СПОСОБ СОСТАВЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ НА СЖАТИЕ ДЛЯ ЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА Российский патент 2022 года по МПК C09K8/467 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[001] При цементировании скважин, например цементировании во время строительства скважин и ремонтном цементировании, обычно применяют цементные композиции. Цементные растворы можно использовать в разнообразных областях подземного применения. Например, при строительстве подземной скважины колонну труб (например, обсадную колонну, хвостовики, расширяемые трубные элементы и т.д.) могут спускать в ствол скважины и цементировать на месте. Процесс цементирования колонны труб на месте обычно называют «первичным цементированием». В типичном способе первичного цементирования цементный раствор могут закачивать в кольцевое пространство между стенками ствола скважины и наружной поверхностью расположенной в нем колонны труб. Цементный раствор может схватываться в кольцевом пространстве, тем самым образуя кольцевую оболочку из затвердевшего, по существу непроницаемого цемента (т.е. цементную оболочку), которая может поддерживать и позиционировать колонну труб в стволе скважины и может связывать наружную поверхность колонны труб с подземным пластом. Среди прочего, цементная оболочка, окружающая колонну труб, предназначена для предотвращения миграции флюидов в кольцевом пространстве, а также защиты колонны труб от коррозии. Цементные растворы также можно использовать в способах ремонтного цементирования, например, для герметизации трещин или отверстий в колоннах труб или цементных оболочках, для герметизации высокопроницаемых зон или трещин пласта, для размещения цементной пробки и т.п.

[002] Особой проблемой при цементировании скважин является достижение удовлетворительных механических свойств цементного раствора в течение разумного периода времени после размещения в подземном пласте. Часто испытывают несколько цементных растворов с различными добавками, чтобы убедиться, что они соответствуют требованиям материаловедения для конкретной скважины. Процесс выбора компонентов цементного раствора обычно осуществляется методом наилучшего предположения, используя предшествующие растворы и модифицируя их до тех пор, пока не будет достигнуто удовлетворительное решение. Данный процесс может занять много времени, а полученный в результате раствор может быть сложным. Кроме того, цементные компоненты, доступные в любом одном конкретном регионе, могут отличаться по раствору от компонентов в другом регионе, что еще больше усложняет процесс выбора надлежащего раствора.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[003] Данные графические материалы иллюстрируют определенные аспекты некоторых вариантов реализации настоящего изобретения и не должны использоваться для ограничения или определения настоящего изобретения.

[004] На фиг. 1 проиллюстрировано испытание прочности на сжатие для различных типов цемента от разных производителей и регионов.

[005] На фиг. 2 проиллюстрированы результаты испытания прочности на сжатие.

[006] На фиг. 3 проиллюстрированы результаты испытания прочности на сжатие.

[007] На фиг. 4 проиллюстрирована прогнозируемая энергию активации по сравнению с наблюдаемой энергией активации.

[008] На фиг. 5 проиллюстрирована кривая нарастания прочности на сжатие для цементного раствора портландцемента.

[009] На фиг. 6 проиллюстрирован график прочности на сжатие для модели Вейбулла прочности на сжатие.

[0010] На фиг. 7 проиллюстрировано введение цементного раствора в ствол скважины.

[0011] На фиг. 8 представлено схематическое изображение примера системы обработки информации.

[0012] На фиг. 9 проиллюстрированы дополнительные детали системы обработки информации.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0013] Настоящее изобретение может в целом относиться к способам и системам цементирования. Более конкретно, варианты реализации могут относиться к составлению цементных растворов на основании по меньшей мере частично моделирования прочности на сжатие.

[0014] Одним из распространенных типов цемента, используемого при цементировании ствола скважины и цементирования на поверхности, является портландцемент. Могут быть доступны несколько классов и типов портландцемента, которые используют для выбора цемента. Международная организация по стандартизации ASTM определила пять типов портландцемента, обозначенных как типы I-V. ASTM определяет каждый класс на основании нескольких факторов, включая, но не ограничиваясь ими, тонкость или средний размер частиц и химический состав. Американский институт нефти (API; American Petroleum Institute) публикует стандарты для портландцемента в Спецификации API 10А, в которой перечислены классы портландцемента, такие как класс А, класс В, класс С, класс G и класс Н. Первым шагом в составлении цементного раствора может быть выбор типа портландцемента, будь то класса API или типа ASTM, для включения в цементный раствор. Хотя класс или тип портландцемента может дать специалисту в данной области техники информацию о некоторых свойствах портландцемента, широкая доступность портландцемента и распределение его эксплуатационных характеристик делают класс или тип несоответствующим показателем фактических характеристик. Как будет проиллюстрировано в данном документе, различия портландцемента в зависимости от региона и производителя могут сделать выбор на основании типа или класса неточным показателем фактических характеристик. Это может привести к разработке и испытанию большого количества составов растворов до того, как будет найден подходящий раствор для конкретного применения.

[0015] В данном документе представлены способы, которые могут включать в себя составление цементных растворов, в дальнейшем в данном документе называемых цементными растворами, с использованием модели прочности на сжатие портландцемента. Модель прочности на сжатие может включать в себя временные и температурные зависимости прочности на сжатие и может быть применима к цементным растворам, содержащим только портландцемент, также называемым чистой композицией портландцемента, а также к цементным растворам со сниженным содержанием портландцемента, таким как эти растворы, которые содержат другие вяжущие компоненты в дополнение к портландцементу. Способы могут позволить специалисту в данной области техники, пользующемуся преимуществом данного изобретения, составлять цементные растворы, содержащие портландцемент, со сниженным числом итераций для получения цементного раствора с требуемыми механическими свойствами для конкретного применения. Представленные в данном документе способы могут иметь преимущество перед традиционными процессами составления цементного раствора методом проб и ошибок, поскольку метод проб и ошибок, хотя в целом и эффективен при поиске подходящего для работы цементного раствора, может быть неэффективным и трудоемким и может приводить к получению цементного раствора, обладающего определенными нежелательными характеристиками. Некоторые нежелательные характеристики могут включать в себя количество компонентов в цементном растворе, концентрации компонентов в цементном растворе, чрезмерную прочность на сжатие, превышающую технические требования, сложность цементного раствора и другие характеристики, легко распознаваемые специалистами в данной области техники. Дальнейшее использование описанных в данном документе способов и систем может заключаться в автоматизации составления цементного раствора для ствола скважины.

[0016] На фиг. 1 проиллюстрировано испытание прочности при сжатии для различных типов цемента разных производителей и регионов, включая портландцемент класса А, портландцемент класса С, портландцемент класса G, портландцемент класса Н, облегченный цемент, портландцемент типа I/II, портландцемент типа II/V и портландцемент типа III. На фиг. 1 горизонтальная ось представляет собой тип цемента, вертикальная ось представляет собой прочность на сжатие в фунтах на квадратный дюйм (фунт/кв. дюйм), а каждая точка на горизонтальной линии представляет собой раствор, приготовленный с типом цемента, указанным на горизонтальной оси, от различных производителей. Цементные растворы были приготовлены и отверждены при 60°С (140°F) в течение 7 дней и подвергнуты испытанию на прочность при неограниченном сжатии. На фиг. 1 видно, что отсутствует корреляция между прочностью на сжатие, которой достигает чистый раствор портландцемента, и классом/типом портландцемента, использованного для приготовления раствора.

[0017] Прочность на сжатие цементного раствора может коррелировать с соотношением массы воды к массе вяжущего материала (w/c). В общем, цементные растворы двух пробных смесей, смешанные с неодинаковым количеством воды, могут иметь различную конечную прочность на сжатие. Цементный раствор, приготовленный с относительно большим количеством воды или более высоким соотношением w/c, может иметь более низкую конечную прочность на сжатие, чем цементный раствор, приготовленный с относительно меньшим количеством воды или более низким соотношением w/c. Отношение между прочностью на сжатие и соотношением w/c может быть описано законом Абрамса в уравнении 1. В качестве альтернативы, уравнение 1 можно переписать в логарифмической форме, например как в уравнении 2. Константы А и В могут варьироваться в зависимости от типа вяжущего материала. Константы для летучей золы могут не совпадать с константами, связанными с портландцементом. Кроме того, константы А и В также могут варьироваться в зависимости от источника вяжущего материала, поскольку отдельные производственные процессы могут приводить к изменениям минералогического состава вяжущих материалов. Для природных или добываемых материалов, таких как природное стекло, региональные различия могут быть связаны с различными шахтами или природным источником материалов.

