Ускорители для композитных цементных составов - RU2745041C1

Чертежи

Описание

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] При цементировании скважин, например, строительстве скважин и исправительном цементировании, обычно используют составы цемента. Составы цемента могут быть использованы в различных подземных применениях. Например, при строительстве подземных скважин колонна труб (например, обсадная колонна, потайные обсадные колонны, раздвижные трубы и т.д.) может проходить в ствол скважины и цементироваться на месте. Процесс цементирования колонны труб на месте обычно называют «первичным цементированием». В типичном способе первичного цементирования цементный состав могут закачивать в кольцевое пространство между стенками ствола скважины и внешней поверхностью колонны труб, расположенной в ней. Цементный состав может схватываться в кольцевом пространстве, образуя тем самым кольцевую оболочку из затвердевшего, практически непроницаемого цемента (то есть цементной оболочки), которая может поддерживать и позиционировать колонну труб в стволе скважины и может связывать внешнюю поверхность колонны труб с подземным пластом. Среди прочего, цементная оболочка, окружающая колонну труб, предназначена для предотвращения миграции флюидов в кольцевом пространстве, а также для защиты колонны труб от коррозии. Составы цемента также можно использовать в способах исправительного цементирования, например, для герметизации трещин или отверстий в колоннах труб или цементных оболочках, для герметизации высокопроницаемых пластовых зон или трещин, для установки цементной пробки и тому подобного.

[0002] Время схватывания составов цемента можно регулировать с помощью ускорителей. Ускорители сокращают время, необходимое для затвердевания цементного состава в процессе реакции, что сокращает время ожидания затвердения цемента (ОЗЦ) и обеспечивает более быстрое бурение, тем самым экономя время бурения. Этот процесс реакции может упоминаться как гидратация цемента, при которой вода вызывает химические реакции, которые в конечном итоге приводят к схватыванию. Ускорители существенно ускоряют реакцию с водой, что, в свою очередь, уменьшает (а) время загустевания и/или увеличивает (б) раннее развитие прочности на сжатие после схватывания.

[0003] Цементные составы обычно могут включать портландцемент. Хотя портландцемент обладает рядом полезных механических свойств, стоимость портландцемента, как правило, представляет собой основную составляющую стоимости составов цемента. Чтобы снизить стоимость таких составов цемента, были разработаны композитные цементные составы, в которых концентрация портландцемента была уменьшена за счет включения дополнительных связывающих материалов, таких как зола-унос, вулканическая порода и шлак, которые могут способствовать механическим свойствам затвердевшего цемента посредством операций цементирования. Однако, хотя такие композитные цементные составы могут снижать стоимость, их состав может быть сложным, поскольку обычные цементные добавки могут действовать по-разному в составах с пониженным содержанием портландцемента. Например, ускорители, которые могут хорошо действовать в портландцементе, могут не обеспечивать того же эффекта в композитных цементных составах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0004] Эти графические материалы иллюстрируют определенные аспекты некоторых вариантов реализации данного изобретения и не должны использоваться для ограничения или определения изобретения.

[0005] На фиг. 1 проиллюстрировано схематическое изображение, показывающее введение композитного цементного состава в ствол скважины.

[0006] На фиг. 2 проиллюстрировано схематическое изображение, показывающее введение композитного цементного состава в ствол скважины.

[0007] На фиг. 3 проиллюстрирована диаграмма, показывающая прочность на раздавливание для испытаний, выполняемых с помощью различных ускорителей.

[0008] На фиг. 4 проиллюстрирована диаграмма, показывающая прочность на раздавливание для испытаний, выполняемых с помощью различных концентраций ускорителя.

[0009] На фиг. 5 проиллюстрирован график, показывающий увеличение прочности на раздавливание для испытаний, выполняемых с помощью различных концентраций ускорителя.

[0010] На фиг. 6 проиллюстрирован график, показывающий соотношение прочности на сжатие в зависимости от концентрации портландцемента для испытаний, выполняемых с помощью различных концентраций ускорителя.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0011] Данное изобретение в целом может относиться к способам и системам цементирования. В данном документе представлены ускорители для композитных цементных составов. В частности, ускорители могут содержать комбинацию различных солей, а именно хлорида натрия и сульфата натрия. Ускорители могут быть использованы в композитных цементных составах для увеличения прочности на сжатие. Неожиданно, но использование комбинации хлорида натрия и сульфата натрия в качестве ускорителя в композитных цементных составах может обеспечить повышенную прочность на сжатие, в то время как каждая соль по отдельности имеет незначительный эффект или вообще не имеет эффекта.

[0012] Композитные цементные составы могут содержать пуццолан и воду. Ускоритель, содержащий хлорид натрия и сульфат натрия, может быть включен в композитный цементный состав для повышения прочности на сжатие. Кроме того, композитные цементные составы могут считаться «составами с низким содержанием портландцемента» в том смысле, что композитные цементные составы содержат портландцемент в количестве около 50% мас. или менее вяжущих компонентов («мас. % сухого цемента»), присутствующих в композитном цементном составе. Также могут быть разработаны композитные цементные составы, которые не содержат (или практически не содержат) портландцемент. Используемый в данном документе термин «вяжущий компонент» относится к материалам, которые обладают цементирующими, или вяжущими, свойствами, таким как материалы с гидравлической или пуццолановой активностью. Необязательно, композитные цементные составы могут содержать гидроксид кальция и/или одну или более дополнительных цементных добавок.

[0013] Композитные цементные составы могут иметь плотность, подходящую для конкретного применения. Композитные цементные составы могут иметь любую подходящую плотность, включая, но не ограничиваясь этим, от около 1 г/см³ до около 1,9 г/см³ (от около 8 фунтов на галлон («фунтов/галлон») до около 16 фунтов/галлон). Во вспененных примерах вспененные составы цемента по данному изобретению могут иметь плотность в диапазоне от около 1 г/см³ до около 1,6 г/см³ (от около 8 фунтов/галлон до около 13 фунтов/галлон) (или еще ниже). Композитные цементные составы могут быть вспененными или не вспененными или могут содержать другие средства для уменьшения их плотности, такие как полые микросферы, эластичные шарики низкой плотности или другие снижающие плотность добавки, известные в данной области техники. Специалисты в данной области техники, пользуясь преимуществом данного изобретения, должны распознавать подходящую плотность для конкретного применения.

