КАРТИРОВАНИЕ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ Российский патент 2020 года по МПК C09K8/467 E21B33/13 C04B28/02 C04B28/04 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] При цементировании скважин, таком как цементирование при строительстве и ремонте скважины, обычно используют цементирующие композиции. Цементирующие композиции могут использоваться в различных областях подземного применения. Например, при подземном строительстве скважин 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». При обычном способе первичного цементирования цементирующую композицию могут нагнетать в кольцевое пространство между стенками ствола скважины и внешней поверхностью расположенной в нем колонны труб. Цементирующая композиция может схватываться в кольцевом пространстве, таким образом, образуя кольцевой слой затвердевшего, по существу непроницаемого цемента (например, цементную оболочку), который может поддерживать и обеспечивать установку в заданное положение колонны труб в стволе скважины, и может сцеплять внешнюю поверхность колонны труб с подземным пластом. Кроме того, цементная оболочка, расположенная вокруг колонны труб, служит для предотвращения движения флюидов в кольцевом пространстве, а также для защиты колонны труб от коррозии. Цементирующая композиция также может использоваться в способах ремонтного цементирования, например, для герметизации трещин или отверстий в колоннах труб или цементных оболочках, для герметизации областей или трещин пластов с высокой проницаемостью, для размещения цементных пробок и т. п.

[0002] Приоритетной задачей в области цементирования скважин является создание цементирующей композиции с приемлемыми механическими свойствами, схватывающейся в пределах достаточного периода времени после размещения в подземном пласте. Часто проводят испытания нескольких цементирующих композиций с различными добавками, чтобы определить соответствуют ли они технологическим требованиям для конкретной скважины. Процесс выбора компонентов цементирующей композиции обычно выполняют с помощью метода «наилучшего предположения» путем использования ранее используемых буровых растворов и их модификаций до тех пор, пока не будет найдено удовлетворяющее решение. Данный процесс может занимать много времени, а полученный жидкий цементный раствор может оказаться дорогостоящим. Кроме того, компоненты цемента, доступные в любой конкретной местности, могут отличаться по составу от компонентов цемента в другой местности, таким образом затрудняя процесс выбора приемлемого цементного раствора.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0003] Данные графические материалы иллюстрируют определенные аспекты некоторых из вариантов реализации изобретения, и не предназначены для использования с целью ограничения или определения объема данного изобретения.

[0004] На Фиг. 1 проиллюстрирован график, отображающий результаты моделирования для вычислений индекса прочности при сжатии.

[0005] На Фиг. 2 проиллюстрирован график, отображающий результаты моделирования для вычислений индекса прочности при сжатии.

[0006] На Фиг. 3 проиллюстрирована структурная схема представленной в качестве примера системы для анализа компонентов цемента.

[0007] На Фиг. 4 проиллюстрирована структурная схема представленной в качестве примера системы для производства цементирующих композиций.

[0008] На Фиг. 5 представлена схема, иллюстрирующая введение цементирующей композиции в ствол скважины.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] Данное изобретение в основном может относиться к способам и системам цементирования. В данной заявке предложены способы, которые включают идентификацию и классификацию источников кремнезема, цементов и других материалов на основании физико–химических свойств. В некоторых примерах источники кремнезема могут рассматриваться как неорганические частицы. Неорганические частицы могут содержать или могут не содержать кремнезем и могут содержать другие минералы, такие как глинозем и другие оксиды. Физико–химические свойства каждого компонента цемента цементирующей композиции могут оказывать влияние на механические свойства при окончательном схватывании цементного раствора, а также на динамические или временные свойства, такие как смешиваемость, реология, вязкость и другие. Каждый компонент цемента может влиять на одно или большее количество указанных свойств, иногда непредсказуемо. Например, в цементирующую композицию может быть добавлена зола уноса, получаемая в пределах определенной местности. Добавленная зола уноса может увеличить прочность при сжатии цементирующей композиции, а может не оказывать никакого влияния, например, на время схватывания цементирующей композиции. В другой местности, получаемая в пределах определенной местности зола уноса может также увеличивать прочность при сжатии цементирующей композиции, но может также увеличивать время схватывания. Непредсказуемый характер изменения свойств цементирующей композиции не может быть учтен до тех пор, пока не будет выполнено множество лабораторных исследований.

[0010] Цементирующая композиция в основном может содержать воду и добавки к цементу. Добавка к цементу может включать два или более компонентов цемента, которые могут смешиваться в сухом виде, чтобы получить добавку к цементу до ее соединения с водой. В качестве альтернативного варианта, компоненты цемента могут не смешиваться до тех пор, пока не будут смешаны с водой. Компоненты цемента могут в основном характеризоваться как растворимые в щелочном растворе.

[0011] Компоненты цемента по своему характеру могут быть вяжущими. Цементирующая композиция может содержать воду и добавку к цементу, такую как, в частности, гидравлический цемент, цементная пыль, и/или природный пуццолан. Как более подробно описано в данной заявке, цементирующие композиции могут быть вспененными и/или расширяемыми в зависимости от требований специалистов в данной области техники.

[0012] Цементирующие композиции могут иметь плотность, подходящую для конкретного варианта применения. Цементирующие композиции могут иметь любую соответствующую плотность, включая, но не ограничиваясь этим, в диапазоне от около 1 г/см³ до около 1,9 г/см³ (от около 8 фунтов на галлон (“ppg, pounds per gallon”) до около 16 ppg). В примерах с использованием вспенивания цементирующие композиции могут иметь плотность в диапазоне от около 1г/см³ до около 1,6 г/см³ (от около 8 ppg до около 13 ppg) (или даже ниже).

[0013] Вода, используемая в цементирующих композициях, может включать, например, пресную воду, соленую воду (например, воду, содержащую одну или более растворенных в ней солей), рассол (например, насыщенную соленую воду, полученную из подземных пластов), морскую воду или их смеси. В основном, вода может быть получена из любого источника, гарантирующего, что она не содержит в избытке соединений, которые могут оказывать нежелательное влияние на другие компоненты в цементирующей композиции. Вода может добавляться в количестве, достаточном для образования цементного раствора, пригодного для перекачивания насосом. Вода может быть добавлена в цементирующую композицию в любом соответствующем диапазоне, включая, но не ограничиваясь этим, в диапазоне от около 40% до около 200% от содержания добавки по массе сухого цемента (“bwoc” – by weight of cement). В некоторых примерах вода может быть добавлена в количестве в диапазоне от около 40% до около 150% bwoc.

[0014] Добавка к цементу может содержать два или более компонента цемента. Один из компонентов цемента может содержать гидравлический цемент. Множество гидравлических цементов могут использоваться в соответствии с данным изобретением, включая, но не ограничиваясь этим, содержащие: кальций, алюминий, кремний, кислород, железо и/или серу, которые схватываются и затвердевают вследствие реакции с водой. Подходящие гидравлические цементы могут, в частности, включать, портландцементы, гипс и цементы с высоким содержанием глинозема. Портландцементы, которые подходят для использования в данном изобретении могут быть классифицированы как цементы классов A, C, G и H, в соответствии со Спецификацией API (Американского нефтяного института; American Petroleum Institute – API) для материалов и испытаний скважинных цементов, API Specification 10, Fifth Ed., July 1, 1990. Кроме того, в некоторых примерах, цемент, подходящий для использования в данном изобретении может быть классифицирован как тип I, II или III в соответствии с классификацией ASTM (Американского общества по испытаниям материалов). Цементирующие композиции, которые могут рассматриваться как «с низким содержанием портландцемента», могут быть разработаны с помощью технологий, описанных в данной заявке.

[0015] При наличии в определенной местности, гидравлический цемент, в основном, может входить в состав цементирующей композиции в количестве, достаточном для обеспечения требуемой прочности при сжатии, плотности и/или стоимости. Гидравлический цемент может присутствовать в цементирующей композиции в любом соответствующем количестве, включая, но не ограничиваясь этим, в диапазоне от около 0% до около 99% bwoc. В некоторых примерах гидравлический цемент может присутствовать в количестве, находящемся в количественном диапазоне между любым из и/или включающем любое из: около 1%, около 5%, около 10%, около 20%, около 40%, около 60%, около 80% или около 90% bwoc. Может использоваться цементирующая композиция, которая может рассматриваться как «с низким содержанием портландцемента», в которой портландцемент (если используется) может присутствовать в цементирующей композиции в количестве около 40% или меньше bwoc и, в качестве альтернативного варианта, около 10% или меньше. Кроме того, также могут быть разработаны цементирующие композиции, не содержащие (или по существу не содержащие) портландцемент. Специалисты в данной области техники, извлекающие пользу из данного изобретения, смогут выбрать количество гидравлического цемента, соответствующее конкретному варианту применения.

[0016] Наряду с портландцементом могут использоваться дополнительные компоненты цемента, которые могут рассматриваться как растворимые в щелочном растворе. Компонент цемента рассматривается как растворимый в щелочном растворе, причем он является по меньшей мере частично растворимым в водном растворе с pH 7,0 или выше. Некоторые растворимые в щелочном растворе компоненты цемента могут включать геополимерный цемент, который может содержать источник алюмосиликата, источник силиката металла и активатор. Геополимерный цемент может вступать в реакцию для образования геополимера. Геополимер является неорганическим полимером, который образует длинномерные, ковалентно связанные некристаллические сети. Геополимеры могут быть образованы путем растворения и последующей повторной конденсации различных алюмосиликатов и силикатов для образования трехмерной сети или трехмерного минерального полимера.

[0017] Активатор для геополимерного цемента может включать, но не ограничиваясь этим, хлористые соли гидроксидов металлов, такие как KCl, CaCl₂, NaCl, карбонаты, такие как Na₂CO₃, силикаты, такие как силикат натрия, алюминаты, такие как алюминат натрия и гидроокись аммония.

[0018] Источник алюмосиликата для геополимерного цемента может включать любой подходящий алюмосиликат. Алюмосиликат является минералом, содержащим алюминий, кремний и кислород, в комбинации с положительными противокатионами. Теоретически существуют сотни подходящих минералов, которые могут быть источником алюмосиликата, поскольку они могут содержать минералы алюмосиликатов. Каждый источник алюмосиликата может теоретически использоваться в частном случае, если могут быть известны конкретные свойства, такие как состав. Некоторые минералы, такие как андалузит, кианит и силлиманит являются природными источниками алюмосиликата, которые имеют один и тот же состав, Al₂SiO₅, но имеют различную кристаллическую структуру. Каждый минеральный андалузит, кианит или силлиманит может реагировать более или менее быстро и в различной степени при одной и той же температуре из–за различия в кристаллических структурах. Другие подходящие источники алюмосиликата могут включать, но не ограничиваются этим, кальцинированные глины, частично кальцинированные глины, каолинитовые глины, латеритовые глины, иллитовые глины, вулканические породы, шахтные отходы, доменный шлак и летучую золу угля.