[0018] Уравнение 1 можно использовать для прогнозирования прочности на сжатие растворов портландцемента, а также цементов, не содержащих портландцемент. Уравнения 1 и 2 также можно использовать для цементов, таких как пуццолановые цементы, алюминатные цементы, геополимерные цементы и т.д. Уравнения 1 и 2 также можно использовать для смесей вяжущих материалов, таких как портландцемент и второй вяжущий материал, если известно взаимодействие между константами А и В для портландцемента и константами А и В для второго вяжущего материала.

[0019] Чтобы продемонстрировать различия между различными источниками вяжущих материалов и проверить целесообразность уравнения 1 для вяжущих материалов, была проведена серия испытаний прочности на сжатие с использованием различных вяжущих материалов от разных производителей. Цементные растворы были приготовлены с 11 различными вяжущими материалами и различными отношениями воды к цементу. Каждый из растворов содержал только один вяжущий материал и воду. Отношение воды к цементу варьировалось от 0,5 до 1,5. Каждый из растворов выдерживался при 60°С (140°F) в течение 7 дней. Для каждого затвердевшего цементного раствора было проведено испытание прочности на сжатие, результаты которого проиллюстрированы на фиг. 2. Результаты испытания на сжатие на фиг. 2 показывают, что логарифмически линейная зависимость между прочностью на сжатие и отношением w/c, по-видимому, сохраняется для испытанных значений w/c от 0,5 до 1,5. Можно сделать вывод, что прочность на сжатие экспоненциально зависит от массового отношения воды к вяжущему материалу.

[0020] Вторая серия испытаний прочности на сжатие была проведена с использованием смесей вяжущих материалов и воды. Смеси вяжущих материалов были приготовлены путем выбора вяжущих материалов из группы летучей золы портландцемента, микрокремнезема и цементной пыли в различных массовых отношениях. Растворы были приготовлены с каждой из смесей вяжущих материалов. Отношение воды к цементу варьировалось от 0,5 до 1,5 с одним вяжущим материалом и водой. Каждый из растворов выдерживался при 60°С (140°F) в течение 7 дней. Для каждого затвердевшего цементного раствора было проведено испытание прочности на сжатие, результаты которого проиллюстрированы на фиг. 3. Результаты испытания на сжатие на фиг. 3 показывают, что логарифмически линейная зависимость между прочностью на сжатие и соотношением w/c, по-видимому, сохраняется для смесей вяжущих материалов, испытанных при значениях w/c от 0,5 до 1,5. Можно сделать вывод, что прочность на сжатие также экспоненциально зависит от массового отношения воды к вяжущему материалу для смесей вяжущих материалов.

[0021] Режим степенной зависимости отношения воды к цементу по прочности на сжатие может быть аппроксимировано с помощью экспоненциального уравнения. Уравнение 3 представляет собой модель, которая может аппроксимировать режим цементного раствора как функцию CS₀, w/c и константы n. Уравнение 3 может прогнозировать предельную прочность на сжатие цементного раствора. В качестве альтернативы, уравнение 3 можно переписать как уравнение 4. CS₀ представляет собой прочность на сжатие, полученную при смешивании воды и цемента в равных массовых пропорциях (w/c=1), а n представляет собой функцию различных факторов, таких как, включая, но не ограничиваясь ими, время отверждения, температуру отверждения, раствор сухой цементной смеси и другие факторы. Из результатов можно заметить, что значение n может составлять порядка около -2,5 для различных вяжущих систем. Цемент с отношением воды к цементу представляет собой любой вяжущий материал, такой как летучая зола, цементная пыль, портландцемент, природное стекло и другие вяжущие материалы, которые могут присутствовать в цементном растворе. Отношение воды к цементу w/c также можно рассчитать на основании плотности раствора (ρ_s), плотности сухой смеси (ρ_D) и плотности воды (ρ_w), как показано в уравнении 5.

[0022] Уравнения 2 и 5 могут быть объединены с образованием уравнения 6, а уравнения 5 и 4 могут быть объединены с образованием уравнения 7. Уравнения 6 и 7 можно использовать для прогнозирования прочности на сжатие для любых известных значений А и В.

[0023] Обобщенная корреляция для 7-дневной прочности на сжатие, также известной как предельная прочность на сжатие, может быть записана, как в уравнении 8.

В уравнении 8 CS(7-дневная) представляет собой прочность на сжатие цементного раствора в течение 7 дней, WR - потребность в воде компонентов цемента в цементном растворе, SG - удельный вес компонентов цемента в цементном растворе, размер частиц - размер частиц компонентов цемента в цементном растворе, BET - удельную поверхность по методу Брунауэра-Эммета-Теллера компонентов цемента в цементном растворе, SSA - удельную площадь поверхности компонентов цемента в цементном растворе, C₂S - концентрацию двухкальциевого силиката компонентов цемента в цементном растворе, C₃S -концентрацию трехкальциевого силиката компонентов цемента в цементном растворе, C₄AF - концентрацию тетракальцийалюмоферрита компонентов цемента в цементном растворе, С₃А - концентрацию трехкальциевого алюмината компонентов цемента в цементном растворе, CaSO₄ - концентрацию сульфата кальция компонентов цемента в цементном растворе, а гипс - концентрацию гипса цементных компонентов в цементном растворе. Использование уравнения 8 с уравнением 3 позволяет прогнозировать 7-дневную прочность для любого чистого раствора портландцемента. На фиг. 3 представлен график, иллюстрирующий прогнозируемую и наблюдаемую 7-дневную прочность на сжатие для чистых растворов портландцемента.

[0024] В результате гидратации портландцемента выделяется энергия в виде тепла. Выделяющееся тепло может повысить температуру раствора портландцемента, что, в свою очередь, может ускорить реакции гидратации в растворе портландцемента. Было проведено исследование, чтобы охарактеризовать калориметрические эффекты гидратации цемента среди цементов от нескольких производителей. В таблице 1 представлены результаты физико-химического анализа испытанных цементов.

Энергия активации каждого из портландцементов в таблице 1 была получена из данных калориметрии. Результаты калориметрических испытаний представлены в таблице 2.

Данные из таблиц 1 и 2 были подогнаны к кривой, и было выведено выражение, связывающее энергию активации с характеристиками материала. Уравнение 9 показывает результаты подбора кривой.

В более общем виде энергию активации можно выразить в виде уравнения 10.

На фиг. 4 проиллюстрирована прогнозируемая энергия активации из уравнения 9 в зависимости от наблюдаемой энергии активации.

[0025] Растворы портландцемента обычно не обладают линейной прочностью на сжатие. На фиг.5 проиллюстрирована типичная кривая нарастания прочности на сжатие для цементного раствора портландцемента. Во временном нарастания прочности на сжатие обычно выделяют три зоны. На фиг. 5 начальная зона 505, также называемая индукционной зоной, представляет собой зону, в которой прочность на сжатие нарастает минимально. Время индукции может представлять собой функцию состава и плотности. Быстрая зона 510 представляет собой место, где происходит начальное быстрое нарастание прочности. Долговременная зона 515 представляет собой место, где происходит долгосрочное медленное нарастание прочности. Режим прочности на сжатие в быстрой зоне 510 и долговременной зоне 515 может быть описан функцией Вейбулла в уравнении 11.

В уравнении 11 CS представляет собой прочность на сжатие цементного раствора, CS_U - предельную прочность на сжатие, t - прошедшее время, λ - масштабный параметр функции Вейбулла, а к - параметр формы функции Вейбулла. На фиг. 6 показаны результаты последовательного применения двух функций Вейбулла для трех цементных растворов и нормализации прочности в течение 7 дней. Временные промежутки индукции и параметры Вейбулла перечислены в таблице 3. Параметры Вейбулла в таблице 3 могут отличаться для цементов от разных производителей или из разных регионов. Специалист в данной области техники, воспользовавшись данным изобретением, сможет определить параметры Вейбулла для любого цемента.

[0026] В некоторых примерах для описания нарастания прочности на сжатие можно использовать более чем одну функцию Вейбулла. Например, две, три или более последовательных функций Вейбулла можно использовать для описания нарастания прочности на сжатие растворов портландцемента. Уравнение 11 также может быть модифицировано для учета температурной зависимости нарастания прочности на сжатие в уравнении 12. В уравнении 12 λ₀ представляет собой начальный масштабный параметр, а λ(Т) - зависящий от температуры масштабный параметр, представленный уравнением 13. Е_а представляет собой энергию активации, которую можно определить с помощью уравнений 9 или 10, R - газовую константу, Т_эт - эталонную температуру, а Т - температуру.