[0014] Вода, используемая в композитных цементных составах, 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, добываемую из подземных пластов), морскую воду или их комбинации. Вода, как правило, может быть из любого источника при условии, что она не содержит избытка соединений, которые могут нежелательно влиять на другие компоненты в композитном цементном составе. Вода может быть включена в количестве, достаточном для образования перекачиваемой суспензии. Вода может быть включена в композитные цементные составы в любом подходящем количестве, включая, но не ограничиваясь этим, диапазон от около 40% мас. до около 200% мас. сухого цемента. В некоторых примерах вода может быть включена в количестве из диапазона от около 40% мас. до около 150% мас. сухого цемента.

[0015] Композитные цементные составы могут содержать пуццолан. Термин «пуццолан» относится к кремнеземистым или кремнеземистым и глиноземистым веществам, которые вступают в реакцию с гидроксидом кальция в присутствии воды с образованием вяжущих соединений. Любой пуццолан, подходящий для использования в подземных вяжущих применениях, может быть использован в композитных цементных составах. Примеры подходящих пуццоланов могут включать в себя золу-унос, тонкую кремнеземную пыль, золу сельскохозяйственных отходов, природные пуццоланы (например, вулканические породы) или их комбинации. Также могут быть использованы комбинации пуццоланов, такие как комбинация двух или более разных пуццоланов. Пуццолан может присутствовать в композитных цементных составах в любом подходящем количестве, включая, но не ограничиваясь этим, диапазон от около 5% мас., от около 20% мас. до около 100% мас. сухого цемента, от около 50% мас. до около 100% мас., от около 50% мас. до около 80% мас. сухого цемента или от 80% мас. до 100% мас. сухого цемента. В некоторых примерах пуццолан может присутствовать в количестве, варьирующемся от любого из и/или включая любое из около 5% мас., около 10% мас., около 20% мас., около 30% мас., около 40% мас., около 50% мас., около 60% мас., около 70% мас., около 80% мас., около 90% мас. или около 100% мас. сухого цемента. Специалисты в данной области техники, пользуясь преимуществами данного изобретения, должны иметь возможность выбрать подходящий тип и количество пуццолана для конкретного применения. Также могут быть использованы комбинации пуццоланов, такие как комбинация двух или более разных пуццоланов. Композитный цементный состав может содержать первый пуццолан (например, вулканическую породу, золу рисовой шелухи или другой подходящий пуццолан) в количестве от около 20% мас. до около 50% мас. сухого цемента и второй пуццолан (например, летучую золу, золу рисовой шелухи или другой подходящий пуццолан) в количестве от около 20% мас. до около 50% мас. сухого цемента. Композитный цементный состав может содержать первый пуццолан в количестве от около 40% мас. до около 45% мас. сухого цемента, второй пуццолан в количестве от около 40% мас. до около 45% мас. сухого цемента и портландцемент в количестве от около 10% мас. до около 20% мас. сухого цемента. Другой композитный цементный состав может содержать первый пуццолан в количестве от около 20% мас. до около 30% мас. сухого цемента, второй пуццолан в количестве от около 20% мас. до около 30% мас. сухого цемента и цементную печную пыль в количестве от около 40% мас. до около 60% мас. сухого цемента. Еще один композитный цементный состав может содержать первый пуццолан в количестве от около 35% до около 45% по весу сухого цемента, второй пуццолан в количестве от около 35% мас. до около 45% мас. сухого цемента и извести (например, гидратной извести) в количестве от около 10% мас. до около 30% мас. сухого цемента.

[0016] Примером подходящего пуццолана может быть зола-унос. Зола-унос может использоваться отдельно или в комбинации с одним или более дополнительными пуццоланами, такими как тонкая кремнеземная пыль, зола сельскохозяйственных отходов или природные пуццоланы. Может подходить множество разновидностей летучей золы, включая летучую золу, классифицированную как зола-унос класса C и класса F в соответствии с данными Американского нефтяного института (American Petroleum Institute - API), Спецификацией API для материалов и испытаний для скважинных цементов, Спецификацией API 10, пятое издание, 1 июля 1990 г. (American Petroleum Institute, API Specification for Materials and Testing for Well Cements, API Specification 10, Fifth Ed., July 1, 1990). Зола-унос класса C содержит как кремнезем, так и известь, поэтому она может образовывать затвердевшую массу при смешивании с водой. Зола-унос класса F, как правило, не содержит достаточного количества извести, чтобы вызвать цементирующую реакцию, поэтому для композитного цементного состава, содержащего золу-унос класса F, может потребоваться дополнительный источник ионов кальция. В некоторых вариантах известь может быть смешана с золой-уносом класса F в количестве от около 0,1% мас. до около 100% мас. золы-уноса. В некоторых случаях известь может представлять собой гидратированную известь, или гидроксид кальция. Подходящие примеры золы-уноса включают в себя, но не ограничиваются этим, добавку к цементу POZMIX^® A, коммерчески доступную от Halliburton Energy Services, Inc., Хьюстон, Техас.

[0017] Другим примером подходящего пуццолана может быть тонкая кремнеземная пыль. Тонкую кремнеземную пыль можно использовать отдельно или в сочетании с одним или более дополнительными пуццоланами, такими как зола-унос, зола сельскохозяйственных отходов или природные пуццоланы. В качестве альтернативного варианта тонкая кремнеземная пыль может называться «микрокремнеземом» или «конденсированной тонкой кремнеземной пылью». Тонкая кремнеземная пыль обычно является побочным продуктом, который может быть получен, например, путем восстановления кварца углем при производстве определенных сплавов. Тонкая кремнеземная пыль может быть переработана после концентрирования, например, для контроля размера частиц. Тонкая кремнеземная пыль может быть очень мелкой, например, со средним размером частиц менее 1 микрона и, в качестве альтернативного варианта, менее 0,2 микрона. Средний размер частиц, используемый в данном документе, соответствует значениям d50, измеренным с помощью анализаторов размера частиц, таких как анализаторы, которые производятся Malvern Instruments, Вустершир, Великобритания. Тонкая кремнеземная пыль может иметь большую площадь поверхности и обычно доступна в виде порошка или жидкости.

