, цементная композиция 300 может быть помещена в подземный пласт 305 в соответствии с примерами систем, способов и цементных композиций. Как проиллюстрировано, ствол 310 скважины может быть пробурен в подземном пласте 305. Хотя ствол 310 скважины показан как направленный в основном вертикально в подземный пласт 305, принципы, описанные в настоящем документе, применимы также к стволам скважин, направленным через подземный пласт 305 под углом, таким как горизонтальные и наклонные стволы скважин. Как проиллюстрировано, ствол 310 скважины содержит стенки 315. Как проиллюстрировано, кондукторная колонна 320 была вставлена в ствол 310 скважины. Кондукторная колонна 320 может быть зацементирована со стенками 315 ствола 310 скважины посредством цементной оболочки 325. Как проиллюстрировано, в стволе 310 скважины также может быть расположены одна или более дополнительных труб (например, промежуточная колонна, эксплуатационная колонна, хвостовик и т.д.), показанные в настоящем документе как обсадная колонна 330. Как проиллюстрировано, кольцевой зазор 335 ствола скважины образован между обсадной колонной 330 и стенками 315 ствола 310 скважины и/или кондукторной колонной 320. Один или более центраторов 340 может быть присоединен к обсадной колонне 330, например, для центрирования обсадной колонны 330 в стволе 310 скважины до и во время операции цементирования.

[0060] Продолжая ссылаться на Фиг. 3, цементная композиция 300 может откачиваться внутрь обсадной колонны 330. Цементной композиции 300 можно дать возможность стекать вниз внутри обсадной колонны 330 через башмак обсадной колонны 345 на дне обсадной колонны 330, а также подниматься вверх вокруг обсадной колонны 330 в кольцевое пространство 335 ствола скважины. Цементная композиция 300 может быть оставлена для схватывания в кольцевом зазоре 335 ствола скважины, например, с образованием цементной оболочки, которая поддерживает и удерживает на месте колонну 330 в стволе 310 скважины. Хотя это не проиллюстрировано, для введения цементной композиции 300 могут быть использованы также другие технологии. Например, можно использовать способ обратной циркуляции, который включает введение цементной композиции 300 в подземную формацию 305 не через обсадную колонну 330, а через кольцевое пространство ствола скважины 335.После введения цементная композиция 300 может вытеснять другие флюиды 350, такие как буровые растворы и/или вытесняющие жидкости, которые могут присутствовать во внутренней части обсадной колонны 330 и/или в кольцевом пространстве ствола скважины 335.Хотя это не показано, по меньшей мере, часть вытесненных флюидов 350 может выходить из кольцевого пространства 335 ствола скважины через линию потока и осаждаться, например, в одной или нескольких удерживающих ямах. Нижняя пробка 355 может быть введена в ствол 310 скважины перед цементной композицией 300, например, для отделения цементной композиции 300 от флюидов 350, которые могут находиться внутри обсадной колонны 330 до цементирования. После того как нижняя пробка 355 достигнет муфты 380 для подвешивания колонны, должна разорваться мембрана или другое подходящее устройство, чтобы цементная композиция 300 прошла через нижнюю пробку 355. Нижняя пробка 355 показана на муфте 380 для подвешивания колонны. На иллюстрации верхняя пробка 360 может быть введена в ствол 310 скважины за цементной композицией 300. Верхняя пробка 360 может отделять цементную композицию 300 от вытесняющей жидкости 365, а также проталкивать цементную композицию 300 через нижнюю пробку 355.

[0061] Раскрытые цементные композиции и связанные с ними способы могут прямо или косвенно влиять на любые насосные системы, которые, в качестве примера, содержат любые трубопроводы, трубопроводы, тележки, трубы и/или трубы, которые могут быть соединены с насосом и/или любыми насосными системами и могут использоваться для гидравлического транспортирования цементных композиций в скважине, любые насосы, компрессоры или двигатели (например, верхние или нижние), используемые для приведения цементных композиций в движение, любые клапаны или соответствующие соединения, используемые для регулирования давления или расхода цементных композиций, и любые датчики (то есть давления, температуры, скорости потока и т.д.), датчики и/или их комбинации и тому подобное. Цементные композиции также могут прямо или косвенно влиять на любые смесительные бункеры и удерживающие ямы и их различные варианты.

Примеры

[0062] Для облегчения понимания настоящих вариантов реализации изобретения приведены следующие примеры некоторых аспектов предпочитаемых вариантов реализации изобретения. Подобные примеры ни в коем случае не следует рассматривать как ограничивающие или определяющие объем настоящего изобретения.

Пример 1

[0063] Был проведен анализ нескольких вяжущих компонентов для определения состава оксидов в каждом образце. Результаты отображаются в таблице 1.