[0027] Уравнения 3, 8, 10, 11, 12 и 13, а также параметры в таблице 3 позволяют спрогнозировать нарастание прочности на сжатие для любого чистого раствора портландцемента как функции времени и температуры. Уравнение 14 представляет собой комбинацию ранее описанных уравнений, которые можно использовать для прогнозирования нарастания прочности на сжатие раствора портландцемента как функции времени и температуры.

В уравнении 14 CS₀ представляет собой прочность на сжатие при отношении воды к цементу, составляющем 1, w - массовую долю воды, С₀ - массовую долю портландцемента, n - константу, которая может иметь значение около -2,5, t - время, t_инд - время индукции, K₁ и К₂ - параметр формы или константу скорости, - масштабный параметр или параметр временного масштаба, а λ(Т) - поправочный коэффициент временного масштаба для температурной зависимости, рассчитываемый по уравнению 13. Вышеупомянутые уравнения могут быть расширены на любой интервал времени.

[0028] Хотя в данном документе были проиллюстрированы только некоторые модели прочности на сжатие, специалисты в данной области техники, пользуясь преимуществом данного изобретения, смогут вывести другие формы описанных в данном документе уравнений без отклонения от данного изобретения. Кроме того, описанные в данном документе методы и уравнения могут также применяться к модельным цементным растворам, которые содержат восстановленный портландцемент, таким как растворы, которые содержат другие вяжущие компоненты в дополнение к портландцементу.

[0029] Способ составления цементного раствора может включать в себя получение образцов вяжущих материалов, которые могут быть включены в цементный раствор, и физико-химические характеристики вяжущих материалов для определения минералогического состава, площади поверхности, удельной площади поверхности, размера частиц и другие аспекты, хорошо известные в данной области техники. Температура и давление в скважине могут быть обеспечены каротажными диаграммами ствола скважины, полученным при измерениях, проведенных во время бурения, или методами каротажа в необсаженном стволе. Каротажные диаграммы ствола скважины могут обеспечить данные, на основании которых могут быть получены требования к прочности на сжатие, а также временные и температурные воздействия на нарастание прочности на сжатие цементного раствора. Состав цемента может включать в себя обозначение и количество компонентов для приготовления цементного раствора. Для состава цемента предельную прочность можно прогнозировать с помощью уравнения 8 и уравнения 3, а энергию активации можно прогнозировать с помощью уравнений 9 и 10. Параметры Вейбулла могут быть определены для каждого из вяжущих компонентов в составе цементного раствора, если они еще не известны, и после этого изменение прочности на сжатие, зависящее от времени, может быть оценено с помощью уравнений 12 и 13. Модель может быть создана на основании состава цемента и проанализирована. Затем цементный раствор может быть приготовлен согласно указанному составу, если этап анализа модели соответствует параметру. Результаты каждого из вычислений можно ввести в уравнение 14, и нарастание прочности на сжатие можно оценить по плотности, температуре и времени. Если нарастание прочности на сжатие соответствует установленным ранее требованиям или превышает их, цементный раствор может быть приготовлен и испытан для проверки соответствия состава цемента всем требованиям. Если состав цемента не соответствует установленным требованиям, раствор может быть отрегулирован, например, путем увеличения плотности за счет уменьшения массовой доли воды или включения замедлителей схватывания цемента или ускорителей схватывания цемента. Затем можно приготовить отрегулированный раствор и проверить соответствие отрегулированного раствора всем требованиям. Если цементный раствор соответствует требованиям, цементный раствор может быть выбран для приготовления и закачки в подземный пласт.

[0030] Описанные в данном документе цементные растворы могут содержать воду и по меньшей мере один цементный компонент. Цементные растворы могут иметь плотность, подходящую для конкретного применения. Цементные растворы могут иметь любую подходящую плотность, включая, но не ограничиваясь этим, в диапазоне от около 959 кг/м³ (8 фунтов на галлон (фунтов/галлон)) до около 2397 кг/м³ (20 фунтов/галлон). Вода, используемая в цементных растворах, может включать в себя, например, пресную воду, соленую воду (например, воду, содержащую одну или более растворенных в ней солей), насыщенный минеральный раствор (например, насыщенную соленую воду, полученную из подземных пластов), морскую воду или их комбинации. Обычно вода может быть из любого источника при условии, что она не содержит избытка соединений, которые могут нежелательно повлиять на другие компоненты цементного раствора. Вода может быть включена в количестве, достаточном для образования перекачиваемого раствора. Вода может быть включена в цементные растворы в любом подходящем диапазоне, включая, но не ограничиваясь этим, в диапазоне от около 40 мас. % до около 200 мас. % цементного компонента или компонентов («bwoc»). Термин «по массе цемента» относится к общей массе всех цементных компонентов, включенных в цементный раствор. В некоторых примерах вода может быть включена в количестве в диапазоне от около 40% до около 150% bwoc.

[0031] Цементный раствор может содержать гидравлический цемент. В соответствии с настоящим изобретением можно использовать различные гидравлические цементы, включая, но не ограничиваясь ими, те, которые содержат кальций, алюминий, кремний, кислород, железо и/или серу, которые схватываются и затвердевают в результате реакции с водой. Подходящие гидравлические цементы могут включать в себя, среди прочего, портландцементы, природный гипс и глиноземистые цементы. Портландцементы могут быть классифицированы как цементы классов А, С, G и Н в соответствии со Спецификацией API для материалов и испытаний скважинных цементов Американского института нефти (API; American Petroleum Institute), API Specification 10, Fifth Ed., July 1, 1990. Кроме того, в некоторых примерах подходящие для использования цементы могут быть классифицированы как тип I, II или III согласно ASTM. При наличии гидравлический цемент обычно может быть включен в цементные растворы в количестве, достаточном для обеспечения требуемой прочности на сжатие и/или плотности. Гидравлический цемент может присутствовать в цементных растворах в любом подходящем количестве, включая, но не ограничиваясь этим, в диапазоне от около 0% до около 99% bwoc. В некоторых примерах гидравлический цемент может присутствовать в количестве в диапазоне между любым и/или включая любое из следующих значений: около 1%, около 5%, около 10%, около 20%, около 40%, около 60%, около 80% или около 90% bwoc. Кроме того, также могут быть составлены цементные растворы, не содержащие (или по существу не содержащие) портландцемент. Специалисты в данной области техники, воспользовавшись данным изобретением, смогут выбрать подходящее количество гидравлического цемента для конкретного применения.

[0032] Цементный раствор может содержать геополимерный цемент, который может содержать источник алюмосиликата, источник силиката металла и активатор. Геополимерный цемент может вступать в реакцию с образованием геополимера. Геополимер представляет собой неорганический полимер, который образует ковалентно связанные некристаллические сетки с длинными цепями. Геополимеры могут быть образованы путем химического растворения и последующей повторной конденсации различных алюмосиликатов и силикатов с образованием трехмерной сетки или трехмерного минерального полимера. Активатор для геополимерного цемента может включать в себя, но не ограничиваться ими, гидроксиды металлов, хлористые соли, такие как KCl, CaCl₂, NaCl, карбонаты, такие как Na2CO₃, силикаты, такие как силикат натрия, алюминаты, такие как алюминат натрия, и гидроксид аммония. Источник алюмосиликата для геополимерного цемента может включать в себя любой подходящий алюмосиликат. Алюмосиликат представляет собой минерал, включающий алюминий, кремний и кислород, а также противокатионы. Источником алюмосиликата могут быть самые различные подходящие минералы, поскольку они могут содержать алюмосиликатные минералы. Источник силиката металла может содержать любой подходящий силикат металла. Силикат представляет собой соединение, содержащее анионное соединение кремния. Некоторые примеры силиката включают в себя ортосиликатный анион, также известный как анион тетроксида кремния, SiO₄^4-, а также гексафторосиликат [SiF₆]^2-. Другие распространенные силикаты включают в себя циклические и одноцепочечные силикаты, которые могут иметь общую формулу [SiO_2+n]²ⁿ, и листоформовочные силикаты ([SiO_2.5]^-)_n. Каждый пример силиката может иметь один или более катионов металлов, связанных с каждой молекулой силиката. Некоторые подходящие источники силикатов металлов могут включать в себя, без ограничения, силикат натрия, силикат магния и силикат калия. При наличии геополимерный цемент обычно может быть включен в цементные растворы в количестве, достаточном для обеспечения требуемой прочности на сжатие и/или плотности. Геополимерный цемент может присутствовать в цементных растворах в любом подходящем количестве, включая, но не ограничиваясь этим, количество в диапазоне от около 0% до около 99% bwoc. В некоторых примерах геополимерный цемент может присутствовать в количестве в диапазоне между любым и/или включая любое из следующих значений: около 1%, около 5%, около 10%, около 20%, около 40%, около 60%, около 80% или около 90% bwoc. Специалист в данной области техники, воспользовавшись данным изобретением, сможет выбрать подходящее количество геополимерного цемента для конкретного применения.