[0018] Другой пример природного пуццолана может включать золу сельскохозяйственных отходов. Зола сельскохозяйственных отходов может использоваться отдельно или в сочетании с одним или более дополнительными пуццоланами, такими как зола уноса, тонкая кремнеземная пыль или природные пуццоланы. Примеры золы сельскохозяйственных отходов, которые могут быть использованы в композитном цементном составе, включают, например, золу древесины (например, опилок, коры, побегов, ветвей, других древесных отходов), золу древесных отходов, золу кукурузных початков, золу рисовой шелухи, золу тростника (например, сахарного тростника), золу багассы, золу зерна (например, амаранта, ячменя, кукурузного, льняного семени, проса, овса, лебеды, ржи, риса, пшеницы и т.д.) и золу связанных с ним побочных продуктов (например, мякины, шелухи и т.д.), золу ясеня, золу фруктовых деревьев, золу обрезков виноградной лозы, золу травы (например, Korai, Tifton, дикая shiba и т.д.), золу соломы, золу молотой скорлупы ореха, золу бобовых (например, сои) и их комбинации.

[0019] Другой пример подходящего пуццолана может включать природные пуццоланы. Природные пуццоланы обычно присутствуют на поверхности геологической среды и могут проявлять пуццолановую активность. Подходящие природные пуццоланы могут включать в себя вулканическую породу, диатомовую землю, метакаолин, цеолит, кальцинированные глины, сланцы (например, кальцинированные сланцы, опаловые сланцы и т.д.) и их комбинации. Природные пуццоланы могут быть измельченными или не измельченными. Природные пуццоланы могут содержать материалы, такие как прокаленные глины, метакаолин и прокаленный сланец, которые были подвергнуты термообработке, например, в печи для усиления их пуццолановой активности. Как правило, природные пуццоланы могут иметь любое распределение частиц по размеру, в зависимости от того, что требуется для конкретного применения. Природные пуццоланы могут иметь любой подходящий размер частиц, включая, но не ограничиваясь этим, средний размер частиц в диапазоне от около 0,1 микрона до около 200 микрон или еще меньше. В конкретных примерах природные пуццоланы могут иметь средний размер частиц в диапазоне от около 1 микрона до около 200 микрон, от около 5 микрон до около 100 микрон или от около 10 микрон до около 50 микрон. Специалист в данной области техники, пользуясь преимуществом данного изобретения, должен иметь возможность выбрать природный пуццолан и размер частиц, подходящий для использования для выбранного применения.

[0020] Как описано ранее, композитные цементные составы могут необязательно содержать гидратированную известь. Используемый в данном документе термин «гидратированная известь» будет означать гидроксид кальция. Гидратированная известь может быть представлена в виде негашеной извести (оксида кальция), которая гидратируется при смешивании с водой с образованием гидратированной извести. Например, негашеная известь может быть использована при приготовлении цементного состава, который будет гидратироваться с образованием гидратированной извести. Гидратированная известь может быть включена в композитный цементный состав, например, для образования с обеспечением пуццолановой реакции с пуццоланом в композитном цементном составе. Например, гидратированная известь может быть включена в массовое соотношение пуццолан-гидратированная известь в диапазоне от около 10:1 до около 1:1 или от около 3:1 до около 5:1. В случае присутствия, гидратированная известь может быть включена в цементные составы с задержкой схватывания в количестве, например, в диапазоне от около 10% мас. до около 100% мас. пуццолана. В некоторых примерах гидратированная известь может присутствовать в количестве, варьирующемся между любым из и/или включая любое из около 10% мас, около 20% мас., около 40% мас., около 60% мас., около 80% мас. или около 100% мас. пуццолана. Специалист в данной области техники, пользуясь преимуществом данного изобретения, должен иметь возможность понять, какое количество гидратированной извести необходимо включить для выбранного применения.

[0021] Композитные цементные составы могут содержать портландцемент. Портландцемент, как правило, представляет собой гидравлический цемент, который схватывается и затвердевает в результате реакции с водой. Портландцементы, которые подходят для использования в данном изобретении, могут быть классифицированы как цементы классов A, C, G и H согласно Американскому институту нефти, Спецификация API для материалов и испытаний для скважинных цементов, Спецификация API 10, пятое издание, 1 июля 1990 г. (American Petroleum Institute, API Specification for Materials and Testing for Well Cements, API Specification 10, Fifth Ed., Jul. 1, 1990). Кроме того, в некоторых примерах портландцементы, пригодные для использования, могут быть классифицированы, согласно Американскому обществу по испытанию материалов как портландцементы I, II или III типа. Композитные цементные составы, раскрытые в данном документе, могут рассматриваться как «составы с низким содержанием портландцемента», поскольку они могут содержать портландцемент в количестве около 40% мас. сухого цемента или менее, около 30% мас. сухого цемента или менее или около 20% мас. сухого цемента или менее. Специалист в данной области техники, пользуясь преимуществом данного изобретения, должен иметь возможность понять, какое количество портландцемента следует включить для выбранного применения.

[0022] В дополнение к портландцементу композитные цементные составы могут дополнительно включать один или более дополнительных вяжущих компонентов с вяжущей активностью, таких как, среди прочего, цементная печная пыль, шлаковый цемент, цемент с высоким содержанием глинозема и гипсовый цемент. Другие добавки, подходящие для использования в операциях цементирования, также могут быть включены в композитные цементные составы. Примеры таких добавок включают, но не ограничиваются ими: утяжелители, замедлители, активаторы, газоконтролирующие добавки, легкие добавки, газогенерирующие добавки, добавки, улучшающие механические свойства, материалы для борьбы с поглощением, добавки, контролирующие фильтрацию, добавки для регулирования водоотдачи, пеногасители, пенообразователи, диспергаторы, тиксотропные добавки, суспендирующие агенты и их комбинации. Специалист в данной области техники, пользуясь преимуществом данного изобретения, должен иметь возможность выбрать подходящую добавку для конкретного применения.