Таблица 1. Анализ оксидов вяжущих компонентов

Масса % SiO2 CaO Портландцемент 0 15 Силикат 90,3 1,1 Метакаолин 53,8 0 Вулканическая порода 77,4 0,5 Гашеная известь 1,57 94,5 Летучая зола, тип F 63,9 2

Пример 2

[0064] Несколько виртуальных конструкций цементной композиции были созданы с использованием анализируемых вяжущих компонентов. Конструкции представлены в таблицах 2-4 ниже. Целевое отношение извести к кремнезему должно было превышать 20/80 или 0,25. Виртуальные разработки 2 и 3 будут соответствовать критериям, поскольку они имеют соотношение 0,27 и 0,58 соответственно.

Таблица 2. Виртуальная разработка 1

Виртуальная разработка 1 Состав (% масс.) Кремнезем, г Известь, г Портландцемент 30 - 4,5 Летучая зола, тип F 65,5 41,9 1,3 Вулканическая порода 0 0 - Гашеная известь 4,5 - 4,5 Соотношение известь/кремнезем = (4,5 + 1,3 + 4,5)/41,9 0,245

Таблица 3. Виртуальная разработка 2

Виртуальная разработка 2 Состав (% масс.) Кремнезем, г Известь, г Портландцемент 50 - 7,5 Летучая зола, тип F 50 32 1,0 Вулканическая порода 0 0 - Гашеная известь 0 - 0 Соотношение известь/кремнезем = (7,5 + 1,0) / 32 0,27

Таблица 4. Виртуальная разработка 3

Виртуальная разработка 3 Состав (% масс.) Кремнезем, г Известь, г Портландцемент 70 - 10,5 Летучая зола, тип F 30 19,2 0,6 Вулканическая порода 0 0 - Гашеная известь 4,5 - 0 Соотношение известь/кремнезем = (10,5 + 0,6) / 19,2 0,58

[0065] Следует понимать, что композиции и способы описаны в настоящем документе в контексте «содержания», «вмещения» или «включения» различных компонентов или стадий, и композиции и способы могут также «состоять по существу из» или «состоять из» различных компонентов и стадий. Более того, применяемая в формуле изобретения форма единственного числа предполагает наличие одного или более выражаемых в ней элементов.

[0066] Для краткости, в данном документе раскрыты полностью только определенные диапазоны. Тем не менее, диапазоны от любого нижнего предела могут быть скомбинированы с любым верхним пределом, чтобы описать диапазон, не описанный полностью, так же как диапазоны от любого нижнего предела могут быть скомбинированы с любым другим нижним пределом, чтобы описать диапазон, не описанный полностью, таким же образом, диапазоны от любого верхнего предела могут быть скомбинированы с любым другим верхним пределом, чтобы описать диапазон, не описанный полностью. Кроме того, во всех случаях, когда описан числовой диапазон с нижним пределом и верхним пределом, конкретно описано любое число и любой включенный диапазон, попадающие в указанный диапазон. В частности, каждый диапазон значений (в виде «от около a до около b» или, эквивалентно, «от около a до b» или, эквивалентно, «от около a-b»), описанный в настоящем документе, следует понимать как описывающий каждое число и диапазон, входящие в более широкий диапазон значений, даже если они не описаны полностью. Таким образом, каждая точка или отдельное значение могут выступать в качестве своего собственного нижнего или верхнего предела, скомбинированные с любой другой точкой или отдельным значением или с любым другим нижним или верхним пределом, чтобы описать диапазон, не описанный полностью.

[0067] Таким образом, настоящее изобретение идеально подходит для достижения целей и реализации преимуществ, указанных выше, а также присущих ему. Конкретные примеры, описанные выше, являются только иллюстративными, так как данное изобретение может быть модифицировано и реализовано различными, но эквивалентными способами, очевидными специалисту в данной области техники благодаря идеям, изложенным в данном документе. Хотя обсуждаются отдельные примеры, изобретение охватывает все комбинации всех этих примеров. Кроме того, не предусматривается никаких ограничений для элементов конструкции или конструкции, показанных в данном документе, кроме как описано ниже в формуле изобретения. Кроме того, термины в формуле изобретения имеют свое простое, обычное значение, если иное явно и четко не определено патентообладателем. Таким образом, следует понимать, что частные иллюстративные примеры, описанные выше, могут быть изменены или модифицированы, при этом все такие изменения находятся в пределах объема и сущности указанных вариантов реализации изобретения. При наличии противоречий в использовании слова или термина в настоящем описании и одном или более патенте(-ах) или других документах, которые могут быть включены в настоящее описание посредством ссылки, следует принимать определения, соответствующие настоящему описанию.