[0033] Цементные растворы могут включать источник кремнезема. Кремнезем также может называться диоксидом кремния (SiO₂). За счет включения источника кремнезема можно использовать другой подход для получения продукта, аналогичного продукту, получаемому из портландцемента. Например, может быть вызвана пуццолановая реакция, при которой в реакцию вступают кремниевая кислота (H₄SiO₄) и портландит (Са(ОН)₂) с образованием цементного продукта (гидросиликата кальция). Если в источнике кремнезема присутствуют другие соединения, такие как алюминат, могут происходить дополнительные реакции с образованием дополнительных цементных продуктов, таких как гидроалюминаты кальция. Кроме того, в источнике кремнезема может присутствовать глинозем (оксид алюминия Al₂O₃). Гидроксид кальция, необходимый для реакции, может быть получен из других компонентов цемента, таких как портландцемент, или может быть добавлен отдельно к цементному раствору. Примеры подходящих источников кремнезема могут включать в себя, среди прочего, летучую золу, шлак, микрокремнезем, кристаллический кремнезем, кремнеземную муку, цементную пыль (CKD; cement kiln dust), вулканическая порода, метакаолин, диатомовую землю, цеолит, сланцевую глину и золу сельскохозяйственных отходов (например, золу рисовой шелухи, золу сахарного тростника и золу жома). При наличии источник кремнезема обычно может быть включен в цементные растворы в количестве, достаточном для обеспечения требуемой прочности на сжатие и/или плотности. Источник кремнезема может присутствовать в цементных растворах в любом подходящем 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 в диапазоне между любым и/или включая любое из следующих значений: около 1%, около 5%, около 10%, около 20%, около 40%, около 60%, около 80% или около 90% bwoc. Специалисты в данной области техники, воспользовавшись данным изобретением, смогут выбрать подходящее количество источника кремнезема для конкретного применения.

[0034] Цементные растворы могут дополнительно содержать шлак. Шлак обычно представляет собой побочный продукт при производстве различных металлов из соответствующих руд. Например, при производстве чугуна можно получить шлак в виде гранулированного побочного продукта доменной печи, причем шлак обычно содержит окисленные примеси, находящиеся в железной руде. Шлак обычно не содержит достаточного количества основного материала, поэтому можно использовать шлаковый цемент, который дополнительно может содержать основание для получения схватывающейся композиции, которая может вступать в реакцию с водой со схватыванием и последующим образованием затвердевшей массы. Примеры подходящих источников оснований включают в себя, но не ограничиваются ими, гидроксид натрия, бикарбонат натрия, карбонат натрия, известь и их комбинации. Шлак может присутствовать в цементных растворах в любом подходящем количестве, включая, но не ограничиваясь этим, количество в диапазоне от около 0% до около 99% bwoc. В некоторых примерах шлак может присутствовать в количестве в диапазоне между любым и/или включая любое из следующих значений: около 1%, около 5%, около 10%, около 20%, около 40%, около 60%, около 80% или около 90% bwoc. Специалисты в данной области техники, воспользовавшись данным изобретением, смогут выбрать подходящее количество шлака для конкретного применения.

[0035] Цементные растворы могут содержать цементную пыль или «CKD». «CKD» относится к частично кальцинированному, загружаемому в печь материалу, который удаляют из газового потока и собирают, например, в пылеуловителе во время производства цемента. Обычно при производстве цемента собираются большие количества CKD, которые обычно утилизируются как отходы. Утилизация CKD в виде отходов может создавать дополнительные нежелательные сложности при производстве цемента, а также экологические проблемы, связанные с ее утилизацией. CKD может присутствовать в цементных растворах в любом подходящем количестве, включая, но не ограничиваясь этим, количество в диапазоне от около 0% до около 99% bwoc. В некоторых примерах CKD может присутствовать в количестве в диапазоне между любым и/или включая любое из следующих значений: около 1%, около 5%, около 10%, около 20%, около 40%, около 60%, около 80% или около 90% bwoc. Специалисты в данной области техники, воспользовавшись данным изобретением, смогут выбрать подходящее количество CKD для конкретного применения.

[0036] Цементные растворы могут содержать минералы, такие как природные стекла. Некоторые природные стекла могут обладать цементирующими свойствами, т.е. они могут схватываться и затвердевать в присутствии гашеной извести и воды. Природные стекла могут присутствовать в цементных растворах в любом подходящем количестве, включая, но не ограничиваясь этим, количество в диапазоне от около 0% до около 99% bwoc. В некоторых примерах природные стекла могут присутствовать в количестве в диапазоне между любым и/или включая любое из следующих значений: около 1%, около 5%, около 10%, около 20%, около 40%, около 60%, около 80% или около 90% bwoc. Специалисты в данной области техники, воспользовавшись данным изобретением, добыть быть в состоянии выбрать подходящее количество источника кремнезема для конкретного применения.

[0037] В цементные растворы могут входить глины. Некоторые глины могут включать в себя сланцевую глину или метакаолин. Среди прочего, глины, включенные в цементные растворы, могут вступать в реакцию с избытком извести с образованием подходящего вяжущего материала, например гидросиликата кальция. Подходящими являются различные глины, включая те, которые содержат кремний, алюминий, кальций и/или магний. Пример подходящей сланцевой глины содержит застеклованный сланец. В цементные растворы также могут входить цеолиты. Цеолиты обычно представляют собой пористые алюмосиликатные минералы, которые могут представлять собой либо природный, либо синтетический материал. Синтетические цеолиты основаны на том же типе структурных ячеек, что и природные цеолиты, и могут содержать алюмосиликатные гидраты. Используемый в данном документе термин «цеолит» относится ко всем природным и синтетическим формам цеолита. Примеры цеолитов могут включать в себя, без ограничения, морденит, zsm-5, цеолит х, цеолит у, цеолит а и т.д. Кроме того, примеры, включающие цеолит, могут содержать цеолит в комбинации с катионом, таким как Na⁺, K⁺, Са²⁺, Mg²⁺ и т.д. Цеолиты, содержащие катионы, такие как натрий, могут также обеспечивать дополнительные источники катионов в цементном растворе по мере растворения цеолитов. Глины и цеолиты могут присутствовать в цементных растворах в любом подходящем количестве, включая, но не ограничиваясь этим, количество в диапазоне от около 0% до около 99% bwoc. В некоторых примерах глины и цеолиты могут присутствовать в количестве в диапазоне между любым и/или включая любое из следующих значений: около 1%, около 5%, около 10%, около 20%, около 40%, около 60%, около 80% или около 90% bwoc. Специалисты в данной области техники, воспользовавшись данным изобретением, смогут выбрать подходящее количество глин и/или цеолита для конкретного применения.

[0038] Цементные растворы могут дополнительно содержать гашеную известь или гидроксид кальция. В некоторых примерах гашеная известь может быть обеспечена в виде негашеной извести (оксида кальция), которая гасится при смешивании с водой с образованием гашеной извести. Гашеная известь может быть включена в примеры цементных растворов. В случае присутствия гашеная известь может быть включена в цементные растворы, например, в количестве в диапазоне от около 10 мас. % до около 100 мас. % источника кремнезема. В некоторых примерах гашеная известь может присутствовать в количестве в диапазоне между любым и/или включая любое из следующих значений: около 10 мас. %, около 20 мас. %, около 40 мас. %, около 60 мас. %, около 80 мас. % или около 100 мас. % источника кремнезема. Специалист в данной области техники, воспользовавшись данным изобретением, определит, какое количество гашеной извести необходимо включить для выбранного применения.