[0019] Источник силиката металла может включать любой подходящий силикат металла. Силикат является соединением, содержащим соединение анионного кремния. Некоторые примеры силиката включают анион ортосиликата, также известный как анион тетраоксида кремния, SiO₄^4–, а также гексафторсиликат [SiF₆]^2–. Другие распространенные силикаты включают циклические и одноцепочечные силикаты, которые могут иметь общую формулу [SiO_2+n]^2n– и слоистые силикаты ([SiO_2,5]^–)_n. Каждый пример силиката может иметь один или более катионов металла, связанные с каждой молекулой силиката. Некоторые подходящие источники силикатов металла могут включать, без ограничений, силикат натрия, силикат магния и силикат калия

[0020] При наличии в определенной местности, геополимерный цемент, в основном, может входить в состав цементирующей композиции в количестве, достаточном для обеспечения требуемой прочности при сжатии, плотности и/или себестоимости. Геополимерный цемент может присутствовать в цементирующей композиции в любом соответствующем количестве, включая, но не ограничиваясь этим, в диапазоне от около 0% до около 99% bwoc. В некоторых примерах геополимерный цемент может присутствовать в количестве, находящемся в количественном диапазоне между любым из и/или включающем 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, извлекающие пользу из данного изобретения, смогут выбрать количество геополимерного цемента, соответствующее конкретному варианту применения.

[0021] Дополнительные компоненты цемента, которые являются растворимыми в щелочном растворе, могут рассматриваться как источник кремнезема. Как используется в данной заявке, слово кремнезем имеет простое и обычное значение диоксида кремния (SiO₂). При включении источника кремнезема, может быть использован другой способ получения продукта, аналогичного портландцементу. Например, может быть индуцирована пуццолановая реакция, в которой кремневая кислота (H₄SiO₄) вступает в реакцию с портландитом (Ca(OH)₂ для образования цементного продукта (гидросиликата кальция). Если другое соединение, такое как алюминат, присутствует в источнике кремнезема, могут происходить дополнительные реакции для образования дополнительных цементных продуктов, таких как гидроалюминаты кальция. Кроме того, глинозем может присутствовать в источнике кремнезема. Как используется в данной заявке, под словом глинозем понимают, что он имеет простое и обычное значение оксида алюминия (Al₂O₃). Гидроксид кальция, необходимый для реакции, может быть получен из других компонентов цемента, таких как портландцемент, или может быть отдельно добавлен к цементирующей композиции. Примеры подходящих источников кремнезема могут включать золу уноса, шлак, тонкий кремнеземный порошок, кристаллический кремнезем, тонкомолотый кремнеземный порошок, цементную пыль (cement kiln dust – “CKD”), вулканическую породу, перлит, метакаолин, диатомит, цеолит, глинистый сланец и, среди прочего, золу, полученную из отходов сельского хозяйства (например, золу из рисовой шелухи, золу из сахарного тростника и золу из выжимки сахарного тростника. Некоторые конкретные примеры источника кремнезема будут более подробно рассмотрены ниже. При наличии в определенной местности, источник кремнезема, в основном, может входить в состав цементирующей композиции в количестве, достаточном для обеспечения требуемой прочности при сжатии, плотности и/или стоимости. Источник кремнезема может присутствовать в цементирующей композиции в любом соответствующем количестве, включая, но не ограничиваясь этим, количество в диапазоне от около 0% до около 99% bwoc. В некоторых примерах источник кремнезема может присутствовать в количестве, находящемся в количественном диапазоне между любым из и/или включающем 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, извлекающие пользу из данного изобретения, смогут выбрать количество источника кремнезема, соответствующее конкретному варианту применения.

[0022] Также может присутствовать аморфный кремнезем. Аморфный кремнезем может препятствовать снижению прочности. Обычно, для аморфного кремнезема могут не потребоваться температуры выше 113 °С (235 °F), чтобы участвовать в гидратации цемента. Аморфный кремнезем может предохранять от снижения прочности и максимально увеличивать эффективность проектирования за счет исключения необходимости в многочисленных расчетах при различных температурах. В некоторых вариантах применения аморфный кремнезем может также заменить кристаллический кремнезем.

[0023] Пример подходящего источника кремнезема может включать золу уноса. Разнообразие золы уноса может быть подходящим, включая золу уноса, классифицированную как золу уноса класса C и класса F, в соответствии со Спецификацией API (Американского нефтяного института) для материалов и испытаний скважинных цементов, API Specification 10, Fifth Ed., July 1, 1990. Зола уноса класса C содержит как кремнезем, так и известь, следовательно, она может схватываться для образования затвердевшей массы после смешивания с водой. Зола уноса класса C, как правило, не содержит достаточного количества извести, чтобы индуцировать реакцию цементирования, по этой причине необходим дополнительный источник ионов кальция для цементирующей композиции с замедленными сроками схватывания, содержащей золу уноса класса F. В некоторых вариантах реализации изобретения известь может быть смешана с золой уноса класса F в количестве в диапазоне от около 0,1% до около 100% по массе золы уноса. В некоторых случаях известь может быть гидратированной известью. Подходящие примеры золы уноса включают, но не ограничиваются этим, добавку к цементу POZMIX^® A, доступную для приобретения у Halliburton Energy Services, Inc., Хьюстон, Техас.

[0024] Другой пример подходящего источника кремнезема может включать шлак. Шлак, обычно, является побочным продуктом при производстве различных металлов из их соответствующих рудных минералов. В качестве примера, при производстве чугуна может образовываться шлак, такой как гранулированный побочный продукт доменной печи со шлаком, в основном, содержащим окисленные примеси, находящиеся в железной руде. Шлак, в основном, не содержит достаточного количества сырья, следовательно, можно использовать шлаковый цемент, который дополнительно может содержать основу для производства схватывающегося состава, который может вступать в реакцию с водой для схватывания, чтобы образовать затвердевшую массу. Примеры подходящих источников основ включают, но не ограничиваются этим, гидроксид натрия, гидрокарбонат натрия, карбонат натрия, известь и их комбинации.

[0025] Другой пример подходящего источника основ может включать CKD. Цементная пыль или термин “CKD” (cement kin dust – CKD), используемый в данной заявке, относится к частично кальцинированному материалу, загружаемому в печь, который при производстве цемента удаляют из потока газа и собирают, например, в пылеуловителе. Обычно, большие количества CKD накапливаются при производстве цемента, которое обычно утилизируют как отходы. Утилизация CKD как отходов может увеличить нежелательные издержки при производстве цемента, а также вызвать экологические проблемы, связанные с ее утилизацией. CKD является еще одним компонентом, который может быть включен в цементирующие композиции.

[0026] Другой пример подходящего источника кремнезема может включать вулканическую породу. Некоторые вулканические породы могут иметь цементирующие свойства, благодаря которым они могут схватываться и затвердевать в присутствии гидратированной извести и воды. Вулканическая порода, например, может также быть размолота. В основном, вулканическая порода может содержать любое распределение частиц по размеру, как требуется для конкретного варианта применения. В некоторых вариантах реализации изобретения вулканическая порода может содержать частицы со средним размером в диапазоне от около 1 мкм до около 200 мкм. Средний размер частицы соответствует значениям d50, измеренным анализаторами размера частиц, например, производимыми Malvern Instruments, Вустершир, Великобритания. Специалист в данной области техники, извлекающий пользу из данного изобретения, сможет выбрать размер частиц для вулканической породы, соответствующий выбранному варианту применения.

[0027] Другой пример подходящего источника кремнезема может включать метакаолин. В основном, метакаолин является белым пуццоланом, который может быть очищен путем нагревания каолинитовой глины, например, до температуры в диапазоне от около 600°C до около 800 °C.

[0028] Другой пример подходящего источника кремнезема может включать глинистый сланец. Кроме того глинистый сланец, содержащийся в цементирующих композициях может вступать в реакцию с избыточной известью для образования подходящего цементирующего материала, например, гидросиликата кальция. Множество глинистых сланцев являются подходящими, включая содержащие кремний, алюминий, кальций и/или магний. Пример подходящего глинистого сланца включает остеклованный глинистый сланец. В основном, глинистый сланец может содержать любое распределение частиц по размеру, как требуется для конкретного варианта применения. В некоторых вариантах реализации изобретения глинистый сланец может содержать частицы с распределением частиц в диапазоне от около 37 мкм до около 4750 мкм.

[0029] Другой пример подходящего источника кремнезема может включать цеолит. Цеолиты, в основном, являются пористыми алюмосиликатными минералами, которые могут быть либо природными, либо синтетическими материалами. Синтетические цеолиты основываются на кристаллической решетке такого же типа, что и природные цеолиты, и могут содержать гидраты алюмосиликата. Как используется в данной заявке, термин «цеолит» относится ко всем природным и синтетическим формам цеолита. Примеры цеолитов могут включать, без ограничений, 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 обеспечивать дополнительные источники катионов для цементирующей композиции по мере растворения цеолитов.

[0030] Цементирующая композиция может дополнительно содержать гидратированную известь. В контексте данного документа, термин «гидратированная известь» будет пониматься как обозначающий гидроксид кальция. В некоторых примерах гидратированная известь может быть представлена негашеной известью (оксидом кальция), которая гасится при смешивании с водой для образования гидратированной извести. Гидратированная известь может быть включена в примеры цементирующих композиций, например, для образования гидравлической композиции с источником кремнезема. Например, гидратированная известь может быть включена с массовым соотношением источника кремнезема и гидратированной извести от около 10:1 до около 1:1 или соотношением от около 3:1 до около 5:1. При наличии в определенной местности, гидратированная известь может быть включена в цементирующую композицию, например, в количестве в диапазоне от около 10% до около 100% по массе источника кремнезема. В некоторых примерах гидратированная известь может присутствовать в количестве, находящемся в количественном диапазоне между любым из и/или включающем любое из: около 10%, около 20%, около 40%, около 60%, около 80% или около 100%, по массе источника кремнезема. Специалист в данной области техники, извлекающий пользу из данного изобретения, сможет определить соответствующее количество гидратированной извести для его включения в выбранный вариант применения.

[0031] В некоторых примерах цементирующие композиции могут содержать источник кальция, отличный от гидратированной извести. Обычно, кальций и высокий pH, например, pH 7,0 или выше, может понадобиться для того, чтобы происходили определенные реакции цементирования. Потенциальным преимуществом гидратированной извести может быть то, что ионы кальция и ионы гидроксида содержатся в той же молекуле. В другом примере источником кальция может быть Ca(NO₃)₂ или CaCl₂, при этом гидроксид содержится в виде, например, NaOH или KOH. Для специалиста будет очевидным, что альтернативный источник кальция и источник гидроксида могут быть включены в цементирующую композицию таким же образом как гидратированная известь. Например, источник кальция и источник гидроксида могут быть включены в источник кремнезема и гидратированной извести с массовым соотношением от около 10:1 до около 1:1 или соотношением от около 3:1 до около 5:1. При наличии в определенной местности, альтернативный источник кальция и источник гидроксида может быть включен в цементирующую композицию в количестве в диапазоне от около 10% до около 100% по массе источника кремнезема, например. В некоторых примерах альтернативный источник кальция и источник гидроксида может присутствовать в количестве, находящемся в количественном диапазоне между любым из и/или включающем любое из: около 10%, около 20%, около 40%, около 60%, около 80% или около 100%, по массе источника кремнезема. Специалист в данной области техники, извлекающий пользу из данного изобретения, сможет определить соответствующее количество альтернативного источника кальция и источника гидроксида для включения для выбранного варианта применения.