Группа изобретений относится к способам и системам цементирования скважин. Способ создания цементной композиции включает получение или обеспечение цементной смеси, содержащей вяжущие компоненты, получение или обеспечение анализа на содержание оксидов для вяжущих компонентов. Осуществляют вычисление общего количества кремнезема и извести в цементной смеси на основе анализа на содержание оксидов. Осуществляют вычисление соотношения извести и кремнезема в цементной смеси, выбор целевого соотношения извести и кремнезема, вычисление концентрации дополнительных извести или кремнезема, необходимых в цементной смеси, чтобы сделать соотношение извести и кремнезема больше или равным целевому соотношению извести и кремнезема. Регулируют концентрацию по меньшей мере одного из вяжущих компонентов таким образом, чтобы соотношение извести и кремнезема соответствовало или превышало целевое соотношение извести и кремнезема. Система дополнительно содержит компьютерную систему, выполненную с возможностью приема ввода от пользователя и генерирования концентраций вяжущих компонентов для цементной композиции. Причем компьютерная система выполнена с возможностью генерирования концентраций вяжущих компонентов на основе целевого соотношения извести и кремнезема и анализа на содержание оксидов для каждого из вяжущих компонентов. Техническим результатом является повышение эффективности выбора компонентов цементной композиции. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ создания цементной композиции для цементирования скважин, включающий: получение или обеспечение цементной смеси, содержащей вяжущие компоненты; получение или обеспечение анализа на содержание оксидов для вяжущих компонентов; вычисление общего количества кремнезема и извести в цементной смеси на основе анализа на содержание оксидов; вычисление соотношения извести и кремнезема в цементной смеси; выбор целевого соотношения извести и кремнезема; вычисление концентрации дополнительных извести или кремнезема, необходимых в цементной смеси, чтобы сделать соотношение извести и кремнезема больше или равным целевому соотношению извести и кремнезема; и регулирование концентрации по меньшей мере одного из вяжущих компонентов таким образом, чтобы соотношение извести и кремнезема соответствовало или превышало целевое соотношение извести и кремнезема.

2. Способ по п. 1, дополнительно включающий: приготовление цементной композиции и предоставление возможности цементной композиции схватиться.

3. Способ по п. 2, дополнительно включающий введение цементной композиции в подземный пласт.

4. Способ по п. 3, где цементную композицию вводят в подземный пласт с использованием одного или большего количества насосов.

5. Способ по п. 2, где приготовление включает смешивание компонентов цементной композиции с использованием смесительного оборудования, при этом компоненты включают два или большее количество вяжущих компонентов и воду.

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, где вяжущие компоненты включают по меньшей мере один вяжущий компонент, выбранный из группы, состоящей из портландцемента, источников кремнезема, извести и их комбинаций.

7. Способ по п. 6, где вяжущие компоненты включают портландцемент в количестве от примерно 10% до примерно 50% по массе вяжущих компоненто, и/или где источники кремнезема включают по меньшей мере один источник, выбранный из группы, состоящей из летучей золы, кальцинированной глины, шлака, пыли кремнезема, кристаллического кремнезема, кремнеземной муки, пыли цементной печи, цеолита, золы сельскохозяйственных отходов, природных пуццоланов и их комбинаций.

8. Способ по любому из предшествующих пунктов, где цементная композиция дополнительно содержит одну или большее количество добавок, выбранных из группы, состоящей из утяжелителей, замедлителей, ускорителей, активаторов, добавок, регулирующих газовыделение, облегченных добавок, газообразующих добавок, добавок, улучшающих механические свойства, материалов для борьбы с поглощением, добавок для контроля фильтрации, добавок для контроля потерь жидкости, пеногасителей, пенообразователей, модификаторов времени перехода, диспергаторов, тиксотропных добавок, суспендирующих агентов и их комбинаций.

9. Способ по любому из предшествующих пунктов, где соотношение извести и кремнезема представляет собой массовое отношение извести к кремнезему и при этом массовое отношение извести к кремнезему составляет от примерно 10/90 до примерно 40/60.

10. Способ по любому из предшествующих пунктов, дополнительно включающий этап расчета зависящей от времени концентрации извести и кремнезема и выбора дополнительных вяжущих компонентов, которые должны быть включены в цементную смесь, при этом дополнительные вяжущие компоненты выбираются на основе скорости растворения для каждого из вяжущих компонентов.

11. Система для получения цементной композиции, содержащая: множество вяжущих компонентов; анализ на содержание оксидов, относящийся к каждому из вяжущих компонентов; и компьютерную систему, выполненную с возможностью приема ввода от пользователя и генерирования концентраций вяжущих компонентов для цементной композиции, причем компьютерная система выполнена с возможностью генерирования концентраций вяжущих компонентов на основе целевого соотношения извести и кремнезема и анализа на содержание оксидов для каждого из вяжущих компонентов.

12. Система по п. 11, где компьютерная система дополнительно выполнена с возможностью улучшения цементных композиций путем вычисления массового отношения извести к кремнезему и корректировки относительного количества каждого из вяжущих компонентов для достижения или превышения целевого соотношения извести и кремнезема.

13. Система по п. 11 или 12, дополнительно содержащая базу данных, причем база данных содержит информацию о вяжущих компонентах, стоимости, соответствующей каждому из вяжущих компонентов, и данные о растворении, соответствующие каждому из вяжущих компонентов.

14. Система по любому из пп. 11-13, где целевое соотношение извести и кремнезема определяется пользователем или автоматически выбирается компьютерной системой.