[0039] В некоторых примерах цементные растворы могут содержать источник кальция, отличный от гашеной извести. Как правило, для возникновения определенных цементирующих реакций могут потребоваться кальций и высокий рН, например рН 7,0 или выше. Потенциальным преимуществом гашеной извести может быть то, что ионы кальция и ионы гидроксида поставляются в одной и той же молекуле. В другом примере источником кальция может быть Ca(NO₃)₂ или CaCl₂, причем гидроксид поставляется, например, в виде NaOH или KOH. Источник кальция и источник гидроксида могут быть включены в массовом отношении источника кремнезема к гашеной извести от около 10:1 до около 1:1 или отношении от около 3:1 до около 5:1. В случае присутствия альтернативный источник кальция и источник гидроксида могут быть включены в цементные растворы, например, в количестве в диапазоне от около 10 мас. % до около 100 мас. % источника кремнезема. В некоторых примерах альтернативный источник кальция и источник гидроксида могут присутствовать в количестве в диапазоне между любым и/или включая любое из следующих значений: около 10 мас. %, около 20 мас. %, около 40 мас. %, около 60 мас. %, около 80 мас. % или около 100 мас. % источника кремнезема. Обычный специалист в данной области техники, воспользовавшись данным изобретением, определит соответствующее количество альтернативного источника кальция и источника гидроксида, которое необходимо включить для выбранного применения.

[0040] Цементные растворы могут содержать добавки к цементу, которые могут придавать цементному раствору требуемые свойства. Примеры таких добавок включают, но не ограничиваются ими: утяжелители, замедлители схватывания, ускорители, активаторы, газорегулирующие добавки, легковесные добавки, газообразующие добавки, добавки, улучшающие механические свойства, материалы для борьбы с поглощением, добавки для регулирования фильтрации, добавки для регулирования водоотдачи, пеногасители, пенообразователи, диспергаторы,, тиксотропные добавки, суспендирующие агенты и их комбинации. Специалист в данной области техники, воспользовавшись данным изобретением, сможет выбрать подходящую добавку для конкретного применения.

[0041] Цементные растворы, раскрытые в данном документе, могут использоваться в разнообразных подземных применениях, включая первичное и ремонтное цементирование. Цементные растворы можно вводить в подземный пласт и давать им возможность схватиться. В применениях первичного цементирования, например, цементные растворы могут быть введены в кольцевое пространство между трубопроводом, расположенным в стволе скважины, и стенками ствола скважины (и/или большим трубопроводом в стволе скважины), при этом ствол скважины проникает в подземный пласт. Цементному раствору можно дать возможность схватиться в кольцевом пространстве с образованием кольцевой оболочки из затвердевшего цемента. Цементный раствор может образовывать барьер, предотвращающий миграцию флюидов в стволе скважины. Цементная композиция также может, например, поддерживать канал в стволе скважины. В применениях ремонтного цементирования цементные композиции могут использовать, например, в операциях цементирования под давлением или при размещении цементных пробок. В качестве примера цементные композиции могут быть размещены в стволе скважины для закупоривания отверстия (например, пустоты или трещины) в пласте, в гравийной набивке, в канале, в цементной оболочке и/или между цементной оболочкой и трубопроводом (например, микрокольцевой зоной).

[0042] Далее приведена ссылка на фиг. 7, на которой проиллюстрировано использование цементного раствора 700. Цементный раствор 700 может содержать любой из компонентов, описанных в данном документе. Цементный раствор 700 может быть составлен, например, с помощью отображения данных химической активности, как описано в данном документе. Далее в соответствии с фиг. 6 цементный раствор 700 может быть помещен в подземный пласт 705 в соответствии с приведенными в качестве примера системами, способами и цементными растворами. Как показано, ствол 710 скважины может быть пробурен вглубь подземного пласта 705. Хотя показан ствол 710 скважины, проходящий в основном вертикально в подземный пласт 705, описанные в данном документе принципы также применимы к стволам скважин, которые проходят под углом через подземный пласт 705, таким как горизонтальные и наклонные стволы скважин. Как показано, ствол 710 скважины содержит стенки 715. На изображении в ствол 710 скважины введена поверхностная обсадная колонна 220. Поверхностная обсадная колонна 220 может быть прикреплена посредством цемента к стенкам 715 ствола 710 скважины цементной оболочкой 720. На изображении один или более дополнительных трубопроводов (например, промежуточная обсадная колонна, эксплуатационная обсадная колонна, хвостовики и т.д.), показанные в данном документе как обсадная колонна 730, также могут быть расположены в стволе 710 скважины. Как проиллюстрировано, существует кольцевое пространство 735 ствола скважины, образованное между обсадной трубой 730 и стенками 715 ствола 710 скважины и/или поверхностной обсадной колонной 725. Один или более центраторов 740 могут быть прикреплены к обсадной колонне 730, например, для центрирования обсадной колонны 730 в стволе 710 скважины до и во время операции цементирования.

[0043] С дальнейшей ссылкой на фиг. 7, цементный раствор 700 может быть закачан вниз по внутренней части обсадной колонны 730. Цементному раствору 700 можно дать возможность течь вниз по внутренней части обсадной колонны 730 через башмак 745 обсадной колонны в нижней части обсадной колонны 730 и вверх вокруг обсадной колонны 730 в кольцевое пространство 735 ствола скважины. Цементному раствору 700 можно дать возможность схватиться в кольцевом пространстве 735 ствола скважины, например, с образованием цементной оболочки, которая поддерживает и позиционирует обсадную колонну 730 в стволе 710 скважины. Хотя это не проиллюстрировано, для введения цементного раствора 700 также можно использовать другие методы. В качестве примера можно использовать методы обратной циркуляции, которые включают в себя введение цементного раствора 700 в подземный пласт 705 через кольцевое пространство 735 ствола скважины, а не через обсадную колонну 730. При введении цементный раствор 700 может вытеснять другие жидкости 750, такие как буровые растворы и/или буферные жидкости, которые могут присутствовать во внутренней части обсадной колонны 730 и/или кольцевого пространства 735 ствола скважины. Хотя это и не проиллюстрировано, по меньшей мере часть вытесненных жидкостей 250 может выходить из кольцевого пространства 735 ствола скважины по отводной линии и оседать, например, в одной или более сточных ямах. Нижняя пробка 755 может быть введена в ствол 710 скважины перед цементным раствором 700, например, для отделения цементного раствора 700 от жидкостей 550, которые могут находиться внутри обсадной колонны 730 перед цементированием. После того как нижняя пробка 755 достигнет посадочной муфты 780, мембрана или другое подходящее устройство должно разорваться, чтобы дать возможность цементному раствору 700 пройти через нижнюю пробку 755. Показано, что нижняя пробка 755 находится на посадочной муфте 780. На изображении верхняя пробка 760 может быть введена в ствол 710 скважины за цементным раствором 700. Верхняя пробка 760 может отделять цементный раствор 700 от вытесняющей жидкости 765, а также проталкивать цементный раствор 700 через нижнюю пробку 755.

[0044] На фиг. 8 в целом проиллюстрирован пример системы 800 обработки информации, которая может содержать любое средство или совокупность средств, используемых для вычисления, оценки, классификации, обработки, передачи, приема, извлечения, создания, переключения, хранения, отображения, проявления, обнаружения, записи, воспроизведения, регулирования или использования любой формы информации, разведочных данных или данных в деловых, научных, контрольных или других целях. Например, система 800 обработки информации может представлять собой персональный компьютер, сетевое запоминающее устройство или любое другое подходящее устройство и может различаться по размеру, форме, характеристикам, функциональности и цене. В примерах система 100 обработки информации может называться суперкомпьютером или графическим суперкомпьютером.

[0045] Как проиллюстрировано, система 800 обработки информации может содержать один или более центральных процессоров (ЦП) или процессоров 802. Система 800 обработки информации также может содержать оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 804, к которому могут иметь доступ процессоры 802. Следует отметить, что система 800 обработки информации может дополнительно содержать аппаратную или программную логику, ПЗУ и/или любой другой тип энергонезависимого запоминающего устройства. Система 800 обработки информации может содержать один или более графических модулей 806, которые могут иметь доступ к ОЗУ 804. Графические модули 806 могут выполнять функции, исполняемые модулем обработки графики (не показан), с использованием аппаратного обеспечения (такого как специализированные графические процессоры) или комбинации аппаратного и программного обеспечения. Пользовательское устройство 808 ввода может дать возможность пользователю контролировать и вводить информацию в систему 800 обработки информации. Дополнительные компоненты системы 800 обработки информации могут содержать один или более дисковых накопителей, устройств 812 вывода, таких как видеодисплей, и один или более сетевых портов для связи с внешними устройствами, а также пользовательское устройство 808 ввода (например, клавиатуру, мышь и т.д.). Система 800 обработки информации также может содержать одну или более шин, предназначенных для передачи сообщений между различными аппаратными компонентами.