[0032] Может быть определено целевое соотношение кремнезема к извести и может быть идентифицирована добавка к цементу, содержащая два или более компонентов цемента, которые удовлетворяют соотношению кремнезема к извести. В некоторых примерах целевое соотношение кремнезема к извести может быть в диапазоне от около 80/20 по массе кремнезема к негашеной извести до 60/40 по массе кремнезема к негашеной извести, например, быть около 80/20 по массе кремнезема к негашеной извести, около 70/30 по массе кремнезема к негашеной извести или около 60/40 по массе кремнезема к негашеной извести. Соотношение кремнезема к извести может быть определено путем измерения свойств имеющегося в наличии кремнезема и извести для данного компонента цемента.

[0033] Другие добавки, подходящие для использования при операциях цементирования, также могут быть включены в состав в вариантах реализации цементирующих композиций. Примеры таких добавок включают, но не ограничиваются этим: утяжелители, замедлители, ускорители, активаторы, добавки для управления газовыделением, облегченные добавки, газообразующие добавки, добавки для улучшения механических свойств, материалы для борьбы с поглощением, добавки для регулирования фильтрации, добавки для снижения водоотдачи, пеногасители, пенообразователи, дисперганты, тиксотропные добавки, суспендирующие агенты и их комбинации. Специалист в данной области техники, извлекающий пользу из данного изобретения, сможет выбрать количество добавки, соответствующее конкретному варианту применения.

[0034] Как указано выше, чтобы определить, являются ли два или более из вышеупомянутых компонентов цемента совместимыми, может быть проведено несколько лабораторных испытаний. Кроме того, любые потенциальные синергетические эффекты компонента цемента могут быть неизвестны до тех пор, пока не будут выполнены несколько лабораторных испытаний. Чаще всего, известная цементирующая композиция может быть сначала составлена и испытана на такие свойства, как, например, прочность при сжатии через 24 часа, водоотдача и время схватывания. Затем различные количества добавок могут быть добавлены в свежую партию цементирующих композиций, и испытания проводятся повторно. Из каждого испытания собирают результаты и сравнивают. Затем можно провести новую последовательность испытаний с новыми концентрациями добавок, например, для корректировки свойств цементирующей композиции. Процесс испытания различных добавок в различных концентрациях может продолжаться в течение нескольких испытаний, пока не будет составлена приемлемая цементирующая композиция или композиции. Приемлемая цементирующая композиция может представлять собой композицию, которая удовлетворяет определенным проектным требованиям, таким как прочность при сжатии, водоотдача и время схватывания. Процесс разработки цементирующей композиции может быть выполнен эвристическим способом, приводящим к цементирующей композиции, которая может иметь требуемые технические свойства, но не может быть оптимизирована по себестоимости. Кроме того, источники кремнезема, такие как, например, CKD, использовались ранее либо в качестве чистых наполнителей, либо, в некоторых примерах, в качестве реакционноспособных компонентов, в композициях на основе портландцемента. CKD будет вносить часть кремнезема, для реакции которого требуется часть извести. В описанных выше способах составления цементирующей композиции эвристический процесс не учитывает соотношение кремнезема и извести в композиции.

[0035] Описанный в данной заявке способ может уменьшить степень использования или исключить эвристический поиск с помощью процесса, который идентифицирует добавку к цементу, посредством процесса измерения свойств и классификации различных компонентов цемента, называемого картирование реакционной способности. При картировании реакционной способности может генерироваться корреляция между свойствами неорганических частиц. Картирование реакционной способности может включать несколько этапов. Один этап может включать измерение физических и химических свойств различных материалов с помощью стандартных испытаний. Другой этап может включать классификацию материалов путем анализа собранных данных и прогнозируемого влияния на свойства цементного раствора. Еще один этап может включать использование данных для оценки реакционной способности материала, улучшения характеристик цемента, математического прогнозирования механических свойств смеси на основании результатов анализа и/или прогнозирования зависимости плотности цементного раствора от прочности при сжатии.

[0036] Измерение физических и химических свойств каждого выбранного компонента цемента может включать многие лабораторные методы и методики, включая, но не ограничиваясь этим: микроскопию, спектроскопию, дифракцию рентгеновских лучей, рентгеновскую флуоресценцию, анализ размера частиц, анализ водопотребности, сканирующую электронную микроскопию, энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию, площадь поверхности, фракционный анализ, термогравиметрический анализ, анализ морфологии, инфракрасную спектроскопию, спектроскопию в ультрафиолетовой и видимой области, масс–спектроскопию, масс–спектрометрию на вторичных ионах, масс–спектрометрию энергии электронов, рассеивающую рентгеновскую спектроскопию, электронную оже–спектроскопию, анализ индуктивно связанной плазмы, масс–спектроскопию с термической ионизацией, масс–спектроскопию с использованием тлеющего разряда, рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, испытания механических свойств, измерения модуля Юнга, реологических свойств, коэффициента Пуассона. Одно или более последующих испытаний могут рассматриваться как испытания API, как указано в методических рекомендациях API для испытания скважинных цементов (опубликовано как методическая рекомендация ANSI/API 10B–2). Для измерений могут также использоваться дополнительные испытания API, конкретно не перечисленные выше. Физические и химические свойства могут быть измерены для группы компонентов цемента. Два или более из измеренных компонентов цемента могут быть компонентами цемента различных типов (например, вулканическая порода, CKD, зола уноса и т. д.). Два или более компонента цемента могут быть одного и того же типа, но из разных источников (например, вулканическая порода из источника 1, вулканическая порода из источника 2 и т. д.).

[0037] Дифракция рентгеновских лучей на порошке является одним из методов анализа, который может использоваться для измерения физических и химических свойств компонентов цемента. Дифракция рентгеновских лучей на порошке представляет собой метод воздействия на образец рентгеновских лучей, нейтронов или электронов и измерения величины межатомной дифракции. Образец воздействует на дифракционную решетку таким образом, что под разными углами формируется различный сигнал. Типичными свойствами, которые могут быть измерены, являются идентификация фазы для идентификации и определения параметров кристаллического твердого вещества. Другими свойствами могут быть кристалличность, параметры решетки, тензоры расширения, модуль объемной деформации и фазовые переходы.

[0038] Рентгеновская флуоресценция является другим методом анализа, который может использоваться для измерения физических и химических свойств компонентов цемента. Рентгеновская флуоресценция может использовать коротковолновое рентгеновское излучение для ионизации атомов в образце, тем самым вызывая их флуоресценцию при определенных характерных длинах волн. Характерное излучение, испускаемое образцом, может позволить точно идентифицировать атомы компонента в образце, а также их относительные количества.

[0039] Анализ размера частиц является другим методом анализа, который может использоваться для измерения физических и химических свойств компонентов цемента. Анализ размера частиц может быть выполнен посредством анализа с использованием различных лабораторных методов, включая, но не ограничиваясь этим: лазерную дифракцию, динамическое рассеяние света, статический анализ изображения и динамический анализ изображения. Анализ размера частиц может также предоставить информацию о морфологии конкретного образца. Морфология может включать такие параметры, как сферичность и округлость, а также общую форму частицы, такую как диск, сфероид, лопасть или валик. Зная морфологию и размер частиц, можно оценить среднюю площадь поверхности и объем. Площадь поверхности и объем могут быть важны при определении водопотребности, а также реакционной способности. Обычно, частицы с относительно меньшим размером могут вступать в реакцию быстрее, чем частицы с относительно большим размером. Также частицы относительно меньшего размера могут иметь большую водопотребность для полной гидратации, чем частицы относительно большего размера.

[0040] Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия является другим методом анализа, который может использоваться для измерения физических и химических свойств производственных отходов. Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия является методом анализа, используемым для анализа элементов, присутствующих в образце, и определения химической характеристики образца. Другие методы могут включать инфракрасную спектроскопию с Фурье–преобразованием, спектроскопию в ультрафиолетовой и видимой области, масс–спектроскопию, масс–спектрометрию на вторичных ионах, масс–спектрометрию энергии электронов, рассеивающую рентгеновскую спектроскопию, электронную оже–спектроскопию, масс–спектрометрию с индуктивно связанной плазмой (ICP–MS), масс–спектроскопию с термической ионизацией, масс–спектроскопию с использованием тлеющего разряда и рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию.

[0041] Компоненты цемента могут быть проанализированы для определения их водопотребности. Водопотребность обычно определяется как количество воды для смешивания, которое требуется добавить в порошкообразный твердый материал для образования цементного раствора определенной консистенции. Водопотребность для конкретного цементного компонента может быть определена с помощью процесса, который включает: a) подготовку блендера Waring с определенным количеством воды, b) перемешивание воды при определенной скорости вращения блендера, c) добавление исследуемого порошкообразного твердого вещества в воду до достижения определенной консистенции и d) расчет водопотребности на основании соотношения воды и твердых веществ, необходимой для достижения требуемой консистенции.

[0042] Компоненты цемента могут быть проанализированы для определения их удельной площади поверхности. Удельная площадь поверхности обычно относится к общей площади поверхности и может быть представлена как общая площадь поверхности на единицу массы. Значения, полученные для удельной площади, зависят от метода анализа. Может использоваться любой подходящий метод анализа, включая, помимо прочего, методы, основанные на адсорбции, такие как анализ Брунауэра–Эммета–Теллера (BET, Brunauer–Emmett–Teller), окрашивание метиленовым синим, адсорбция моноэтилового эфира этиленгликоля и, в том числе, способ удержания белка.

[0043] Термогравиметрический анализ является другим методом анализа, который может использоваться для измерения физических и химических свойств компонентов цемента. Термогравиметрический анализ представляет собой метод термического анализа, при котором могут быть измерены изменения физических и химических свойств образца. Обычно, свойства могут быть измерены как функция повышения температуры, например, с постоянной скоростью нагрева, или как функция времени с постоянной температурой или постоянным изменением массы. Свойства, определенные с помощью термогравиметрического анализа, могут включать: фазовые переходы первого порядка и фазовые переходы второго порядка, такие как испарение, сублимация, адсорбция, десорбция, абсорбция, хемосорбция, десольватация, дегидратация, разложение, реакции окисления и восстановления, ферромагнитный переход, сверхпроводящий переход и другие.