[0023] Как описано ранее, ускоритель, содержащий хлорид натрия и сульфат натрия, может быть использован для повышения прочности на сжатие композитного цементного состава. Сульфат натрия можно использовать в любом подходящем состоянии гидратации, включая, но не ограничиваясь этим, гептагидрат сульфат натрия, декагидрат сульфат натрия и безводный сульфат натрия. Также могут быть использованы комбинации различных состояний гидратации. Кроме того, хотя в данном документе описаны хлорид натрия и сульфат натрия, следует понимать, что данное изобретение не должно ограничиваться только солями, образованными с катионами натрия, и может включать другие хлористые и сульфатные соли, образованные другими одновалентными и двухвалентными катионами, включая, но не ограничиваясь ими, катионы калия, катионы кальция и катионы магния. Хлорид натрия и сульфат натрия могут быть использованы в любом подходящем массовом соотношении хлорида натрия к сульфату натрия, включая, но не ограничиваясь этим, от около 10:90 до около 90:10, от около 25:75 до около 75:25 или около от 40:60 до около 60:40. Как проиллюстрировано в следующих примерах, было показано, что весовое отношение хлорида натрия к сульфату натрия, составляющее около 50:50, содействует развитию прочности на сжатие композитных цементных составов по сравнению с хлоридом натрия или сульфатом натрия в отдельности. Кроме того, было показано, что комбинация хлорида натрия и сульфата натрия обладает синергетическим эффектом в отношении прочности на сжатие. Ускоритель можно использовать в количестве, достаточном для обеспечения требуемого уровня ускорения, включая, но не ограничиваясь этим, количество от около 1% мас. до около 10% мас. сухого цемента, от около 2% мас. до около 8% мас. сухого цемента или от около 3% мас. до около 6% мас. сухого цемента. Специалист в данной области техники, пользуясь преимуществом данного изобретения, должен иметь возможность понять, какое количество ускорителя следует включить для выбранного применения.

[0024] Композитный цементный состав с ускорителем может схватываться, чтобы иметь требуемую прочность на сжатие. Прочность на сжатие, как правило, представляет собой способность материала или конструкции противостоять направленным в осевом направлении толкающим усилиям. Прочность на сжатие может быть измерена в определенное время после того, как был приготовлен композитный цементный состав и полученный состав сохраняется при определенных условиях температуры и давления. Прочность на сжатие можно измерить как разрушающими, так и неразрушающими методами. Разрушающий метод физически проверяет прочность отвержденных образцов цемента в различные моменты времени путем раздавливания образцов в машине для испытания на сжатие. Прочность на сжатие рассчитывается из нагрузки при разрушении, деленной на площадь поперечного сечения, противостоящую нагрузке, и указывается в единицах фунт-силы на квадратный дюйм (фунт/кв. дюйм). При неразрушающих методах могут использовать ультразвуковой цементный анализатор UCA™, имеющийся в продаже от компании Fann^® Instrument Company, Хьюстон, Техас. Значения прочности на сжатие могут быть определены в соответствии с API RP 10B-2, рекомендуемой практикой для испытания скважинных цементов, первое издание, июль 2005 года (API RP 10B-2, Recommended Practice for Testing Well Cements, First Edition, July 2005).

[0025] Композитные цементные составы могут развивать подходящую прочность на сжатие в течение 24 часов, включая, но не ограничиваясь этим, в диапазоне от около 7 кг/см² (100 фунтов на квадратный дюйм) до около 352 кг/см² (5000 фунтов на квадратный дюйм), в качестве альтернативного варианта, от около 14 кг/см² (200 фунтов на квадратный дюйм) до около 316 кг/см² (4500 фунтов на квадратный дюйм) или, в качестве альтернативного варианта, от около 35 кг/см² (500 фунтов на квадратный дюйм) до около 281 кг/см²(4000 фунтов на квадратный дюйм). Значения прочности на сжатие могут быть определены, например, с помощью разрушающих или неразрушающих методов при температуре около 38°C (100 °F). При включении раскрытого в данном документе ускорителя прочность на сжатие может быть увеличена примерно на 10%, примерно на 50%, примерно на 100%, примерно на 200%, примерно на 300% или более по сравнению с тем же составом без ускорителя.

[0026] Композитный цементный состав с ускорителем также может иметь требуемые отрезки времени загустевания. Время загустевания обычно относится ко времени, в течение которого флюид, такой как цементный состав, остается в жидком состоянии, подходящем для закачивания. Для измерения времени загустевания может использоваться ряд различных лабораторных методов. Консистометр, находящийся под давлением, работающий в соответствии с процедурой, изложенной в вышеупомянутой практике API RP Practice 10B-2, может использоваться для измерения того, находится ли флюид в состоянии перекачиваемого флюида. Время загустевания может быть временем, в течение которого обрабатываемый флюид достигает консистенции 70 Bc, и может быть указано как время достижения 70 Bc. Композитные цементные составы могут иметь любое подходящее время загустевания, включая, но не ограничиваясь этим, более чем около 1 часа, в качестве альтернативного варианта, более чем около 2 часов, в качестве альтернативного варианта, более чем около 5 часов при 211 кг/см² (3000 фунтов/кв. дюйм) и температуре около 60°C (140 °F).

[0027] Подходящие композитные цементные составы могут быть приготовлены в соответствии с любым подходящим методом. Требуемое количество воды может быть введено в смеситель (например, в смеситель для цемента) с последующим добавлением сухой смеси. Сухая смесь может содержать пуццолан и любые дополнительные твердые добавки, такие как портландцемент или дополнительные вяжущие компоненты. Дополнительные жидкие добавки, если таковые имеются, могут быть добавлены в воду при необходимости до или после комбинации с сухой смесью. Ускоритель может быть добавлен в виде твердого материала и сухой смеси с другими твердыми добавками, включая пуццолан и портландцемент, или может быть добавлен в воду, насколько это требуется для конкретного применения. Эта смесь может перемешиваться в течение достаточного периода времени для образования перекачиваемой суспензии. Например, для доставки композитного цементного состава в ствол скважины могут использоваться насосы. Понятно, что композитный цементный состав и/или сухая смесь могут быть приготовлены на площадке скважины или подготовлены вне площадки, а затем транспортированы на площадку скважины. В случае приготовления вне участка сухая смесь и/или композитный цементный состав могут быть транспортированы на площадку скважины с помощью любого подходящего способа транспортировки, включая, но не ограничиваясь этим, грузовой автомобиль, железнодорожный вагон, баржу или тому подобное. В качестве альтернативного варианта, композитный цементный состав и/или сухая смесь могут быть приготовлены на участке скважины, например, при этом компоненты композитного цементного состава и/или сухой смеси могут быть доставлены транспортом (например, транспортным средством или по трубопроводу), а затем их перемешивают до размещения в скважине. Как будет понятно специалистам в данной области техники, благодаря данному изобретению раскрываются другие подходящие методы приготовления композитных цементных составов, и они могут быть использованы в соответствии с данным изобретением.