[0046] В качестве альтернативы, системы и способы по настоящему изобретению могут быть реализованы, по меньшей мере частично, с энергонезависимыми машиночитаемыми носителями. Энергонезависимые машиночитаемые носители могут включать в себя любое средство или совокупность средств, которые могут сохранять данные и/или команды в течение определенного периода времени. Энергонезависимые машиночитаемые носители могут включать в себя, например, носитель 810 информации, такой как запоминающее устройство с прямым доступом (например, накопитель на жестком диске или накопитель на гибком диске), запоминающее устройство с последовательным доступом (например, накопитель на магнитной ленте), компакт-диск, CD-ROM, DVD, ОЗУ, ПЗУ, электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROM) и/или флэш-память; а также средства связи, такие как провода, оптические волокна, микроволны, радиоволны и другие электромагнитные и/или оптические носители; и/или любую комбинацию вышеприведенного.

[0047] На фиг. 9 проиллюстрированы дополнительные детали системы 800 обработки информации. Например, система 800 обработки информации может содержать один или более процессоров, таких как процессор 900. Процессор 900 может быть соединен с шиной 902 связи. Различные варианты реализации программного обеспечения описаны в контексте этой приведенной в качестве примера компьютерной системы. После ознакомления с данным описанием для специалиста в соответствующей области техники будет очевидно, как реализовать приведенные в качестве примера варианты реализации с использованием других компьютерных систем и/или компьютерных архитектур.

[0048] Система 800 обработки информации может также содержать основное запоминающее устройство 904, предпочтительно оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), а также может содержать вторичное запоминающее устройство 906. Вторичное запоминающее устройство 906 может содержать, например, накопитель 908 на жестком диске и/или съемный накопитель 910, представляющий накопитель на гибком диске, накопитель на магнитной ленте, накопитель на оптическом диске и т.д. Съемный накопитель 910 может считывать со съемного запоминающего устройства 912 и/или записывать на него данные любым подходящим способом. Съемное запоминающее устройство 912 представляет собой гибкий диск, магнитную ленту, оптический диск и т.д., которые считываются и записываются съемным накопителем 910. Следует понимать, что съемное запоминающее устройство 912 включает в себя компьютерный носитель данных, на котором хранится компьютерное программное обеспечение и/или данные.

[0049] В альтернативных вариантах реализации вторичное запоминающее устройство 906 может включать в себя другие операции, обеспечивающие загрузку компьютерных программ или других команд в систему 800 обработки информации. Например, съемное запоминающее устройство 914 и интерфейс 916. Примеры указанного могут включать в себя программный картридж и интерфейс картриджа (например, тот, который находится в устройствах видеоигр), съемную интегральную схему памяти (такую как EPROM или PROM) и связанный разъем, а также другие съемные запоминающие устройства 914 и интерфейсы 916, которые могут обеспечивать передачу программного обеспечения и данных со съемного запоминающего устройства 914 в систему 800 обработки информации.

[0050] В примерах система 800 обработки информации также может содержать интерфейс 918 связи. Интерфейс 918 связи может обеспечивать передачу программного обеспечения и данных между системой 800 обработки информации и внешними устройствами. Примеры интерфейса 918 связи могут включать в себя модем, сетевой интерфейс (такой как коммуникационная плата сети Ethernet), порт связи, разъем и плату PCMCIA и т.д. Программное обеспечение и данные, передаваемые через интерфейс 918 связи, имеют форму сигналов 920, которые могут представлять собой электронные, электромагнитные, оптические или другие сигналы, которые могут быть приняты интерфейсом 918 связи. Сигналы 920 могут подаваться на интерфейс связи через канал 922. Канал 922 передает сигналы 920 и может быть реализован с использованием провода или кабеля, волоконной оптики, телефонной линии, линии сотовой связи, соединительного радиоконтакта и/или любых других подходящих каналов связи. Например, система 800 обработки информации содержит по меньшей мере одно запоминающее устройство 904, предназначенное для хранения исполняемых компьютером команд, по меньшей мере один интерфейс 902, 918 связи для доступа к по меньшей мере одному запоминающему устройству 904; и по меньшей мере один процессор 900, выполненный с возможностью доступа к по меньшей мере одному запоминающему устройству 904 через по меньшей мере один интерфейс 902, 918 связи и выполнения исполняемых компьютером команд.

[0051] В данном документе термины «компьютерный программный носитель» и «компьютерный носитель» используются для обозначения носителей, таких как съемное запоминающее устройство 912, жесткий диск, установленный на накопителе 908 на жестком диске, и сигналы 920. Эти компьютерные программные продукты могут обеспечивать программное обеспечение для компьютерной системы 800.

[0052] Компьютерные программы (также называемые компьютерной управляющей логикой) могут храниться в основном запоминающем устройстве 904 и/или вторичном запоминающем устройстве 906. Компьютерные программы также могут приниматься через интерфейс 918 связи. Такие компьютерные программы при исполнении обеспечивают выполнение системой 800 обработки информации функций приведенных в качестве примера вариантов реализации, как описано в данном документе. В частности, компьютерные программы при исполнении обеспечивают выполнение процессором 900 функций приведенных в качестве примера вариантов реализации. Соответственно, такие компьютерные программы представляют собой контроллеры системы 800 обработки информации.

[0053] В примерах с реализацией программного обеспечения программное обеспечение может храниться в компьютерном программном продукте и загружаться в систему 800 обработки информации с помощью съемного накопителя 910, накопителя 908 на жестком диске или интерфейса 918 связи. Управляющая логика (программное обеспечение), при выполнении процессором 900, приводит процессор 900 к выполнению функций приведенных в качестве примера вариантов реализации, как описано в данном документе.

[0054] В примерах с реализацией аппаратных средств обеспечены аппаратные компоненты, такие как специализированные интегральные схемы (ASIC; application specific integrated circuit). Реализация такой конечной аппаратной машины состояний для выполнения описанных в данном документе функций будет очевидна для специалистов в соответствующей(их) области(ях) техники. Следует отметить, что данные изобретение может быть реализовано по меньшей мере частично как на аппаратных средствах, так и на программном обеспечении.

[0055] Описанные в данном документе способы могут быть выполнены по меньшей мере частично с использованием компьютерной системы, содержащей доступный для компьютера носитель, причем доступный для компьютера носитель содержит компьютерную программу, которая приводит процессор к исполнению команд, которые выполняют по меньшей мере некоторые из этапов способа, описанных в данном документе. В общем доступный для компьютера носитель может включать в себя любые материальные или энергонезависимые носители данных или носители запоминающих устройств, такие как электронные, магнитные или оптические носители, например диск или CD/DVD-ROM, соединенные с компьютером. Используемые в данном документе термины «материальный» и «энергонезависимый» предназначены для описания машиночитаемого носителя данных (или «запоминающего устройства»), исключающего распространяющиеся электромагнитные сигналы, но не предназначены для иного ограничения типа физического машиночитаемого запоминающего устройства, охватываемого выражением «машиночитаемый носитель» или «запоминающее устройство». Например, термины «энергонезависимый машиночитаемый носитель» или «материальное запоминающее устройство» предназначены для охвата типов запоминающих устройств, которые не обязательно постоянно хранят информацию, включая, например, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), флэш-память или другие типы энергозависимого запоминающего устройства. Программные инструкции и данные, хранящиеся на материальном доступном для компьютера носителе данных в энергонезависимой форме, могут дополнительно передаваться с помощью средств передачи данных или сигналов, таких как электрические, электромагнитные или цифровые сигналы, которые могут передаваться через средство связи, такое как сеть и/или беспроводное соединение.

[0056] Следующие ниже утверждения могут описывать определенные варианты реализации данного изобретения, но их следует рассматривать как ограниченные любым конкретным вариантом реализации.

[0057] Утверждение 1. Способ составления цементного раствора, включающий: обеспечение состава цементного раствора, содержащего воду и по меньшей мере один вяжущий компонент; создание модели прочности на сжатие состава цемента для данного времени; приготовление цементного раствора на основании по меньшей мере частично модели; и введение цементного раствора в подземный пласт.

[0058] Утверждение 2. Способ по утверждению 1, отличающийся тем, что этап создания модели включает по меньшей мере одно из моделирования предельной прочности на сжатие состава цемента, моделирования энергии активации состава цемента и моделирования временной зависимости прочности на сжатие состава цемента.

