Композиции, содержащие печную пыль и волластонит, и способы их применения в подземных пластах - RU2640621C2

Чертежи

Описание

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка представляет собой частичное продолжение заявки на патент США № 13/477777, поданной 22 мая 2012 года, которая является выделенной из заявки на патент США № 13/399913, поданной 17 февраля 2012 года (в настоящее время выданной как патент США № 8281859), которая является частичным продолжением заявки на патент США № 13/180238, поданной 11 июля 2011 года, которая является частичным продолжением заявки на патент США № 12/975196, поданной 21 декабря 2010 года (в настоящее время выданной как 8403045), и заявка на патент США № 13/399913 также представляет собой частичное продолжение заявки на патент США № 12/895436, поданной 30 сентября 2010 года, которая является частичным продолжением заявки на патент США № 12/264010, поданной 3 ноября 2008 года (в настоящее время выданной как патент США № 8333240), которая является частичным продолжением заявки на патент США № 11/223669, поданной 9 сентября 2005 года (в настоящее время выданной как патент США № 7445669), полное содержание которых включено в настоящий документ посредством ссылки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В целом, обработка скважин включает множество способов, таких как способы бурения, заканчивания и капитального ремонта, которые могут быть осуществлены в нефтяных, газовых, геотермальных и/или водяных скважинах, Способы бурения, заканчивания и капитального ремонта могут включать, но не ограничиваются ими, способы бурения, гидроразрыва, кислотной обработки, каротажных работ, цементирования, набивки гравия, перфорирования и проверки соответствия. Многие из указанных способов обработки скважин предназначены для увеличения и/или облегчения добычи требуемых текучих сред из подземной скважины.

В способах цементирования, таких как строительство скважины и ремонтное цементирование, обычно используют затвердевающие композиции. При использовании в настоящем документе термин «затвердевающая композиция» относится к композиции(-ям), которая гидравлически затвердевает или иным образом приобретает прочность на сжатие. Затвердевающие композиции могут быть использованы в операциях первичного цементирования, посредством которых в стволах скважин цементируют колонны труб, такие как обсадные колонны и потайные колонны. При выполнении первичного цементирования затвердевающая композиция может быть закачана в кольцевое пространство между подземным пластом и колонной труб, расположенной в подземном пласте. Затвердевающая композиция должна затвердевать в кольцевом пространстве, образуя таким образом кольцевую обшивку из затвердевшего цемента (например, цементную обшивку), которая должна поддерживать и вмещать колонну труб и стволе скважины и связывать внешнюю поверхность колонны труб со стенками ствола скважины. Затвердевающие композиции также могут быть использованы в способах ремонтного цементирования, таких как установка цементных пробок, и при исправительном цементировании для герметизации пустот в колонне труб, цементной обшивке, гравийной набивке, пласте и т.п. Затвердевающие композиции также могут быть использованы в наземных применениях, например в строительном цементировании.

Затвердевающие композиции для применения в подземных пластах могут дополнительно содержать портландцемент. Портландцемент обычно является основным фактором затрат затвердевающих композиций. В дополнение к портландцементу или вместо него в затвердевающую композицию могут быть введены другие компоненты. Такие компоненты могут включать золу-унос, шлак, глинистый сланец, цеолит, метакаолин, пемзу, перлит, известь, диоксид кремния, золу оболочки рисового зерна, сверхтонкий цемент, пыль печи для обжига извести и т.п. Однако условия эксплуатации скважин становятся более трудными и требовательными, и поиск новых материалов продолжает удовлетворять указанные потребности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Указанные чертежи иллюстрируют некоторые аспекты некоторых вариантов реализации настоящего изобретения, и их не следует использовать для ограничения или определения границ объема настоящего изобретения.

На фиг. 1 изображена система для получения и доставки затвердевающей композиции в ствол скважины в соответствии с некоторыми вариантами реализации.

На фиг. 2A изображено наземное оборудование, которое может быть использовано для укладки затвердевающей композиции в ствол скважины в соответствии с некоторыми вариантами реализации.

На фиг. 2B изображена укладка затвердевающей композиции в затрубное пространство ствола скважины в соответствии с некоторыми вариантами реализации.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ

Варианты реализации изобретения относятся к операциям цементирования и, более конкретно, некоторые варианты реализации относятся к затвердевающим композициям, которые содержат печную пыль и волластонит, а также к способам их применения в подземных пластах. В некоторых вариантах реализации затвердевающие композиции могут содержать печную пыль, волластонит и воду. Одно из многих потенциальных преимуществ конкретных вариантов реализации заключается в том, что введение волластонита в затвердевающие композиции согласно различным вариантам реализации может обеспечивать увеличение прочности готовой затвердевшей композиции. Другое потенциальное преимущество некоторых вариантов реализации заключается в том, что печная пыль, волластонит или их комбинация могут быть использованы для снижения количества более дорогого компонента, такого как портландцемент, что обеспечивает получение более экономичной затвердевающей композиции. Другое потенциальное преимущество некоторых вариантов реализации заключается в том, что снижение количества портландцемента может обеспечивать уменьшение углеродного следа операций цементирования.