[0044] В дополнение к определению физических и химических свойств самих компонентов цемента, могут также проводиться лабораторные испытания для определения характеристик компонентов цемента в цементирующей композиции. Например, компоненты цемента могут быть проанализированы в цементирующей композиции для определения их прочности при сжатии и механических свойств. Например, предварительно выбранное количество компонента цемента может быть объединено с водой и известью (если это необходимо для схватывания). Затем можно определить механические свойства цементирующей композиции, включая: прочность при сжатии, прочность при растяжении и модуль Юнга. Любое из множества различных условий может использоваться для испытания, если условия являются совместимыми для различных компонентов цемента.

[0045] Прочность при сжатии, как правило, является способностью материала или конструкции противостоять направленным в осевом направлении толкающим усилиям. Прочность при сжатии компонента цемента может быть измерена в определенное время после того, как компонент цемента был смешан с водой, и полученная цементирующая композиция поддерживается при определенных условиях температуры и давления. Например, прочность при сжатии может быть измерена за время в диапазоне от около 24 часов до около 48 часов (или дольше) после смешивания жидкости, причем жидкость поддерживается при температуре от 38 °C (100 °F) до около 93 °C (200 °F) при атмосферном давлении. Прочность при сжатии можно измерить с помощью разрушающего или неразрушающего метода. С помощью разрушающего метода физически проверяют прочность образцов состава для обработки в различные моменты времени, путем дробления образцов в машине для испытания на сжатие. Прочность при сжатии рассчитывают путем деления разрушающей нагрузки на площадь поперечного сечения, противостоящего нагрузке, и указывают в единицах фунт–силы на квадратный дюйм (psi) (с переводом в мегапаскали). При неразрушающих методах обычно могут использовать ультразвуковой анализатор цемента (“UCA”), доступный для приобретения у Fann^® Instrument Company, Хьюстон, Техас. Прочность при сжатии может быть определена в соответствии с API RP 10B–2, Recommended Practice for Testing Well Cements, первое издание, июль 2005 г.

[0046] Прочность при растяжении обычно является способностью материала противостоять нагрузкам, имеющим тенденцию к растяжению, в отличие от прочности при сжатии. Прочность при растяжении компонента цемента может быть измерена в определенное время после того, как компонент цемента был смешан с водой, и полученная цементирующая композиция выдерживается при определенных условиях температуры и давления. Например, прочность при растяжении может быть измерена в течение времени в диапазоне от около 24 часов до около 48 часов (или дольше) после смешивания жидкости, причем жидкость выдерживается при температуре от 38 °C (100 °F) до около 93 °C (200 °F) при атмосферном давлении. Прочность при растяжении может быть измерена с использованием любого подходящего метода, в том числе без ограничения в соответствии с методикой, описанной в ASTM C307. То есть, образцы могут быть приготовлены в брикетных формах и иметь вид галет для собак, с площадью поперечного сечения в середине 6,45 см² (один квадратный дюйм). Затем может быть приложено растягивающее усилие к удлиненным концам образцов до тех пор, пока образцы не разорвутся в центральной области. Растягивающее усилие в мегапаскалях (фунтах на квадратный дюйм), при котором образец разрывается, является прочностью при растяжении испытываемого материала.

[0047] Модуль Юнга, также называемый модулем упругости, является мерой отношения приложенного напряжения к результирующей деформации. Обычно, сильно деформируемый (пластичный) материал будет иметь более низкий модуль при увеличении ограниченного напряжения. Таким образом, модуль Юнга является константой упругости, которая отображает способность испытываемого материала выдерживать приложенные нагрузки. Ряд различных лабораторных методик может использоваться для измерения модуля Юнга состава для обработки, содержащего цементирующий компонент, после того, как составу для обработки дали затвердеть в течение периода времени при определенных условиях температуры и давления.

[0048] Хотя, могут быть упомянуты только некоторые выбранные лабораторные методы, следует понимать, что может существовать множество методов анализа, которые могут быть подходящими или не подходящими для определенного образца. Специалист в данной области техники, извлекающий пользу из данного изобретения, сможет выбрать соответствующий метод анализа для определения некоторого свойства, представляющего интерес.

[0049] После того, как методы анализа были применены к компонентам цемента, данные могут быть классифицированы и коррелированы. Некоторые категории могут включать, но не ограничиваются ими, удельную площадь поверхности, морфологию, удельную массу, водопотребность и т. д. В некоторых примерах компоненты могут быть классифицированы по относительным количествам, включая количество по меньшей мере одного из следующего: кремнезем, глинозем, железо, железо, кальций, кальций, натрий, калий, магний, сера, их оксиды и их комбинации. Например, компоненты могут быть классифицированы на основе анализа оксидов, который включает, без ограничения: содержание кремнезема, содержание оксида кальция и содержание глинозема, в том числе оксидов, которые могут присутствовать в компоненте цемента. Кроме того, корреляции между компонентами цемента могут быть получены на основании данных или классификации данных. Кроме того, корреляции могут быть определены или сгенерированы между свойствами компонентов цемента на основании данных. Например, различные классы свойств могут быть нанесены на график один напротив другого. В некоторых примерах на график может быть нанесена зависимость водопотребности от удельной площади поверхности. Соответственно, водопотребность компонента цемента может быть коррелированна с удельной площадью поверхности, так что удельная площадь поверхности является функцией водопотребности. Удельную площадь поверхности можно использовать для прогнозирования реакционной способности компонента цемента (или компонентов). Однако удельная площадь поверхности не всегда может быть доступна для каждого материала, так как для анализа удельной площади поверхности обычно требуется специальный прибор. Соответственно, если водопотребность может быть получена для цементного компонента, корреляция между водопотребностью и удельной площадью поверхности может использоваться для получения оценки для удельной площади поверхности, которая затем может использоваться для прогнозирования реакционной способности. В дополнение к корреляциям между удельной площадью поверхности и реакционной способностью, корреляции также могут быть установлены между удельной площадью поверхности и другими механическими свойствами, такими как прочность при растяжении и модуль Юнга.

[0050] Некоторые компоненты цемента, растворимые в щелочном растворе, могут содержать восстановленные или природные материалы. В частности, компоненты цемента, содержащие кремнезем, могут содержать материалы, такие как ископаемые материалы, например, вулканические породы, перлит, производственные отходы, такие как зола уноса и CKD, а также сельскохозяйственный пепел, как описано ранее. В некоторых примерах компонент цемента, растворимый в щелочном растворе, может вызывать синергетические эффекты с портландцементом, тогда как другие могут быть несовместимыми. В некоторых примерах компонент цемента, растворимый в щелочном растворе, может вызывать гелеобразование, высокое тепловыделение, водоудержание и другие эффекты. Эти и другие эффекты могут проявляться во время лабораторных испытаний компонента цемента в цементирующей композиции, содержащей портландцемент. Лабораторное оборудование может быть выполнено с возможностью обнаружения влияния компонента цемента на композицию. В некоторых примерах оборудование, такое как калориметр, может измерять и определять количество выделяемого тепла на единицу массы компонента цемента. Вискозиметры могут измерять увеличение гелеобразования, вызванное компонентом цемента. Каждый из физических эффектов, вызванных добавлением компонента цемента, может быть измерен при нескольких концентрациях и затем классифицирован, например, нанесен на график или картирован. После картирования компонента эффект добавления компонента в цементирующую композицию можно спрогнозировать, ссылаясь на классификацию.

[0051] Как отмечалось выше, некоторые цементные компоненты, растворимые в щелочном растворе, могут вызывать гелеобразование при их включении в цементирующую композицию. Хотя в некоторых примерах более высокая скорость гелеобразования может быть нежелательной, в других примерах более высокая скорость гелеобразования может быть предпочтительной или необходимой для соответствия критериям технического проектирования. Как правило, специалист в данной области техники выберет подходящий гелеобразующий агент или загуститель для использования в цементирующей композиции. Используя преимущества картирования, специалист в данной области сможет выбрать компонент цемента, растворимый в щелочном растворе, который может иметь двойное назначение. Например, компонент цемента может увеличить прочность при сжатии цементирующей композиции, но также увеличить гелеобразование во время смешивания. Если критерии технического проектирования требуют более высокого гелеобразования во время смешивания, может быть предпочтительным включить компонент цемента, который увеличивает прочность при сжатии и в то же время увеличивает гелеобразование. Включение компонента цемента, который проявляет множество эффектов, может уменьшить количество необходимых вспомогательных добавок, таких как гелеобразующие агенты или загустители, которые могут увеличивать себестоимость. Поскольку эффект гелеобразования компонента может быть задокументирован в таблице, количество компонента, включаемого в цементирующую композицию, может быть легко определено.

[0052] Другим потенциально полезным физическим эффектом, который может быть картирован, является диспергирующая способность. Некоторые компоненты цемента могут содержать относительно сферические частицы. Относительно сферические частицы могут обеспечивать эффект «подшипника качения» в цементирующей композиции с водой. Данный эффект может привести к тому, что другие компоненты в цементной композиции станут более подвижными, таким образом диспергируя компоненты в цементирующей композиции. Если размер частиц приблизительно равен 1/7^й или меньше, по сравнению с основным компонентом в цементном растворе, то кажущаяся вязкость может уменьшиться. Другим потенциально полезным физическим свойством, которое может быть картировано, является площадь поверхности. Площадь поверхности может относиться к плотности, при которой частица с относительно большей площадью поверхности может уменьшить плотность цементирующей композиции. Частицы, которые уменьшают плотность, можно использовать в качестве добавки с низкой плотностью. Другим потенциально полезным эффектом, который может быть картирован, является размер частицы. Компоненты с относительно меньшими размерами частиц могут обладать способностью образовывать фильтрационную корку напротив пласта, тем самым блокируя выброс цемента в пласт. Компоненты цемента с малым размером частиц могут быть использованы в качестве агента, снижающего водоотдачу. Используя преимущества данного изобретения, специалист в данной области сможет выбрать компонент цемента и сопоставить его свойства. Специалист в данной области также сможет выбрать вторичное свойство, представляющее интерес для компонента цемента, и с помощью таблицы создать цементный раствор с требуемыми свойствами.

[0053] Другим потенциальным преимуществом замены традиционных добавок к цементу компонентами цемента на основе кремнезема является снижение себестоимости. Как обсуждалось выше, компонент цемента на основе кремнезема может частично или полностью заменить относительно более дорогую добавку к цементу. Себестоимость цементирующей композиции может быть снижена путем уравновешивания необходимых технических параметров, таких как прочность при сжатии, способность к смешиванию, содержание свободной воды и другие, чтобы максимально увеличить количество относительно более дешевых компонентов цемента на основе кремнезема. Любое оставшееся отклонение от технических требований может быть «компенсировано» относительно более дорогой добавкой к цементу. Таким образом, стоимость цементирующей композиции может быть снижена до минимальной стоимости за фунт, поскольку технические требования удовлетворяются за счет смешивания в первую очередь компонентов с более низкой себестоимостью.