[0059] Утверждение 3. Способ по любому из утверждений 1-2, отличающийся тем, что этап создания модели включает моделирование предельной прочности на сжатие состава цемента, и при этом моделирование предельной прочности на сжатие включает корреляцию по меньшей мере одного из потребности в воде состава цемента, удельного веса состава цемента, среднего размера частиц состава цемента, площади поверхности по методу БЭТ состава цемента, удельной площади поверхности, концентрации C₂S в составе цемента, концентрации C₃S в составе цемента, концентрации C₄AF в составе цемента, концентрации С₃А в составе цемента, концентрации CaSO₄ в составе цемента и концентрации гипса в составе цемента с предельной прочностью на сжатие.

[0060] Утверждение 4. Способ по любому из утверждений 1-3, отличающийся тем, что этап создания модели включает моделирование предельной прочности на сжатие состава цемента, и при этом моделирование предельной прочности на сжатие включает следующую модель: где CS представляет собой предельную прочность на сжатие, CS₀ - предельную прочность на сжатие при отношении воды к цементу, составляющем 1, w - массовую долю воды, с - массовую долю цемента, а n - константу.

[0061] Утверждение 5. Способ по любому из утверждений 1-4, отличающийся тем, что этап создания модели включает моделирование энергии активации состава цемента, и при этом моделирование энергии активации включает корреляцию по меньшей мере одного из среднего размера частиц состава цемента, площади поверхности по методу БЭТ состава цемента, удельной площади поверхности, концентрации C₂S в составе цемента, концентрации C₃S в составе цемента, концентрации C₄AF в составе цемента, концентрации С₃А в составе цемента, концентрации CaSO₄ в составе цемента и концентрации гипса в составе цемента с энергией активации.

[0062] Утверждение 6. Способ по любому из утверждений 1-5, отличающийся тем, что этап создания модели включает моделирование энергии активации состава цемента, и при этом моделирование энергии активации включает корреляцию калориметрических данных с энергией активации.

[0063] Утверждение 7. Способ по любому из утверждений 1-6, отличающийся тем, что этап создания модели включает моделирование временной зависимости прочности на сжатие состава цемента, и при этом моделирование временной зависимости прочности на сжатие включает корреляцию прочности на сжатие с течением времени с помощью функции Вейбулла.

[0064] Утверждение 8. Способ по любому из утверждений 1-7, отличающийся тем, что этап создания модели включает моделирование временной зависимости прочности на сжатие состава цемента, и при этом моделирование временной зависимости прочности на сжатие включает следующую модель: где CS представляет собой прочность на сжатие, CS_u - предельную прочность на сжатие, t - прошедшее время, λ₀ - начальный масштабный параметр, Е_а - энергию активации, R - газовую константу, Т_эт - эталонную температуру, Т - температуру, а к - параметр формы.

[0065] Утверждение 9. Способ по любому из утверждений 1-8, отличающийся тем, что этап моделирования включает следующую модель:

где CS₀ представляет собой прочность на сжатие при отношении воды к цементу, составляющем 1, w - массовую долю воды, С₀ - массовую долю портландцемента, - масштабный параметр, λ(Т) - зависящий от

температуры масштабный параметр, t - время, t_инд - время индукции, а K₁ и K₂ - параметр формы.

[0066] Утверждение 10. Способ по любому из утверждений 1-9, дополнительно включающий обеспечение требуемой предельной прочности на сжатие и требуемой прочности на сжатие, зависящей от времени, и сравнение требуемой предельной прочности на сжатие и требуемой прочности на сжатие, зависящей от времени, с выходными данными этапа моделирования.

[0067] Утверждение 11. Способ по любому из утверждений 1-10, дополнительно включающий регулирование концентрации воды, по меньшей мере одного вяжущего компонента или обоих в составе цемента.

[0068] Утверждение 12. Энергонезависимый машиночитаемый носитель, содержащий хранящиеся на нем данные, представляющие программное обеспечение, выполняемое компьютером, причем программное обеспечение содержит команды, содержащие: команды для расчета прочности на сжатие цементного раствора с помощью модели прочности на сжатие.

[0069] Утверждение 13. Энергонезависимый машиночитаемый носитель по утверждению 12, отличающийся тем, что цементный раствор содержит воду и по меньшей мере один вяжущий компонент.

[0070] Утверждение 14. Энергонезависимый машиночитаемый носитель по любому из утверждений 12-13, отличающийся тем, что модель прочности на сжатие содержит функцию Вейбулла.

[0071] Утверждение 15. Энергонезависимый машиночитаемый носитель по любому из утверждений 12-14, отличающийся тем, что модель прочности на сжатие содержит модель по меньшей мере одного из модели предельной прочности на сжатие цемента, модели энергии активации цемента и модели временной зависимости прочности на сжатие цемента.

[0072] Утверждение 16. Способ цементирования, включающий: обеспечение состава цемента, содержащего воду и по меньшей мере один вяжущий компонент, при этом по меньшей мере один вяжущий компонент содержит портландцемент; моделирование прочности на сжатие и зависящей от времени прочности на сжатие состава цемента с помощью модели прочности на сжатие цемента; сравнение прочности на сжатие и зависящей от времени прочности на сжатие состава цемента с требованием предельной прочности на сжатие и требованием зависящей от времени прочности на сжатие; приготовление состава цемента; и размещение состава цемента в подземном пласте.

[0073] Утверждение 17. Способ по утверждению 16, отличающийся тем, что модель прочности на сжатие цемента содержит функцию Вейбулла.

[0074] Утверждение 18. Способ по любому из утверждений 16-17, отличающийся тем, что этап моделирования прочности на сжатие состава цемента включает моделирование следующей функции: где CS представляет собой прочность на сжатие, CS₀ - предельную прочность на сжатие при отношении воды к цементу, составляющем 1, w - массовую долю воды, с - массовую долю цемента, a n - константу.

[0075] 19. Способ по любому из утверждений 16-18, отличающийся тем, что этап моделирования зависящей от времени прочности на сжатие состава цемента включает моделирование следующей функции:

где CS₀ представляет собой прочность на сжатие при отношении воды к цементу, составляющем 1, w - массовую долю воды, С₀ - массовую долю портландцемента, - масштабный параметр, λ(Т) - зависящий от температуры масштабный параметр, t - время, t_инд - время индукции, a K₁ и К₂ - параметр формы.

[0076] Утверждение 20. Способ по любому из утверждений 16-19, дополнительно включающий регулирование по меньшей мере одного из концентрации воды, концентрации по меньшей мере одного вяжущего компонента или обоих на основании по меньшей мере частично результата этапа сравнения.

[0077] Раскрытые цементные композиции и связанные с ними способы могут прямо или косвенно влиять на любые насосные системы, которые типовым образом содержат любые каналы, трубопроводы, грузовики, трубчатые элементы и/или трубы, которые могут быть соединены с насосом и/или любыми насосными системами и могут быть применены для транспортировки по текучей среде цементных композиций в скважину, любые насосы, компрессоры или двигатели (например, в верхней или нижней части скважины), применяемые для приведения в движение цементных композиций, любые клапаны или соответствующие соединения, применяемые для регулирования давления или скорости потока цементных композиций, и любые датчики (т.е. датчики давления, температуры, расхода и т.д.), измерительные приборы и/или их комбинации и т.п.Цементные композиции также могут прямо или косвенно влиять на любые смесительные бункеры и сточные ямы и их различные варианты.

[0078] Следует понимать, что композиции и способы описаны как «включающие», «содержащие» или «включающие в себя» различные компоненты или этапы, причем композиции и способы также могут «состоять по существу из» или «состоять из» различных компонентов и этапов. Более того, формы единственного числа, используемые в формуле изобретения, определены в данном документе как означающие один или более чем один из элементов, которые они вводят.

[0079] Для краткости в данном документе явно раскрыты только определенные диапазоны. Однако диапазоны от любого нижнего предела могут быть объединены с любым верхним пределом для указания диапазона, не указанного явно, а также диапазоны от любого нижнего предела могут быть объединены с любым другим нижним пределом для указания диапазона, не указанного явно, и таким же образом диапазоны от любого верхнего предела могут быть объединены с любым другим верхним пределом для указания диапазона, не указанного явно. Кроме того, всякий раз, когда раскрывается числовой диапазон с нижним пределом и верхним пределом, конкретно раскрываются любое число и любой включенный диапазон, попадающий в данный диапазон. В частности, каждый диапазон значений (в виде «от около а до около b» или, что эквивалентно, «приблизительно от а до b» или, что эквивалентно, «приблизительно от а-b»), раскрытый в данном документе, следует понимать как излагающий каждое число и диапазон, входящий в более широкий диапазон значений, даже если они не указаны явно. Таким образом, каждая точка или отдельное значение может служить своим собственным нижним или верхним пределом в сочетании с любой другой точкой или отдельным значением или любым другим нижним или верхним пределом для указания диапазона, который не указан явно.