[0028] Как будет понятно специалистам в данной области техники, композитный цементный состав может использоваться во множестве подземных операций, включая первичное и исправительное цементирование. Может быть обеспечен композитный цементный состав, который содержит пуццолан и воду. Ускоритель, содержащий хлорид натрия и сульфат натрия, может быть включен в композитный цементный состав для повышения прочности на сжатие. Необязательно, композитный цементный состав может содержать портландцемент и/или дополнительные добавки, раскрытые в данном документе. Композитный цементный состав может быть введен в подземный пласт, чтобы там схватиться. В контексте данного документа введение композитного цементного состава в подземный пласт включает введение в любой участок подземного пласта, включая, но не ограничиваясь этим, в ствол скважины, пробуренный вглубь подземного пласта, в ближнюю зону ствола скважины, окружающую ствол скважины, или и в то и в другое.

[0029] Например, при первичном цементировании композитный цементный состав может быть введен в кольцевое пространство между трубопроводом, расположенным в стволе скважины, и стенками ствола скважины (и/или более крупным трубопроводом в стволе скважины), при этом ствол скважины проникает в подземный пласт. Композитный цементный состав может быть оставлен в кольцевом пространстве для схватывания с образованием кольцевой оболочки из затвердевшего цемента. Композитный цементный состав может образовывать барьер, который предотвращает миграцию флюидов в стволе скважины. К тому же композитный цементный состав может, например, поддерживать трубопровод в стволе скважины.

[0030] При исправительном цементировании композитный цементный состав может быть использован, например, в операциях цементирования с отжимом или при размещении цементных пробок. Например, композитный состав может быть размещен в стволе скважины для того, чтобы закрыть пробкой отверстие (например, пустоту или трещину) в пласте, в гравийной набивке, в трубопроводе, в цементной оболочке и/или между цементной оболочкой и трубопроводом (например, микрозазор между обсадной колонной и цементной оболочкой).

[0031] Соответственно, данное изобретение описывает системы, составы и способы, в которых могут использовать ускорители, содержащие хлорид натрия и сульфатную соль в операциях цементирования. Системы, составы и способы могут включать любое из следующих утверждений:

[0032] Утверждение 1. Способ цементирования, включающий: обеспечение композитного цементного состава, содержащего пуццолан, ускоритель и воду, при этом ускоритель содержит хлористую соль и сульфатную соль, при этом композитный цементный состав не содержит портландцемент или содержит портландцемент в количестве около 50% мас. вяжущих компонентов или менее; и предоставление композитному цементному составу возможности схватиться.

[0033] Утверждение 2. Способ по утверждению 1, дополнительно включающий введение композитного цементного состава в ствол скважины.

[0034] Утверждение 3. Способ по утверждению 2, отличающийся тем, что композитный цементный состав вводят в ствол скважины с помощью одного или более насосов.

[0035] Утверждение 4. Способ по любому из предшествующих утверждений, дополнительно включающий смешивание композитного цементного состава с помощью смесительного оборудования.

[0036] Утверждение 5. Способ по любому из предшествующих утверждений, отличающийся тем, что пуццолан включает по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из: золы-уноса, тонкой кремнеземной пыли, золы сельскохозяйственных отходов и природного пуццолана.

[0037] Утверждение 6. Способ по любому из предшествующих утверждений, отличающийся тем, что хлористая соль содержит хлорид натрия, а сульфатная соль содержит сульфат натрия.

[0038] Утверждение 7. Способ по любому из предшествующих утверждений, отличающийся тем, что композитный цементный состав дополнительно содержит цементную печную пыль, и при этом пуццолан содержит золу-унос и пепел рисовой шелухи и/или золу сахарного тростника.

[0039] Утверждение 8. Способ по любому из предшествующих утверждений, отличающийся тем, что композитный цементный состав дополнительно содержит гидратированную известь, при этом пуццолан содержит золу-унос и вулканическую породу.

[0040] Утверждение 9. Способ по любому из предшествующих утверждений, отличающийся тем, что ускоритель присутствует в количестве от около 1% мас. до около 10% мас. вяжущих компонентов и при этом хлористая соль и сульфатная соль присутствуют в массовом соотношении хлористой соли к сульфатной соли от около 10:90 до около 90:10.

[0041] Утверждение 10. Способ по любому из предшествующих утверждений, отличающийся тем, что ускоритель присутствует в количестве от около 2% мас. до около 6% мас. вяжущих компонентов и при этом хлористая соль и сульфатная соль присутствуют в массовом соотношении хлористой соли к сульфатной соли от около 25:75 до около 75:25.

[0042] Утверждение 11. Способ по любому из предшествующих утверждений, отличающийся тем, что ускоритель присутствует в количестве, достаточном для обеспечения более чем 300%-го увеличения прочности на сжатие по сравнению с композитным цементным составом без ускорителя, при этом прочность на сжатие представляет собой прочность на сжатие после двадцати четырех часов.

[0043] Утверждение 12. Способ по любому из предшествующих утверждений, отличающийся тем, что композитный цементный состав дополнительно содержит по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из: гидратированной извести, цементной печной пыли, шлакового цемента, цемента с высоким содержанием глинозема и гипсового цемента.

[0044] Утверждение 13. Композитный цементный состав, содержащий: пуццолан; ускоритель, при этом ускоритель содержит хлористую соль и сульфатную соль; и воду, при этом композитный цементный состав не содержит портландцемент или содержит портландцемент в количестве около 50% мас. вяжущих компонентов или менее.