Варианты реализации затвердевающих композиций могут содержать печную пыль. При использовании в настоящем документе термин «печная пыль» относится к твердому материалу, полученному в качестве побочного продукта нагревания некоторых материалов в печах. Термин «печная пыль», используемый в настоящем документе, включает печную пыль, полученную так, как описано в настоящем документе, а также к эквивалентным формам печной пыли. Печная пыль обычно демонстрирует цементирующие свойства в том отношении, что она может схватываться и затвердевать в присутствии воды. Примеры подходящей печной пыли включают пыль цементообжигательной печи, пыль печи для обжига извести и их комбинации. Пыль цементообжигательной печи может быть образована в качестве побочного продукта получения цемента, которую удаляют из потока газов и собирают, например, в пылеуловителе. Как правило, при производстве цемента собирают большие количества пыли цементообжигательной печи, которые обычно утилизируют в виде отходов. Утилизация пыли цементообжигательной печи может приводить к нежелательному увеличению затрат при производстве цемента, а также вызывать экологические проблемы, связанные с ее захоронением. Химический анализ пыли цементообжигательных печей различных производителей цемента варьируется в зависимости от множества факторов, включая конкретный обжигаемый материал, эффективность эксплуатации мощностей по производству цемента и сопутствующие системы сбора пыли. Пыль цементообжигательной печи, как правило, может содержать множество оксидов, таких как SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO, SO₃, Na₂O и K₂O. Проблемы также могут быть связаны с утилизацией пыли печи для обжига извести, которая может быть образована в качестве побочного продукта кальцинирования извести. Химический анализ пыли печей для обжига извести различных производителей извести варьируется в зависимости от множества факторов, включая конкретный обжигаемый известняк или доломитовый известняк, тип печи, режим эксплуатации печи, эффективность эксплуатации мощностей по производству извести и сопутствующие системы сбора пыли. Пыль печи для обжига извести может содержать переменные количества свободной извести и свободного магния, известняка и/или доломитового известняка и множество оксидов, таких как SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO, SO₃, Na₂O и K₂O, а также других компонентов, таких как хлориды.

Печная пыль может быть введена в затвердевающие композиции в количестве, достаточном для обеспечения, например, среди прочих свойств, требуемой прочности на сжатие. В некоторых вариантах реализации содержание печной пыли в затвердевающих композициях может составлять от примерно 1% до примерно 99% относительно массы цементирующих компонентов («% масс.ц.»). Термин «цементирующие компоненты» относится к компонентам затвердевающих композиций или их комбинациям, которые гидравлически схватываются или иным образом затвердевают, приобретая прочность на сжатие, включая, например, печную пыль, портландцемент, золу-унос, природный пуццолан (например, пемзу), шлак, остеклованный глинистый сланец, метакаолин, золу рисовой шелухи и т.п. В некоторых вариантах реализации содержание цементирующих компонентов в затвердевающей композиции может составлять от примерно 25% до примерно 75% относительно массы затвердевающей композиции.Содержание печной пыли может составлять, например, количество в диапазоне между любыми и/или включая любые из следующих значений: примерно 5%, примерно 10%, примерно 15%, примерно 20%, примерно 25%, примерно 30%, примерно 35%, примерно 40%, примерно 45%, примерно 50%, примерно 55%, примерно 60%, примерно 65%, примерно 70%, примерно 75%, примерно 80% или примерно 90% масс.ц (по массе цемента). В конкретных вариантах реализации содержание печной пыли в затвердевающих композициях может составлять от примерно 5% до 90% масс.ц., от примерно 20% до примерно 50% или от примерно 20% до примерно 30% масс.ц. Специалисты в данной области техники, пользующиеся выгодами настоящего описания, могут определить подходящие количества печной пыли для введения для выбранного применения.

В некоторых вариантах реализации затвердевающие композиции могут содержать волластонит. Волластонит в целом представляет собой минерал на основе иносиликата кальция, используемый в промышленных применениях, таких как производство керамики, фрикционных материалов, металлургия, производство наполнителей для красок и пластмасс. Волластонит может быть добыт во многих местах, расположенных по всему миру, а затем переработан для применения в промышленности. Волластонит можно считать цементирующим компонентом, поскольку он может схватываться и затвердевать в присутствии диоксида кремния, извести и воды. Волластонит, используемый в некоторых вариантах реализации, может иметь средний размер частиц в диапазоне от примерно 1 мкм до примерно 200 мкм и, альтернативно, от примерно 5 мкм до примерно 100 мкм. Волластонит может быть введен в затвердевающие композиции согласно различным вариантам реализации в количестве, подходящем для конкретного применения. В некоторых вариантах реализации содержание волластонита в затвердевающих композициях может составлять от примерно 1% до примерно 75% масс.ц. В конкретных вариантах реализации содержание волластонита может составлять количество в диапазоне между любыми и/или включая любые из следующих значений: примерно 5%, примерно 10%, примерно 15%, примерно 20%, примерно 25%, примерно 30%, примерно 35%, примерно 40%, примерно 45%, примерно 50%, примерно 55%, примерно 60%, примерно 65%, примерно 70% или примерно 75% масс.ц. В конкретных вариантах реализации содержание волластонита в затвердевающих композициях может составлять от примерно 5% до 50% масс.ц. или от примерно 20% до примерно 30% масс.ц. Специалисты в данной области техники, пользующиеся выгодами настоящего описания, могут определить количество волластонита для введения для выбранного применения.