[0080] Следовательно, настоящее изобретение хорошо приспособлено для достижения упомянутых целей и преимуществ, а также целей и преимуществ, которые ему присущи. Конкретные примеры, раскрытые выше, являются только иллюстративными, поскольку настоящее изобретение может быть модифицировано и реализовано на практике различными, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области техники, пользующихся преимуществами изложенных в данном документе идей. Хотя обсуждаются отдельные примеры, данное изобретение охватывает все комбинации всех этих примеров. Кроме того, не предполагается никаких ограничений в отношении деталей конструкции или схемы, показанных в данном документе, кроме тех, которые описаны ниже в формуле изобретения. Кроме того, термины в формуле изобретения имеют свое простое, обычное значение, если иное явно и четко не определено патентообладателем. Следовательно, очевидно, что конкретные иллюстративные примеры, раскрытые выше, могут быть изменены или модифицированы, и все такие измененные варианты рассматриваются в пределах объема и сущности настоящего изобретения. Если есть какое-либо противоречие в использовании слова или термина в данном описании и в одном или более патентах или других документах, которые могут быть включены в данный документ посредством ссылки, должны быть приняты определения, которые согласуются с данным описанием.

Изобретение относится к цементировании скважин. Способ составления цементного раствора включает: обеспечение состава цементного раствора, содержащего воду и по меньшей мере один вяжущий компонент; создание модели прочности на сжатие состава цемента, где этап создания модели включает по меньшей мере одно из моделирования предельной прочности на сжатие состава цемента, моделирования энергии активации состава цемента и моделирования временной зависимости прочности на сжатие состава цемента; приготовление цементного раствора, основанное по меньшей мере частично на модели; и введение цементного раствора в подземный пласт. Также описаны машиночитаемый носитель и способ цементирования скважин. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ составления цементного раствора, включающий:

обеспечение состава цементного раствора, содержащего воду и по меньшей мере один вяжущий компонент;

создание модели прочности на сжатие состава цемента, где этап создания модели включает по меньшей мере одно из моделирования предельной прочности на сжатие состава цемента, моделирования энергии активации состава цемента и моделирования временной зависимости прочности на сжатие состава цемента;

приготовление цементного раствора, основанное по меньшей мере частично на модели; и

введение цементного раствора в подземный пласт.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап создания модели включает моделирование предельной прочности на сжатие состава цемента, и при этом моделирование предельной прочности на сжатие включает корреляцию по меньшей мере одного из потребности в воде состава цемента, удельного веса состава цемента, среднего размера частиц состава цемента, площади поверхности по методу БЭТ состава цемента, удельной площади поверхности, концентрации C₂S в составе цемента, концентрации C₃S в составе цемента, концентрации C₄AF в составе цемента, концентрации С₃А в составе цемента, концентрации CaS0₄ в составе цемента и концентрации гипса в составе цемента с предельной прочностью на сжатие.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап создания модели включает моделирование предельной прочности на сжатие состава цемента, и при этом моделирование предельной прочности на сжатие включает следующую модель:

где CS представляет собой предельную прочность на сжатие, фунт/кв. дюйм, CS₀ - предельную прочность на сжатие при отношении воды к цементу, составляющем 1, фунт/кв. дюйм, w - массовую долю воды, с - массовую долю цемента, а n - константу.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап создания модели включает моделирование энергии активации состава цемента, и при этом моделирование энергии активации включает корреляцию по меньшей мере одного из среднего размера частиц состава цемента, площади поверхности по методу БЭТ состава цемента, удельной площади поверхности, концентрации C₂S в составе цемента, концентрации C₃S в составе цемента, концентрации C₄AF в составе цемента, концентрации С₃А в составе цемента, концентрации CaSO₄ в составе цемента и концентрации гипса в составе цемента с энергией активации.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап создания модели включает моделирование энергии активации состава цемента, и при этом моделирование энергии активации включает корреляцию калориметрических данных с энергией активации.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап создания модели включает моделирование временной зависимости прочности на сжатие состава цемента, и при этом моделирование временной зависимости прочности на сжатие включает корреляцию прочности на сжатие во времени с помощью функции Вейбулла.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап создания модели включает моделирование временной зависимости прочности на сжатие состава цемента, и при этом моделирование временной зависимости прочности на сжатие включает следующую модель:

,

где CS представляет собой прочность на сжатие, фунт/кв. дюйм, CS_u - предельную прочность на сжатие, фунт/кв. дюйм, t - прошедшее время, часы или дни, λ₀ - начальный масштабный параметр, часы или дни, Е_а - энергию активации, Дж/моль, R - газовую константу, Т_эт - эталонную температуру, Т - температуру, а K - параметр формы.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап моделирования включает следующую модель:

где CS₀ представляет собой прочность на сжатие при отношении воды к цементу, составляющем 1, фунт/кв. дюйм, w - массовую долю воды, С₀ - массовую долю портландцемента, - масштабный параметр, часы или дни, λ(Т) - зависящий от температуры масштабный параметр, часы или дни, t - время, часы или дни, t_инд - время индукции, часы или дни, K₁ и K₂ - параметр формы.

9. Способ по п. 1, дополнительно включающий обеспечение требуемой предельной прочности на сжатие и требуемой прочности на сжатие, зависящей от времени, и сравнение требуемой предельной прочности на сжатие и требуемой прочности на сжатие, зависящей от времени, с выходными данными этапа моделирования.

10. Способ по п. 9, дополнительно включающий регулирование концентрации воды, по меньшей мере одного вяжущего компонента или обоих в составе цемента.

11. Энергонезависимый машиночитаемый носитель, содержащий хранящиеся на нем данные, представляющие программное обеспечение, выполняемое компьютером, причем программное обеспечение содержит команды для расчета прочности на сжатие цементного раствора с помощью модели прочности на сжатие.

12. Энергонезависимый машиночитаемый носитель по п. 11, отличающийся тем, что цементный раствор содержит воду и по меньшей мере один вяжущий компонент, при этом модель прочности на сжатие содержит функцию Вейбулла, и при этом модель прочности на сжатие содержит по меньшей мере одну из модели предельной прочности на сжатие цемента, модели энергии активации цемента и модели временной зависимости прочности на сжатие цемента.

13. Способ цементирования скважин, включающий:

обеспечение состава цемента, содержащего воду и по меньшей мере один вяжущий компонент, при этом по меньшей мере один вяжущий компонент содержит портландцемент;

моделирование прочности на сжатие и зависящей от времени прочности на сжатие состава цемента с помощью модели прочности на сжатие цемента, содержащей по меньшей мере одну из модели предельной прочности на сжатие состава цемента, модели энергии активации состава цемента и модели временной зависимости прочности на сжатие состава цемента;

сравнение прочности на сжатие и зависящей от времени прочности на сжатие состава цемента с требованием предельной прочности на сжатие и требованием зависящей от времени прочности на сжатие;

приготовление состава цемента и

размещение состава цемента в подземном пласте.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что модель прочности цемента на сжатие содержит функцию Вейбулла, и/или при этом этап моделирования прочности на сжатие состава цемента включает моделирование следующей функции:

где CS представляет собой прочность на сжатие, фунт/кв. дюйм, CS₀ -предельную прочность на сжатие при отношении воды к цементу, составляющем 1, фунт/кв. дюйм, w - массовую долю воды, с - массовую долю цемента, а n - константу, и/или при этом этап моделирования зависящей от времени прочности на сжатие состава цемента включает моделирование следующей функции:

где CS₀ представляет собой прочность на сжатие при отношении воды к цементу, составляющем 1, фунт/кв. дюйм, w - массовую долю воды, С₀ - массовую долю портландцемента, - масштабный параметр, часы или дни, λ(Т) - зависящий от температуры масштабный параметр, часы или дни, t - время, часы или дни, t_инд - время индукции, часы или дни, K₁ и K₂ - параметр формы, и/или при этом способ дополнительно включает регулирование по меньшей мере одной из концентрации воды, концентрации по меньшей мере одного вяжущего компонента или обоих, основанное по меньшей мере частично на результате этапа сравнения.