[0045] Утверждение 14. Состав по утверждению 13, отличающийся тем, что пуццолан содержит по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из: золы-уноса, тонкой кремнеземной пыли, золы сельскохозяйственных отходов и природного пуццолана.

[0046] Утверждение 15. Состав по утверждению 13 или 14, отличающийся тем, что композитный цементный состав дополнительно содержит цементную печную пыль, и при этом пуццолан содержит золу-унос и золу рисовой шелухи и/или золу сахарного тростника.

[0047] Утверждение 16. Состав по любому из утверждений 13-15, отличающийся тем, что композитный цементный состав дополнительно содержит гидратированную известь, при этом пуццолан содержит золу-унос и вулканическую породу.

[0048] Утверждение 17. Состав по любому из утверждений 13-16, отличающийся тем, что хлористая соль содержит хлорид натрия, а сульфатная соль содержит сульфат натрия, при этом ускоритель присутствует в количестве от около 1% мас. до около 10% мас. вяжущих компонентов, и при этом хлористая соль и сульфатная соль присутствуют в массовом соотношении хлористой соли к сульфатной соли от около 10:90 до около 90:10.

[0049] Утверждение 18. Состав по любому из утверждений 13-16, отличающийся тем, что ускоритель присутствует в количестве от около 2% мас. до около 6% мас. вяжущих компонентов, и при этом хлористая соль и сульфатная соль присутствуют в массовом соотношении хлористой соли к сульфатной соли от около 25:75 до около 75:25.

[0050] Утверждение 19. Состав по любому из утверждений 13-18, отличающийся тем, что ускоритель присутствует в количестве, достаточном для обеспечения более чем 300%-го увеличения прочности на сжатие по сравнению с композитным цементным составом без ускорителя, при этом прочность на сжатие представляет собой прочность на сжатие после двадцати четырех часов.

[0051] Утверждение 20. Состав по любому из утверждений 13-19, отличающийся тем, что композитный цементный состав дополнительно содержит по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из: гидратированной извести, цементной печной пыли, шлакового цемента, цемента с высоким содержанием глинозема и гипсового цемента.

[0052] Утверждение 21. Система, содержащая композитный цементный состав, содержащая пуццолан, ускоритель и воду, при этом ускоритель содержит хлористую соль и сульфатную соль, при этом композитный цементный состав не содержит портландцемент или содержит портландцемент в количестве около 50% мас. вяжущих компонентов или менее; и закачиваемый флюид, находящийся в гидравлической связи с трубчатым элементом, находящимся в гидравлической связи со стволом скважины, при этом трубчатый элемент выполнен с возможностью передачи композитного цементного состава в ствол скважины.

[0053] Утверждение 22. Система по утверждению 21, дополнительно содержащая емкость, расположенную выше по потоку от насоса, при этом композитный цементный состав находится в емкости.

[0054] Дальше более подробно со ссылкой на фиг. 1-2 будут описаны способы использования композитных цементных составов, описанных в данном документе, при цементировании скважин. На фиг. 1 проиллюстрирована приведенная в качестве примера система 100, которую могут использовать для приготовления и доставки композитного цементного состава вглубь скважины. Следует отметить, что хотя на фиг. 1 в общем проиллюстрирована операция на суше, специалисты в данной области техники должны без труда понять, что принципы, описанные в данном документе, в равной степени применимы к подводным операциям, в которых используют плавучие или морские платформы и буровые установки, без отступления от объема данного изобретения. Как проиллюстрировано на фиг. 1, система 100 может содержать емкость 105 и насос 110. Насос 110 может быть расположен ниже по потоку от емкости 105 и может находиться в гидравлической связи с трубчатым элементом 115, который находится в гидравлической связи со стволом 120 скважины. Трубчатый элемент 115 может быть выполнен с возможностью циркулирования или иной доставки композитного цементного состава в ствол 120 скважины. Трубчатый элемент 115 может состоять, например, из одной или более различных труб, которые проходят в ствол 120 скважины. Насос 110 может быть, например, одним или большим количеством насосов высокого или низкого давления, работа которых может зависеть, например, от вязкости и плотности композитного цементного состава. Насос 110 может извлекать композитный цементный состав из емкости 105, поднимать давление в композитном цементном составе до соответствующего давления, а затем вводить композитный цементный состав в трубчатый элемент 115 для доставки вглубь скважины. Емкость 105 и насос 110 могут быть расположены, например, на одном или более цементовозах. Хотя это не проиллюстрировано, система 100 может дополнительно содержать рециркуляционный смеситель, порционный смеситель и/или струйный смеситель, которые могут использоваться, например, при приготовлении и/или хранении композитного цементного состава. Неограничивающие дополнительные компоненты, которые могут присутствовать, включают, но не ограничиваются ими, питающие бункеры, клапаны, конденсаторы, переходники, соединения, манометры, датчики, компрессоры, регуляторы давления, датчики давления, регуляторы расхода, датчики расхода, датчики температуры и тому подобное.

[0055] Далее со ссылкой на фиг. 2, состав 200 композитного цемента может быть помещен в подземный пласт 205. Как проиллюстрировано, ствол 120 скважины может быть пробурен вглубь подземного пласта 205. Хотя проиллюстрировано, что ствол 120 скважины проходит в подземный пласт 205 в основном вертикально, принципы, описанные в данном документе, также применимы к стволам скважин, которые проходят через подземный пласт 205 под углом, например горизонтальные и наклонные стволы скважин. Как проиллюстрировано, ствол 120 скважины содержит стенки 210. Устьевая обсадная колонна 215 может быть зацементирована со стенками 210 ствола 120 скважины посредством цементной оболочки 220. Одна или более дополнительных колонн труб (например, промежуточная обсадная колонна, эксплуатационная обсадная колонна, потайная обсадная колонна и т.д.), показанная в данном документе как обсадная труба 225, также могут быть расположены в стволе 120 скважины. Как проиллюстрировано, между обсадной колонной 225 и стенками 210 ствола 120 скважины образовано кольцевое пространство 230 ствола скважины (и/или более крупный трубопровод, такой как устьевая обсадная колонна 215). Один или более центраторов 240 могут быть прикреплены к обсадной колонне 225, например, для центрального позиционирования обсадной колонны 225 в стволе 120 скважины до и во время операции цементирования.