[0054] После того, как данные были собраны с помощью выбранных лабораторных методов, классифицированы и картированы, могут быть выполнены несколько операций с данными, чтобы получить прогнозы относительно цементирующей композиции, которая содержит картированные компоненты цемента. Например, могут оцениваться свойства схватывания. Ниже будет описан способ оценки реакционной способности материала на основе индекса реакционной способности. Реакционная способность материала может быть основана на многих параметрах, в том числе, таких как удельная площадь поверхности и удельную массу. Другое использование картированных данных может заключаться в улучшении характеристик цементного раствора на основе таких параметров, как форма частиц, размер частиц и реакционная способность частиц. Данные также могут быть использованы для прогнозирования и документирования зависимости плотности цементного раствора от прочности при сжатии и использования полученных данных для разработки улучшенных составов цемента. Данные также могут быть использованы для прогнозирования состава цементного раствора для достижения улучшенного состава цемента. Критериями целесообразности могут быть прочность при сжатии, себестоимость, реология, механические свойства, свойства водопоглощения, время схватывания и другие.

[0055] Картирование реакционной способности может использоваться для оценки различных механических свойств компонента цемента, включая прочность при сжатии, прочность при растяжении и модуль Юнга. Как описано выше, могут быть определены корреляции между удельной площадью поверхности и определенными механическими свойствами, такими как реакционная способность, прочность при растяжении и модуль Юнга. Используя данные корреляции, можно прогнозировать механические свойства компонента цемента или комбинации компонентов цемента.

[0056] Одним из методов, который может использоваться для корреляции реакционной способности и удельной площади поверхности, является индекс реактивности. Не ограничиваясь теорией, индекс реактивности компонента цемента может упоминаться как мера реактивности компонента цемента с поправкой на различия в площади поверхности. Важно отметить, что термин «компонент цемента» относится к любому материалу, который является цементирующим при смешивании с водой и/или известью и суспендирующим агентом, когда это необходимо, чтобы цементный раствор являлся стабильным. «Индекс цементирующей реактивности» CRI_i может быть определен, но не ограничиваясь этим, с помощью уравнения [1] следующим образом:

[1]

где:

CS_i – неограниченный ППС (предел прочности при сжатии), полученный из образцов, отвержденных при определенной эталонной температуре, давлении и в течение периода времени;

ρ _i – плотность суспензии, которая была приготовлена и отверждена для измерения ППС;

SSA_PSDi – удельная площадь поверхности, полученная с помощью обычных методов анализа размера частиц.

«Физико–химический индекс» (ФХИ) цементирующего компонента может быть определен, но не ограничиваясь этим, с помощью уравнения [2]:

где:

SA_i=площадь поверхности цементирующего компонента i,

SG_i=удельная масса цементирующего компонента i,

D ₅₀=средняя масса или объемный средний диаметр распределения размеров частиц цементирующего компонента i,

C_Si=массовая концентрация оксида кремния компонента i,

C_Ca=массовая концентрация оксида кальция компонента i,

С_Al=массовая концентрация оксида алюминия компонента i,

C_Na=массовая концентрация оксида натрия компонента i,

C_Fe=массовая концентрация оксида железа компонента i,

[0057] Следует отметить, что массовые концентрации, указанные выше и в данном параграфе, могут быть измерены, но не ограничиваются методом измерения с помощью рентгеновской флуоресцентной спектроскопии, и ссылка на «компонент i» эквивалентна «цементирующему компоненту i». Функции в уравнениях [1] и [2], которые определяют CRI_i и PCI_i, при правильном определении следующие универсальные соотношения могут иметь место для широкого спектра цементных материалов, таких как, но не ограничиваясь этим: портландцементы; зола уноса; другие пуццолановые материалы; другие золы; и т. п.

На Фиг. 1 проиллюстрирован график уравнения [1] в сравнении с уравнением [2] для реальных данных, иллюстрирующий точность уравнений [1], [2] и [3] применительно к пяти различным типам источников цементирующего материала и трем образцам аналогичных материалов, но из разных источников. Было установлено, что смоделированные данные имеют соотношение y=36,252×0^,2256, причем R²= 0,9406.

[0058] В некоторых примерах уравнение [3] может иметь степенную зависимость, например, как в уравнении 4:

где А и В являются коэффициентами, которые могут быть уникальными для различных образцов и источников выбранных цементирующих материалов. Как только обобщенная функция, определенная в уравнении [4], определена для данной совокупности или группы цементирующих компонентов, линейное или нелинейное соотношение суммирования, дополнительно определенное ниже, может использоваться в сочетании с уравнением [5] для прогнозирования ППС различных комбинаций цементирующих материалов для заданных плотностей цементного раствора, температур, давлений и времени отверждения:

где

CRI_с определяется как CRI для уникальной комбинации n цементных компонентов в качестве состава, и аналогично

PCI_с определяется как физико–химический индекс для состава.

Данный состав с массой m_c определяется как:

где f_i определяется как массовая доля цементирующего компонента i, а n является общим количеством независимых цементирующих компонентов. Как только функция определена в уравнении [5], тогда значение физико–химического индекса реактивности состава, может быть вычислено с использованием уравнения [7] следующим образом:

[0059] Где PCI_с определяется как общий химический индекс реактивности для смеси из n уникально независимых цементных компонентов, f_i определяется как массовая доля цементирующего компонента i, а n является общим количеством независимых цементирующих компонентов. Как только был определен PCI_с для конкретной предполагаемой смеси выбранных цементирующих компонентов, определяется линейная или нелинейная сумма (уравнения [8] и [9]) для следующих слагаемых:

и

PCI_с используется для вычисления значения CRI_С с помощью либо уравнения [5], либо более обобщенного вида уравнения [3] для слагаемых композиции. Как только CRI_С определяется для данной композиционной смеси, то значения состава ρ_с и SSA_PSDc могут использоваться вместе с уравнением [10] для прогнозирования фактической прочности при сжатии композиционной смеси, CS_с.

Экспериментальные данные, собранные для конкретных композиционных смесей, обобщены в приведенной ниже таблице:

Таблица 1

Массовые доли цементирующих компонентов Цементирующие компоненты Композиционная смесь 1 Композиционная смесь 2 Композиционная смесь 3 A 0,36 0,53 B 0,32 C 0,32 0,31 D 0,33 E 0,32 F 0,35 G 0,16 Всего 1,00 1,00 1,00

Важно отметить, что каждый из вышеупомянутых цементирующих компонентов был выбран либо из цементирующей композиции совершенно другого вида (типа), и/или из другого источника.

[0060] На Фиг. 2 проиллюстрирован другой график уравнения [1] в сравнении с уравнением [2] для реальных данных, отображающий точность уравнений [1], [2] и [3]. Уравнения с [1] по [10] могут также использоваться для прогнозирования других механических свойств, включая, но не ограничиваясь этим, модуль упругости Юнга и прочность при растяжении. Кроме того, следует отметить, что, хотя в предыдущем изложении был представлен метод «линейного суммирования», данное изобретение также включает другие методы, такие как метод нелинейного суммирования, представленный в уравнении [11].

Где ai являются показателями степени, которые определены для уникального набора цементирующих компонентов.

[0061] Далее будут обсуждаться дополнительные примеры, в которых используется индекс химической реактивности, водопотребность и другие параметры анализа. Может быть сформирована статистическая таблица, которая отображает индекс химической реактивности в зависимости от водопотребности. Пример представлен в таблице 2.

Таблица 2 – Индекс химической реактивности в зависимости от водопотребности

Водопотребность Высокая X1 X4, X5 X8 Средняя X2 X6 X9, X10 Низкая X3 X7 X11...Xn Низкая Средняя Высокая Индекс химической реактивности

Также могут быть использованы параметры анализа, такие как размер частиц в зависимости от индекса химической реактивности, тепловыделение в зависимости от индекса химической реактивности и другие. Сопоставляя индекс химической реактивности с параметром анализа, можно выбрать смесь компонентов, которая имеет минимальную себестоимость и улучшенный индекс химической реактивности, при этом все еще имея поддающийся смешиванию состав. В некоторых примерах выбранная цементирующая композиция может содержать слишком много свободной воды для надлежащего схватывания. В таких примерах для замены компонента в цементной композиции или дополнения цементной композиции может быть выбран компонент, имеющий высокое водопотребление. Выбранный компонент, имеющий высокое водопотребление, может быть выбран на основе индекса химической реактивности, чтобы обеспечивать достаточную реакционную способность общей смеси имеет. Цементирующая композиция, содержащая выбранный компонент цемента, может иметь меньшее количество свободной воды вследствие высокой водопотребности для компонента, а также может иметь такую же реакционную способность при выборе соответствующего индекса химической реактивности. Реакционная способность цементирующей композиции может быть скорректирована на основании выбора компонента цемента, имеющего требуемую реакционную способность. Компонент, имеющий высокую реакционную способность, может иметь меньшее время схватывания по сравнению с компонентом с низкой реакционной способностью.

[0062] На реакционную способность цементирующей композиции может влиять температура в стволе скважины. Если ствол скважины имеет относительно низкую температуру, около <65 °C (<150 °F) или менее, может потребоваться компонент, имеющий относительно более высокую реакционную способность, чтобы обеспечивать соответствующую прочность цементирующей композиции. В предыдущих цементирующих композициях для увеличения скорости реакции в скважине с относительно низкой температурой мог использоваться химический ускоритель. Для цементирующей композиции, содержащей компонент с относительно более высоким индексом химической реактивности, может не потребоваться ускоритель из–за высокой реакционной способности компонента. Для цементирующих композиций, содержащих компонент с высокой реакционной способностью, может не потребоваться ускоритель и, следовательно, они могут иметь более низкую общую себестоимость. Если ствол скважины имеет относительно высокую температуру, около >65 °C (>150 °F) или выше, может быть выбран цементный компонент с относительно низкой реакционной способностью. Выбор более низкой реакционной способности может быть предпочтительным, когда высокая температура ствола скважины может вызвать слишком быстрое схватывание цементирующей композиции. В предыдущих цементирующих композициях для снижения скорости реакции в скважине с относительно высокой температурой мог использоваться замедлитель схватывания цемента. При выборе компонента с относительно низкой реакционной способностью реакция схватывания цемента может быть замедлена без использования замедлителя. Выбор подходящего компонента цемента на основании реакционной способности может снизить себестоимость цементирующей композиции, устраняя или уменьшая потребность в ускорителях и замедлителях. Кроме того, комбинация компонентов цемента может смешиваться для контроля реакционной способности, например, путем добавления компонентов цемента с низкой, средней и высокой реакционной способностью, при этом может быть создана цементная композиция, которая имеет контролируемую реакционную способность для всего спектра температур ствола скважины. Специалист в данной области техники, извлекающий пользу из данного изобретения, сможет определить соответствующее количество и тип компонента цемента для его включения в выбранный вариант применения.

[0063] Другое применение вышеупомянутой статистической корреляции может заключаться в классификации компонентов цемента по себестоимости среди других факторов. В целом, реакционная способность цементирующей композиции может быть увеличена до максимума, чтобы обеспечить достижение достаточной прочности при сжатии цементирующей композиции, чтобы удовлетворить проектным требованиям для конкретной скважины. Если характеристики конкретной цементирующей композиции намного превышают технические требования, то может быть составлена альтернативная цементирующая композиция, содержащая потенциально менее дорогие компоненты. Следующие уравнения иллюстрируют схему улучшения состава цемента.

;

.

[0064] Используя все рассмотренные выше методы, можно рассчитать цементирующую композицию с минимальной себестоимостью и максимальной реакционной способностью. Первым этапом может быть идентификация технических требований конкретной скважины. Другим этапом может быть определение материально–производственных запасов, имеющихся в конкретном вахтовом поселке или на буровой площадке. Как упоминалось ранее, конкретная местность может иметь доступ только к определенному количеству или виду компонентов цемента. Некоторые из факторов, которые могут рассматриваться в дополнение к вышеупомянутым, включают стоимость реализованной продукции, объемную плотность и удельную массу для имеющихся и потенциальных материально–производственных запасов. Доступные компоненты цемента могут быть испытаны в лаборатории и классифицированы с использованием вышеописанных методов. Аналитическое исследование может включать различные вышеупомянутые методы анализа наряду с измерениями физико–химической реакционной способности, прочности при сжатии, модуля Юнга, водопотребности и других. Затем могут быть вычислены корреляции между показателями механических характеристик и аналитическими свойствами. Также может быть рассчитан индекс химической реактивности. Статистическая таблица индекса химической реактивности и водопотребности может быть рассчитана вместе с индексом химической реактивности в зависимости от других выбранных параметров анализа.

[0065] Может быть выбрано и протестировано первоначальное виртуальное проектирование, чтобы увидеть, соответствует ли оно функциональным требованиям, определенным техническими параметрами. Первоначальное виртуальное проектирование может быть основано на предыдущем проектировании, выбрано на основании практических испытаний или выбрано компьютером. Виртуальное проектирование может основываться, среди прочего, на химической реакционной способности компонентов цемента. Если виртуальное проектирование соответствует всем техническим параметрам, может быть рассчитан индекс себестоимости для композиции. Компоненты цементирующей композиции могут корректироваться итеративно до тех пор, пока не будет получена цементирующая композиция, имеющая максимальный индекс реактивности и сведенную до минимума себестоимость. В некоторых примерах для удовлетворения функциональных требований может понадобиться добавка для снижения водоотдачи, загуститель или другие добавки к цементу. Как было описано выше, количество цементных добавок, которые, возможно, понадобится добавить в цементирующую композицию, может быть сведено к минимуму путем выбора компонентов цемента, которые имеют присущие ему свойства, такие как, в частности, высокий индекс реактивности, низкое водопотребление, свойства снижения водоотдачи и дисперсионные свойства.

[0066] Как будет по достоинству оценено специалистами в данной области техники, цементирующие композиции, описанные в данной заявке, могут использоваться в различных областях подземного применения, включая первичное и ремонтное цементирование. Цементирующие композиции могут быть введены в подземный пласт и оставлены для схватывания. Как используется в данной заявке, введение цементирующей композиции в подземный пласт включает введение в любую часть подземного пласта, в ближнюю зону ствола скважины, окружающую ствол скважины, или одновременно в оба местоположения. Например, при первичном цементировании цементирующие композиции могут вводиться в кольцевое пространство между трубопроводом, расположенным в стволе скважины, и стенками ствола скважины (и/или трубопроводом большего размера в стволе скважины), причем ствол скважины проникает в подземный пласт. Цементирующая композиция может быть оставлена в кольцевом пространстве для образования кольцевого слоя затвердевшего цемента. Цементирующая композиция может образовывать барьер, который предотвращает движение флюидов в стволе скважины. Цементирующая композиция также может, например, поддерживать трубопровод в стволе скважины. В случае вариантов применения для ремонтного цементирования цементирующие композиции могут быть использованы, например, в закупоривающих операциях цементирования или при размещении цементных пробок. В качестве примера, цементирующие композиции могут быть помещены в ствол скважины для того, чтобы закрыть отверстие (например, полость или трещину) в пласте, в гравийной набивке, в трубопроводе, в цементной оболочке и/или между цементной оболочкой и каналом (например, микрозазор между обсадной колонной и цементным камнем).

[0067] Хотя данное описание относится к цементирующим композициям и компонентам цемента, следует понимать, что описанные в данной заявке способы можно использовать с любой подходящей композицией для обработки ствола скважины и соответствующими твердыми частицами, из которых цементирующие композиции и компоненты цемента являются одним из примеров. Дополнительные примеры композиций цементного раствора могут включать, в частности, буферные жидкости, буровые растворы, реагенты для очистки, реагенты для восстановления циркуляции и жидкости для гидроразрыва. Кроме того, хотя предшествующее описание описывает источники кремнезема, следует понимать, что данные способы могут использоваться для картирования других подходящих неорганических частиц.

[0068] Утверждение 1: Способ, включающий: анализ каждой группы неорганических частиц для генерирования данных о физических и/или химических свойствах неорганических частиц; генерирование корреляций между неорганическими частицами на основании данных.

[0069] Утверждение 2: Способ из утверждения 1, дополнительно включающий генерирование статистической таблицы, содержащей два или более различных параметров неорганических частиц.

[0070] Утверждение 3: Способ из утверждения 1, дополнительно включающий приготовление цементирующей композиции, содержащей неорганические частицы, и обеспечивающий схватывание цементирующей композиции в стволе скважины.

[0071] Утверждение 4: Способ из утверждения 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из неорганических частиц включает по меньшей мере одно из: кремнезем, глинозем, железо, оксид железа, кальций, оксид кальция, натрий, калий, магний, серу и их комбинации.

[0072] Утверждение 5: Способ из утверждения 1, отличающийся тем, что анализ неорганических частиц включает анализ с помощью одного или большего количества методов, выбранных из группы, состоящей из: микроскопии, спектроскопии, дифракции рентгеновских лучей, рентгеновской флуоресценции, анализа размера частиц, анализа водопотребности, сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, площади поверхности, фракционного анализа, термогравиметрического анализа, анализа морфологии, инфракрасной спектроскопии, спектроскопии в ультрафиолетовой и видимой области, масс–спектроскопии, масс–спектрометрии на вторичных ионах, масс–спектрометрии энергии электронов, рассеивающей рентгеновской спектроскопии, электронной оже–спектроскопии, анализа индуктивно связанной плазмы, масс–спектроскопии с термической ионизацией, масс–спектроскопии с использованием тлеющего разряда, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, испытаний механических свойств, измерения модуля Юнга, реологических свойств, коэффициента Пуассона, испытаний в соответствии с рекомендациями Американского нефтяного института (API) и их комбинации.

[0073] Утверждение 6: Способ из утверждения 1, отличающийся тем, что данные включают количество по меньшей мере компонента, выбранного из группы, состоящей из: кремнезема, глинозема, железа, кальция, натрия, калия, магния, серы, их оксидов и их комбинаций.

[0074] Утверждение 7: Способ из утверждения 1, отличающийся тем, что данные включают средний размер частиц, распределение размера частиц и морфологию для каждой из неорганических частиц.

[0075] Утверждение 8: Способ из утверждения 1, отличающийся тем, что данные включают удельную площадь поверхности для каждой из неорганических частиц.

[0076] Утверждение 9: Способ из утверждения 1, отличающийся тем, что корреляции включают по меньшей мере корреляцию удельной площади поверхности для каждого из компонентов цемента и водопотребности для каждой из неорганических частиц.

[0077] Утверждение 10: Способ из утверждения 1, дополнительно включающий идентификацию добавки к цементу, содержащей две или более неорганических частицы и прогнозирование одного или более механических свойств цементирующей композиции, содержащей добавку к цементу.

[0078] Утверждение 11: Способ из утверждения 1, дополнительно включающий идентификацию добавки к цементу, содержащей две или более неорганических частицы и оценку реакционной способности добавки к цементу.

[0079] Утверждение 12: Способ из утверждения 1, дополнительно включающий идентификацию добавки к цементу, содержащей две или более неорганических частиц, приготовление образцовой цементирующей композиции, содержащей добавку к цементу, испытание цементирующей композиции для определения одного или более эксплуатационных свойств.

[0080] Утверждение 13: Способ из утверждения 1, дополнительно включающий идентификацию добавки к цементу, содержащей две или более неорганических частицы, основанную по меньшей мере частично на корреляциях.

[0081] Утверждение 14: Способ из любого предшествующего утверждения, дополнительно включающий приготовление смеси состава для обработки ствола скважины, содержащего по меньшей мере одну из неорганических частиц, с использованием смесительного оборудования.

[0082] Утверждение 15: Способ из утверждения 14, дополнительно включающий введение состава для обработки ствола скважины в ствол скважины с использованием одного или более насосов.

[0083] Утверждение 16: Система, содержащая: множество неорганических частиц; аналитический прибор, выполненный с возможностью сбора физических и/или химических данных о неорганических частицах; компьютерную систему, выполненную с возможностью приема физических и/или химических данных, и/или генерирования корреляций между свойствами неорганических частиц на основании данных.

[0084] Утверждение 17: Система из утверждения 16, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из неорганических частиц включает по меньшей мере одно из: кремнезем, глинозем, железо, оксид железа, кальций, оксид кальция, натрий, калий, магний, серу и их комбинации.

[0085] Утверждение 18: Система из утверждения 16 или утверждения 17, отличающаяся тем, что аналитический прибор выполнен с возможностью выполнения одной или большего количества функций, выбранных из группы, состоящей из: микроскопии, спектроскопии, дифракции рентгеновских лучей, рентгеновской флуоресценции, анализа размера частиц, анализа водопотребности, сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, площади поверхности, фракционного анализа, термогравиметрического анализа, анализа морфологии, инфракрасной спектроскопии, спектроскопии в ультрафиолетовой и видимой области, масс–спектроскопии, масс–спектрометрии на вторичных ионах, масс–спектрометрии энергии электронов, рассеивающей рентгеновской спектроскопии, электронной оже–спектроскопии, анализа индуктивно связанной плазмы, масс–спектроскопии с термической ионизацией, масс–спектроскопии с использованием тлеющего разряда, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, испытаний механических свойств, измерения модуля Юнга, реологических свойств, коэффициента Пуассона, испытаний в соответствии с рекомендациями Американского нефтяного института (API) и их комбинации.

[0086] Утверждение 19: Система из любого из утверждений 16–18, отличающаяся тем, что компьютерная система дополнительно содержит алгоритм, выполненный с возможностью: анализировать физические и/или химические данные и выводить прогнозирующую модель; и сохранять прогнозирующую модель в базе данных прогнозирующей модели.