[0056] С дальнейшей ссылкой на фиг. 2, композитный цементный состав 200 может закачиваться вниз по внутренней части обсадной колонны 225. Композитный цементный состав 200 может пропускаться вниз по внутренней части обсадной колонны 225 через башмак 235 обсадной колонны в нижней части обсадной колонны 225 и вверх вокруг обсадной колонны 225 в кольцевом пространстве 230 ствола скважины. Композитный цементный состав 200 может быть размещен в кольцевом пространстве 230 ствола скважины, например, для образования цементной оболочки, которая поддерживает и позиционирует обсадную колонну 225 в стволе 120 скважины. Хотя и не проиллюстрировано, для введения композитного цементного состава 200 также могут быть использованы другие методы. В качестве примера, могут быть использованы методы обратной циркуляции, которые включают в себя введение композитного цементного состава 200 в подземный пласт 205 через кольцевое пространство 230 ствола скважины, а не через обсадную колонну 225.

[0057] При введении композитный цементный состав 200 может вытеснять другие флюиды 245, такие как буровые растворы и/или вытесняющие жидкости, которые могут присутствовать во внутренней части обсадной колонны 225 и/или кольцевом пространстве 230 ствола скважины. По меньшей мере часть вытесненных флюидов 245 может выходить из кольцевого пространства 230 ствола скважины через выкидной трубопровод 125 и размещаться, например, в одной или более сточных емкостях 130 (например, емкости для бурового раствора), как проиллюстрировано на фиг. 1. Снова со ссылкой на фиг. 2, нижняя пробка 250 может быть введена в ствол 120 скважины перед введением композитного цементного состава 200, например, для отделения композитного цементного состава 200 от других флюидов 245, которые могут находиться внутри обсадной колонны 225 до цементирования. После того как нижняя пробка 250 достигает муфты 255 с упором, мембрана или другое подходящее устройство должно разорваться, чтобы пропустить композитный цементный состав 200 через нижнюю пробку 250. На фиг. 2 нижняя пробка 250 проиллюстрирована на муфте 255 с упором. Как проиллюстрировано, верхняя пробка 260 может быть введена в ствол 120 скважины вслед за композитным цементным составом 200. Верхняя пробка 260 может отделять композитный цементный состав 200 от вытесняющей жидкости 265, а также проталкивать композитный цементный состав 200 через нижнюю пробку 250.

[0058] Приведенные в качестве примера композитные цементные составы, раскрытые в данном документе, могут прямо или косвенно влиять на один или более компонентов или частей оборудования, связанных с приготовлением, доставкой, повторным улавливанием, переработкой, повторным использованием и/или утилизацией раскрытых цементных составов. Например, раскрытые композитные цементные составы могут прямо или косвенно влиять на один или более смесителей, связанное смесительное оборудование, емкости для бурового раствора, хранилища или агрегаты, сепараторы для составов, теплообменники, датчики, измерительные приборы, насосы, компрессоры и тому подобное, используемые для создания, хранения, контроля, регулирования и/или регенерирования приведенных в качестве примера композитных цементных составов. Раскрытые композитные цементные составы также могут прямо или косвенно влиять на любое оборудование для транспортировки или доставки, используемое для транспортировки композитных цементных составов к буровой площадке или вглубь скважины, такое как, например, любые емкости для транспортировки, трубопроводы, трубопроводные линии, грузовики, трубчатые элементы и/или трубы, используемые для композиционного перемещения композитных цементных составов из одного места в другое, любые насосы, компрессоры или двигатели (например, верхние или нижние), используемые для приведения композитных цементных составов в движение, любые клапаны или соответствующие соединения, используемые для регулирования давления или скорости потока композитных цементных составов, и любые датчики (то есть датчики давления и температуры), измерительные приборы и/или их комбинации и тому подобное. Раскрытые композитные цементные составы также могут прямо или косвенно влиять на различное скважинное оборудование и инструменты, которые могут вступать в контакт с композитными цементными составами, такие как, но не ограничиваясь этим, обсадная колонна ствола скважины, потайная обсадная колонна ствола скважины, колонна труб для заканчивания скважины, колонны труб с твердосплавными вставками, бурильная колонна, гибкие насосно-компрессорные трубы, каротажный трос, кабель, бурильная труба, утяжеленные бурильные трубы, буровые двигатели, забойные двигатели и/или насосы, насосы для закачки цемента, установленные на поверхности двигатели и/или насосы, центраторы, турболизаторы, скребки, поплавковые элементы (например, башмаки, втулки, клапаны и т.д.), каротажные инструменты и соответствующее телеметрическое оборудование, исполнительные механизмы (например, электромеханические устройства, гидромеханические устройства и т.д.), скользящие муфты, эксплуатационные муфты, пробки, сита, фильтры, устройства управления потоком (например, устройства управления притоком, автономные устройства управления притоком, устройства управления оттоком и т.д.), соединения (например, электрогидравлическое соединение в условиях погружения в жидкость, сухое соединение, индуктивный соединитель и т.д.), линии управления (например, электрические, оптоволоконные, гидравлические и т.д.), линии наблюдения, буровые долота и скважинные расширители, датчики или распределенные датчики, скважинные теплообменники, клапаны и соответствующие исполнительные устройства, уплотнения инструментов, пакеры, цементные пробки, мостовые пробки и другие скважинные изолирующие устройства или компоненты и тому подобное.

[0059] Чтобы содействовать более глубокому пониманию вариантов реализации изобретения, приведены следующие примеры определенных аспектов некоторых вариантов реализации изобретения. Ни в коем случае следующие примеры не должны быть прочитаны для ограничения или определения всего объема изобретения.

ПРИМЕРЫ

Пример 1

[0060] В этом примере была оценена эффективность ускорителя, содержащего две разные соли: хлорид натрия и сульфат натрия. Этот пример был реализован с помощью состава, показанного ниже в таблице 1, при этом варьировалась концентрация ускорителей (хлорида натрия, сульфата натрия или и того, и другого) и измерялась прочность на сжатие. Концентрации сульфата натрия и хлорида натрия варьировались от 0% мас. до 8% мас. сухого цемента. В одном составе использовали комбинацию сульфата натрия (4% мас. сухого цемента) и хлорида натрия (4% мас. сухого цемента). Плотность состава составляла 1,4 г/см³ (12 фунтов на галлон). Все образцы были смешаны в соответствии с процедурами API, а затем отверждены в течение 24 часов на водяной бане при температуре 33°C (92 °F) и давлении окружающей среды, после чего образцы были раздавлены (с помощью силовой рамы Tinius Olsen) для получения прочности на сжатие в условиях «неограниченной нагрузки».