[0087] Утверждение 20: Система из утверждения 19, отличающаяся тем, что прогнозирующая модель включает модели эффекта, отличного от вклада в реакцию цементирования.

[0088] Утверждение 21: Система из утверждения 19, отличающаяся тем, что прогнозирующая модель включает корреляцию удельной площади поверхности и водопотребности по меньшей мере одной из неорганических частиц.

[0089] Утверждение 22: Система, содержащая: базу данных прогнозирующей модели, содержащую данные прогнозирующей модели, корреляции между свойствами и необработанные данные; базу данных материалов; компьютерную систему, выполненную с возможностью запрашивать базу данных прогнозирующей модели и базу данных материалов, и принимать входные данные от пользователя; и алгоритм, выполненный с возможностью генерирования рассчитанной цементирующей композиции.

[0090] Утверждение 23: Система из утверждения 22, отличающаяся тем, что алгоритм выполнен с возможностью улучшения рассчитанной цементирующей композиции посредством генерирования цементирующей композиции на основании запланированной себестоимости рассчитанной цементирующей композиции.

[0091] Утверждение 24: Система из утверждения 22 или 23, отличающаяся тем, что алгоритм выполнен с возможностью улучшения рассчитанной цементирующей композиции посредством выбора материалов из базы данных материалов.

[0092] Утверждение 25: Система из утверждений 22–24, отличающаяся тем, что алгоритм выполнен с возможностью: анализа входных данных от пользователя; анализа данных из базы данных прогнозирующей модели, причем данные содержат по меньшей мере данные прогнозирующей модели, корреляции и/или необработанные данные; и вывода данных рассчитанной цементирующей композиции.

[0093] Примеры способов, использования методов картирования реакционной способности теперь будут описаны более подробно со ссылкой на Фиг. 3. Проиллюстрирована система 300 для анализа компонента цемента. Система 300 может содержать образец 305 компонента цемента, аналитический прибор 310 и компьютерную систему 315. Образец 305 компонента цемента может быть любым интересующим компонентом цемента. Ранее описанный компонент цемента может быть, в основном, классифицирован как растворимый в щелочном растворе. Образец компонента цемента может помещаться или подаваться в аналитический прибор 310. В некоторых примерах аналитический прибор 310 может быть выполнен с возможностью автоматической подачи образца 305 компонента цемента в аналитический прибор 310. Аналитический прибор 310 может быть выполнен с возможностью анализа физических и химических свойств образца 305 компонента цемента. Как было ранее описано, физические и химические свойства могут включать, без ограничений, морфологию, химический состав, водопотребность и другие. Данные, генерируемые аналитическим прибором 310, могут быть переданы в компьютерную систему 315 для обработки. Компьютерная система 315 может содержать процессор, память, внутреннее запоминающее устройство, средства ввода и вывода, средства подключения к сети и/или другие компоненты, обычные для компьютерных систем. Компьютерная система 315 может принимать данные от аналитического прибора 310 как входные данные и сохранять их в запоминающем устройстве для дальнейшей обработки. Обработка данных может включать ввод данных в алгоритмы, которые вычисляют результат. Обработка данных может также включать упорядочение данных и картирование данных как описано выше. В частности, компьютерная система может содержать алгоритмы, выполненные с возможностью обработки данных для генерирования прогнозирующей модели физических и химических характеристик образца 305 компонента цемента. Прогнозирующие модели могут храниться в базе 320 данных прогнозирующей модели, которая может храниться локально или в сети. База 320 данных прогнозирующей модели может включать все предыдущие прогнозирующие модели, сгенерированные с помощью алгоритмов, а также таблиц сгенерированных данных, а также необработанных данных.

[0094] Со ссылкой на Фиг. 4 проиллюстрирована система 400 для генерирования цементирующей композиции. Система 400 может содержать базу 320 данных прогнозирующей модели и компьютерную систему 410. В некоторых примерах компьютерная система 410 может быть аналогичной компьютерной системе 315 на Фиг. 3. Ввод 420 данных пользователем может определять технологические показатели, такие как требуемая прочность при сжатии жидкого цементного раствора, статическая температура на забое ствола скважины, требуемые реологические свойства жидкого цементного раствора, время схватывания бурового раствора, материалы цемента, добавки к цементу, свободная жидкость, водопроницаемость, поровое давление, градиент давления при гидроразрыве, масса жидкого цементного раствора, плотность, кислотостойкость, солеустойчивость и другие параметры. Компьютерная система 410 может быть выполнена с возможностью ввода пользователем входных данных 420 и прогнозирующих моделей, таблиц и данных, хранящихся в базе 320 данных прогнозирующей модели в алгоритм прогнозирования цемента. Алгоритм прогнозирования цемента может генерировать цементирующую композицию или композиции, которые соответствуют технологическим требованиям, определенным вводом 420 пользователя. Выходные данные 430 алгоритма прогнозирования цемента могут содержать относительные количества каждого компонента цемента в сгенерированной цементирующей композиции, а также прогнозируемые свойства материала цементирующей композиции.

[0095] Например, если пользователь выбирает портландцемент, золу уноса и вулканическую породу в качестве доступных материалов цемента, компьютерная система может запросить в базе 320 данных прогнозирующей модели таблицы и данные, соответствующие материалам цемента для требуемых моделей. Как описано выше, существует множество различных параметров, таких как размер частицы, местный источник материала цемента, в том числе, который может определять, какой набор данных следует извлечь из базы 320 данных прогнозирующей модели. Алгоритм прогнозирования цемента может быть выполнен с возможностью улучшения выпускаемого цементного раствора на основании одного или большего количества параметров, таких как себестоимость, прочность при сжатии или любого другого выбранного параметра. В некоторых примерах алгоритм прогнозирования цемента может оптимизироваться по двум и более переменным. В данном контексте под оптимизацией не следует понимать достижение наилучшего результата, но скорее то, что алгоритм цемента выполнен с возможностью выполнения итерации над одной или более переменных. Выходные данные алгоритма в данном примере могут быть, например, 30% по массе портландцемента, 30% по массе вулканической породы, 20% по массе золы уноса и 20% по массе извести с 120% избытком по массе воды. Сгенерированный жидкий цементный раствор может находиться в соответствии пределов ошибки технологических показателей, получаемых с помощью ввода 420 пользователя. Сгенерированный жидкий цементный раствор может быть добавлен в базу 320 данных прогнозирующей модели для использования при последующих вычислениях.

[0096] Как обсуждалось выше, компоненты цемента могут оказывать вторичные эффекты, такие как гелеобразование, рассеивающие свойства, тепловыделение и другие вторичные эффекты, указанные выше в добавление к основному эффекту цементирования при введении в цементирующую композицию. Вторичные эффекты также могут быть полезными. Например, если для цементирующей композиции требуется загуститель, вместо использования отдельной добавки для схватывания цементирующей композиции может использоваться компонент цемента, который превращается в гель. Другие вторичные эффекты также могут быть использованы аналогичным образом. Алгоритм прогнозирования цемента может вычислять вторичные эффекты каждого компонента в цементном растворе и корректировать относительные количества каждого компонента для обеспечения соответствия целевым параметрам. Ввод 420 пользователя может определять, например, относительно более высокую потребность в избытке воды для жидкого цементного раствора. Алгоритм прогнозирования цемента может выбрать включение компонента цемента, для которого требуется меньше воды, на основании таблиц и данных, чтобы гарантировать, что удовлетворяется потребность в избытке воды, определенная с помощью ввода 420 пользователя.

[0097] Теперь со ссылкой на Фиг. 5, которая иллюстрирует использование цементирующей композиции 500. Цементирующая композиция 500 может содержать любой из компонентов, описанных в данной заявке. Цементирующая композиция 500 может быть разработана, например, с использованием картирования реакционной способности, как описано в данной заявке. Снова со ссылкой на Фиг. 5, цементирующая композиция 500 может быть помещена в подземный пласт 505 в соответствии с представленными в качестве примера системами, способами и цементирующими композициями. Как проиллюстрировано, в подземном пласте 505 может быть пробурен ствол 510 скважины. В то время как ствол 510 скважины проиллюстрирован как проходящий в основном вертикально в подземный пласт 505, принципы, описанные в данной заявке, также применимы к стволам скважин, которые проходят через подземный пласт 505 под углом, таким как горизонтальные и наклонные стволы скважин. Как проиллюстрировано, ствол 510 скважины содержит стенки 515. На иллюстрации кондукторная обсадная колонна 520 была вставлена в ствол 510 скважины. Кондукторная обсадная колонна 520 может быть закреплена с помощью цемента на стенках 515 ствола 510 скважины посредством цементной оболочки 525. На иллюстрации одна или большее количество обсадных труб (например, промежуточная обсадная колонна, эксплуатационная обсадная колонна, хвостовики и т. д.), проиллюстрированные на чертеже как обсадная колонна 530 могут также быть расположены в стволе 510 скважины. Как проиллюстрировано, между обсадной колонной 530 и стенками 515 ствола 510 скважины и кондукторной обсадной колонной 520 имеется кольцевое пространство 535. Один или более центраторов 540 обсадной колонны могут быть присоединены к обсадной колонне 530, например, для центрирования обсадной колонны 530 в стволе 510 скважины до и во время операции цементирования.

[0098] Далее со ссылкой на Фиг. 5, цементирующая композиция 500 может нагнетаться вниз по внутреннему пространству обсадной колонны 530. Цементирующая композиция 500 может обеспечивать протекание вниз по внутреннему пространству обсадной колонный 530 через башмак 545 обсадной колонны в нижнюю часть обсадной колонны 530 и вверх вокруг обсадной колонны 530 в кольцевое пространство 535 ствола скважины. Цементирующая композиция 500 может обеспечивать схватывание в кольцевом пространстве 535 ствола скважины, например, для образования цементной оболочки, которая поддерживает и устанавливает в требуемое положение обсадную колонну 530 в стволе 510 скважины. Хотя это не проиллюстрировано, для введения цементирующей композиции 500 могут также использоваться другие технологии. В качестве примера, могут использоваться технологии обратной циркуляции, которые включают введение цементирующей композиции 500 в подземный пласт 505 через кольцевое пространство 535 ствола скважины вместо введения через обсадную колонну 530. При введении цементирующая композиция 500 может вытеснять другие флюиды 550, такие как буровые растворы и/или буферные жидкости, которые могут находиться во внутреннем пространстве обсадной колонны 530 и/или кольцевом пространстве 535 ствола скважины. Хотя это не проиллюстрировано, по меньшей мере часть вытесняемых флюидов 550 может выходить из кольцевого пространства 535 ствола скважины через напорный трубопровод и отстаиваться, например, в одном или большем количестве сточных прудов. В ствол 510 скважины перед цементирующей композицией 500 может быть введена нижняя пробка 355, например, для отделения цементирующей композиции 500 от флюидов 550, которые могут быть внутри обсадной колонны 530 до цементирования. После того как нижняя пробка 555 достигает муфты 580 для подвешивания, мембрана или другое подходящее устройство должно разрушиться, чтобы обеспечить прохождение цементирующей композиции 500 через нижнюю пробку 555. Нижняя пробка 555 показана на муфте 580 для подвешивания. На иллюстрации верхняя пробка 560 может быть введена в ствол 510 скважины за цементирующей композицией 500. Верхняя пробка 360 может отделять цементирующую композицию 500 от вытесняющего флюида 565, а также проталкивать цементирующую композицию 500 через нижнюю пробку 555.