Таблица 1

[0061] Результаты данного примера представлены на фиг. 3. Неожиданно, но комбинация хлорида натрия и сульфата натрия значительно увеличивала прочность на сжатие, в то время как каждая соль по отдельности практически не имела эффекта. В действительности, комбинация солей давала почти в три раза большую прочность на сжатие, чем в случае суспензии с одинаковым процентным содержанием сульфата натрия (4% хлорида натрия+4% сульфата натрия в сравнении с 8% сульфата натрия). Кроме того, каждый из составов только с хлоридом натрия схватывался, но имел не поддающуюся измерению прочность на сжатие в течение 24 часов, демонстрируя глиноподобную консистенцию.

Пример 2

[0062] Чтобы дополнительно исследовать ускорители, содержащие две разные соли, хлорид натрия и сульфат натрия, были испытаны различные концентрации ускорителя 1:1, содержащего хлорид натрия и сульфат натрия, в трех различных композитных цементных составах, которые считались составами с низким содержанием портландцемента. Все образцы были смешаны в соответствии с процедурами API, а затем отверждены в течение 24 часов на водяной бане при 38°C (100 °F) и давлении окружающей среды, после чего образцы были раздавлены (с использованием силовой рамы Tinius Olsen) для получения прочности на сжатие в условиях «неограниченной нагрузки». Составы и результаты испытаний приведены ниже в таблицах 2-4.

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

[0063] Результаты данного примера представлены в приведенных выше таблицах, а также графически представлены на фиг. 4. По сравнению с композитным цементным составом без ускорителя, в каждом из трех вариантов комбинация ускорителя 2:2 обеспечивает наиболее значительное увеличение прочности на сжатие. На фиг. 5 проиллюстрировано процентное увеличение сжатия в отношении данных, приведенных в таблицах 2-4, по сравнению с изменениями без задействования ускорителя. На фиг. 6 проиллюстрирован график, показывающий соотношение прочности на сжатие в зависимости от содержания портландцемента. Соотношение прочности на сжатие представляет собой измеренную прочность на сжатие с ускорителем по сравнению с базисом без какого-либо ускорителя. Как проиллюстрировано на фиг. 5 и 6, комбинированный ускоритель оказывает большее влияние на составы с более низкими количествами портландцемента и более высокими количествами пуццолана, вулканической породы и золы-уноса в этом примере и меньше влияет на составы с более высокими количествами портландцемента и более низкими количествами пуццолана. Таким образом, эффективность ускорителя, содержащего сульфат натрия и хлорид натрия, по-видимому, снижается с увеличением концентрации портландцемента.

[0064] Следует понимать, что составы и способы, описанные такими терминами, как «содержащие», «включающие в себя» или «включающие» различные компоненты или этапы, составы и способы, также могут «состоять, по существу, из» или «состоять из» различных компонентов и этапов. Кроме того, термины, употребляемые в формуле изобретения в единственном числе, определены в данном документе как означающие один или более элементов, которые они вводят.

[0065] Для краткости изложения в данном документе явным образом раскрыты только определенные диапазоны. Однако диапазоны от любого нижнего предела могут быть объединены с любым верхним пределом для приведения диапазона, не приведенного явным образом, а также диапазоны от любого нижнего предела могут быть объединены с любым другим нижним пределом для приведения диапазона, не приведенного явным образом; аналогично, диапазоны от любого верхнего предела могут быть объединены с любым другим верхним пределом для приведения диапазона, не приведенного явным образом. Кроме того, всякий раз, когда раскрывается числовой диапазон с нижним пределом и верхним пределом, конкретно раскрывается любое число и любой включенный диапазон, попадающие в этот диапазон. В частности, каждый диапазон значений (в виде «от около а до около b» или, эквивалентно, «от около а до b» или, эквивалентно, «от около a-b»), раскрытый в данном документе, следует понимать как приводящий все числа и диапазоны, включенные в более широкий диапазон значений, даже если они не указаны явно. Таким образом, каждый пункт или отдельное значение может служить в качестве собственного нижнего или верхнего предела в сочетании с любым другим пунктом или отдельным значением или любым другим нижним или верхним пределом для приведения диапазона, не приведенного явным образом.

[0066] Следовательно, данное 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 данное изобретение можно модифицировать и применять на практике различными, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области техники, пользующихся преимуществами приведенных в данном документе идей. Хотя обсуждаются отдельные примеры, изобретение охватывает все комбинации всех таких примеров. К тому же никакие ограничения не предназначены для описания деталей конструкции или структуры, проиллюстрированных в данном документе, кроме тех, что описаны в формуле изобретения ниже. Кроме того, термины в формуле изобретения имеют свое простое, обычное значение, если патентообладателем явно и четко не определено иное. Следовательно, очевидно, что конкретные иллюстративные примеры, раскрытые выше, могут быть изменены или модифицированы, и все такие вариации рассматриваются в пределах объема и сущности данного изобретения. Если есть какое-либо противоречие в использовании какого-либо слова или термина в данном описании и 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.

Реферат

Изобретение относится к способу цементирования скважин. Способ цементирования скважин включает: обеспечение композитного цементного состава, содержащего по меньшей мере один пуццолан, ускоритель и воду, при этом ускоритель содержит хлористую соль и сульфатную соль, при этом композитный цементный состав не содержит портландцемент или содержит портландцемент в количестве около 50 мас.% вяжущих компонентов или менее; и предоставление композитному цементному составу возможности схватиться, причем ускоритель присутствует в количестве от около 1 мас.% до около 10 мас.% вяжущих компонентов, и при этом хлористая соль и сульфатная соль присутствуют в массовом соотношении хлористой соли к сульфатной соли от около 10:90 до около 90:10. Также описан композитный цементный состав для цементирования скважин. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 пр., 4 табл., 6 ил.

Формула