[0099] Описанные цементирующие композиции и связанные с ними способы могут оказывать прямое или косвенное влияние на любые насосные системы, к которым обычно относятся трубопроводы, магистрали, автоцистерны, трубчатые элементы и/или трубы, которые могут быть присоединены к насосу и/или насосным системам, и могут использоваться для транспортировки в виде текучей среды цементирующей композиции вниз по стволу скважины, любые насосы, компрессоры или электродвигатели (например, расположенные на поверхности или в скважине), используемые для приведения цементирующих композиций в движение, любые клапаны или связанные с ними соединения, используемые для регулирования давления или скорости потока цементирующих композиций, и любые датчики (например, давления, температуры, скорости потока и т. д.), зонды и/или их комбинации и т. п. Цементирующие композиции могут также оказывать прямое или косвенное влияние на любые смесительные бункеры и сточные пруды и их многообразные вариации.

[00100] Следует понимать, что хотя композиции и способы описаны с помощью терминов «содержащий», «содержащий в себе» или «включающий» различные компоненты или этапы, композиции и способы могут также «состоять по существу из» или «состоять из» различных компонентов и этапов. Кроме того, использование в формуле изобретения в данной заявке определения в единственном числе не исключает возможности наличия одного или более определяемых объектов.

[00101] Для краткости изложения в данной заявке явно описаны только определенные диапазоны. Однако диапазоны от любого нижнего предела могут быть объединены с любым верхним пределом, чтобы указывать диапазон, не указанный явно, а также диапазоны от любого нижнего предела могут быть объединены с любым другим нижним пределом, чтобы указывать диапазон, не указанный явно, подобным образом, диапазоны от любого верхнего предела могут быть объединены с любым другим верхним пределом, чтобы указывать диапазон, не указанный явно. Кроме того, всякий раз, когда описывается числовой диапазон с нижним пределом и верхним пределом, любое число и любой включенный диапазон, попадающие в этот диапазон, описываются конкретно. В частности, каждый диапазон значений (в виде «от около a до около b», или, что то же самое, «от приблизительно a до b», или, что то же самое, «от приблизительно a–b»), описанный в данной заявке следует понимать как указывающий каждое число и диапазон значений, даже если они не указаны явно. Таким образом, каждая точка или отдельное значение может служить в качестве своего нижнего или верхнего предела, объединенного с любой другой точкой или отдельным значением или любым другим нижним или верхним пределом, чтобы указать диапазон, не указанный явно.

[00102] Следовательно, данное изобретение хорошо адаптировано для достижения упомянутых целей и преимуществ, а также тех, которые ему присущи. Конкретные примеры, описанные выше, являются только иллюстративными, поскольку данное изобретение можно модифицировать и применять на практике различными, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области техники, пользующихся преимуществами идей, приведенных в данной заявке. Хотя обсуждаются отдельные примеры, изобретение охватывает все комбинации всех этих примеров. Кроме того, ни одно из ограничений не предназначено для деталей конструкции или конструкций, описанных в данной заявке, кроме тех, что описаны в приведенной ниже формуле изобретения. Кроме того, термины в формуле изобретения имеют свое простое, обычное значение, если иное явно и четко не определено патентообладателем. Следовательно, очевидно, что описанные выше конкретные иллюстративные примеры могут быть изменены или модифицированы, и все такие вариации рассматриваются в рамках объема и сущности данного изобретения. Если существует какое–либо противоречие в использовании слова или термина в данном описании и одном или более патентах или других документах, которые могут быть включены в данную заявку посредством ссылки, должны быть приняты определения, которые согласуются с данным описанием.

Изобретение относится к области цементирования скважин. Способ определения реакционной способности неорганических частиц цементирующей композиции, включающий: анализ каждой группы неорганических частиц для генерирования данных о физических и/или химических свойствах неорганических частиц и генерирование корреляций между неорганическими частицами на основании данных. Также описаны система для определения реакционной способности неорганических частиц цементирующей композиции и система для генерирования цементирующей композиции. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 ил.

1. Способ определения реакционной способности неорганических частиц цементирующей композиции, включающий:

анализ каждой группы неорганических частиц для генерирования данных о физических и/или химических свойствах неорганических частиц; и

генерирование корреляций между неорганическими частицами на основании данных.

2. Способ по п. 1, дополнительно включающий генерирование статистической таблицы, содержащей два или более различных параметров неорганических частиц.

3. Способ по п. 1 или 2, дополнительно включающий приготовление цементирующей композиции, содержащей неорганические частицы, и обеспечивающий схватывание цементирующей композиции в стволе скважины,

и, необязательно, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из неорганических частиц включает по меньшей мере одно из: кремнезем, глинозем, железо, оксид железа, кальций, оксид кальция, натрий, калий, магний, серу и их комбинации.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что анализ неорганических частиц включает анализ с помощью одного или большего количества методов, выбранных из группы, состоящей из: микроскопии, спектроскопии, дифракции рентгеновских лучей, рентгеновской флуоресценции, анализа размера частиц, анализа водопотребности, сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, площади поверхности, фракционного анализа, термогравиметрического анализа, анализа морфологии, инфракрасной спектроскопии, спектроскопии в ультрафиолетовой и видимой области, масс–спектроскопии, масс–спектрометрии на вторичных ионах, масс–спектрометрии энергии электронов, рассеивающей рентгеновской спектроскопии, электронной оже–спектроскопии, анализа индуктивно связанной плазмы, масс–спектроскопии с термической ионизацией, масс–спектроскопии с использованием тлеющего разряда, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, испытаний механических свойств, измерения модуля Юнга, реологических свойств, коэффициента Пуассона, испытаний в соответствии с рекомендациями Американского нефтяного института (API) и их комбинаций.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что данные включают количество по меньшей мере компонента, выбранного из группы, состоящей из: кремнезема, глинозема, железа, кальция, натрия, калия, магния, серы, их оксидов и их комбинаций,

и/или отличающийся тем, что данные включают средний размер частиц, распределение размера частиц и морфологию для каждой из неорганических частиц, и/или отличающийся тем, что данные включают удельную площадь поверхности для каждой из неорганических частиц.

6. Способ по пп. 1-5, отличающийся тем, что корреляции включают по меньшей мере корреляцию удельной площади поверхности для каждой из неорганических частиц и водопотребности для каждой из неорганических частиц.

7. Способ по любому из пп. 1-6, дополнительно включающий идентификацию добавки к цементу, содержащей две или более неорганических частицы и прогнозирование одного или более механических свойств цементирующей композиции, содержащей добавку к цементу,

и/или оценку реакционной способности добавки к цементу,

и/или приготовление образцовой цементирующей композиции, содержащей добавку к цементу, испытание цементирующей композиции для определения одного или большего количества эксплуатационных свойств,

и/или дополнительно включающий идентификацию добавки к цементу, содержащей две или более неорганических частицы, основанную по меньшей мере частично на корреляциях.

8. Способ по любому из пп. 1-7, дополнительно включающий приготовление смеси состава для обработки ствола скважины, содержащего по меньшей мере одну из неорганических частиц, с использованием смесительного оборудования,

и, необязательно, дополнительно включающий введение состава для обработки ствола скважины в ствол скважины с использованием одного или большего количества насосов.

9. Система для определения реакционной способности неорганических частиц цементирующей композиции, содержащая:

аналитический прибор, выполненный с возможностью приема множества неорганических частиц, и сбора физических и/или химических данных о неорганических частицах; и

компьютерную систему, выполненную с возможностью приема физических и/или химических данных и/или генерирования корреляций между свойствами неорганических частиц на основании данных.

10. Система по п. 9, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из неорганических частиц включает по меньшей мере одно из: кремнезем, глинозем, железо, оксид железа, кальций, оксид кальция, натрий, калий, магний, серу и их комбинации.

11. Система по п. 9 или 10, отличающаяся тем, что аналитический прибор выполнен с возможностью выполнения одной или более функций, выбранных из группы, состоящей из: микроскопии, спектроскопии, дифракции рентгеновских лучей, рентгеновской флуоресценции, анализа размера частиц, анализа водопотребности, сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, площади поверхности, фракционного анализа, термогравиметрического анализа, анализа морфологии, инфракрасной спектроскопии, спектроскопии в ультрафиолетовой и видимой области, масс–спектроскопии, масс–спектрометрии на вторичных ионах, масс–спектрометрии энергии электронов, рассеивающей рентгеновской спектроскопии, электронной оже–спектроскопии, анализа индуктивно связанной плазмы, масс–спектроскопии с термической ионизацией, масс–спектроскопии с использованием тлеющего разряда, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, испытаний механических свойств, измерения модуля Юнга, реологических свойств, коэффициента Пуассона, испытаний в соответствии с рекомендациями Американского нефтяного института (API) и их комбинаций.

12. Система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что компьютерная система дополнительно содержит алгоритм, выполненный с возможностью:

анализировать физические и/или химические данные и выводить прогнозирующую модель; и

сохранять прогнозирующую модель в базе данных прогнозирующей модели,

и, необязательно, отличающаяся тем, что прогнозирующая модель включает модели эффекта, отличного от вклада в реакцию цементирования,

и, необязательно, отличающаяся тем, что прогнозирующая модель включает корреляцию удельной площади поверхности и водопотребности по меньшей мере одной из неорганических частиц.

13. Система для генерирования цементирующей композиции, содержащая:

базу данных прогнозирующей модели, содержащую данные прогнозирующей модели, корреляции между свойствами и необработанные данные;

базу данных материалов;

компьютерную систему, выполненную с возможностью запрашивать базу данных прогнозирующей модели и базу данных материалов, и принимать входные данные от пользователя; и

алгоритм, выполненный с возможностью генерирования рассчитанной цементирующей композиции.

14. Система по п. 13, отличающаяся тем, что алгоритм выполнен с возможностью улучшения рассчитанной цементирующей композиции посредством генерирования цементирующей композиции на основании запланированной себестоимости рассчитанной цементирующей композиции,

и/или отличающаяся тем, что алгоритм выполнен с возможностью улучшения рассчитанной цементирующей композиции посредством выбора материалов из базы данных материалов.

15. Система по п. 13 или 14, отличающаяся тем, что алгоритм выполнен с возможностью:

анализа входных данных от пользователя;

анализа данных из базы данных прогнозирующей модели, причем данные содержат по меньшей мере данные прогнозирующей модели, корреляции и/или необработанные данные; и

вывода данных рассчитанной цементирующей композиции.