Вода, используемая в различных вариантах реализации затвердевающих композиций, может включать, например, пресную воду, соленую воду (например, воду, содержащую одну или более солей, растворенных в ней), насыщенный солевой раствор (например, насыщенную соленую воду, добытую из подземных пластов), морскую воду или любую их комбинацию. Как правило, вода может быть из любого источника, при условии, например, что она не содержит избыток соединений, которые могут неблагоприятно влиять на другие компоненты затвердевающей композиции. В некоторых вариантах реализации вода может быть введена в количестве, достаточном для получения поддающейся насосной перекачке суспензии. В некоторых вариантах реализации вода может быть введена в затвердевающие композиции в количестве от примерно 40% до примерно 200% масс.ц. В некоторых вариантах реализации вода может быть введена в количестве от примерно 40% до примерно 150% масс.ц.

В некоторых вариантах реализации затвердевающие композиции могут дополнительно содержать портландцемент, включая, но не ограничиваясь ими, цементы класса A, C, G и H, классифицированные в соответствии со спецификацией Американского нефтяного института (API) для материалов и испытаний тампонажны пятое издание, 1 июля 1990 года. Кроме того, в некоторых вариантах реализации портландцементы, подходящие для применения в некоторых вариантах реализации, могут быть классифицированы по ASTM как цемент I, II или III типа. При его наличии, портландцемент может быть, как правило, введен в затвердевающие композиции в количестве, достаточном для обеспечения требуемой прочности на сжатие, плотности и/или стоимости. В некоторых вариантах реализации содержание портландцемента в затвердевающих композициях может составлять от примерно 1% до примерно 75% масс.ц. Например, содержание гидравлического цемента может составлять количество в диапазоне между любыми и/или включая любые из следующих значений: примерно 1%, примерно 5%, примерно 10%, примерно 20%, примерно 30%, примерно 40%, примерно 50%, примерно 60%, примерно 70% или примерно 75% масс.ц.

В различных вариантах реализации затвердевающих композиций могут быть включены другие необязательные добавки, включая, но не ограничиваясь ими, золу-унос, шлак, глинистый сланец (например, остеклованный глинистый сланец), цеолит, метакаолин, пемзу, перлит, известь, диоксид кремния (например, аморфный диоксид кремния, кристаллический диоксид кремния), золу рисовой шелухи, тонкодисперсный цемент и их комбинации.При использовании в настоящем документе термин «тонкодисперсный цемент» относится к цементу, имеющему размер частиц (или d50) не более примерно 5 мкм, например, в диапазоне от примерно 1 мкм до примерно 5 мкм. При их наличии, отдельные указанные необязательные добавки могут быть введены в затвердевающие композиции в количестве от примерно 0,1% до примерно 90% масс.ц. Например, одна или более необязательных добавок могут быть по отдельности введены в количестве в диапазоне между любыми и/или включая любые из следующих значений: примерно 5%, примерно 10%, примерно 15%, примерно 20%, примерно 25%, примерно 30%, примерно 35%, примерно 40%, примерно 45%, примерно 50%, примерно 55%, примерно 60%, примерно 65%, примерно 70%, примерно 75%, примерно 80%, примерно 85% или примерно 90% масс.ц. Специалисты в данной области техники, пользующиеся выгодами настоящего описания, могут определить подходящие количества необязательных добавок для введения для выбранного применения.

Другие добавки, подходящие для применения в операциях цементирования, также могут быть добавлены в затвердевающие композиции согласно различным вариантам реализации в соответствии с конкретным применением. Примеры таких добавок включают, но не ограничиваются ими, диспергирующие агенты, добавки для снижения прочности, ускорители схватывания, замедлители схватывания, утяжелители, легковесные добавки, газообразующие добавки, добавки для улучшения механических свойств, материалы для борьбы с потерей циркуляции, добавки для понижения водоотдачи, пенообразующие агенты, пеногасители, нефтенабухающие частицы, водонабухающие частицы, тиксотропные добавки и любые их комбинации. Конкретные примеры этих и других добавок включают кристаллический диоксид кремния, пирогенный диоксид кремния, силикаты, соли, волокна, гидрофильные глины, микросферы, диатомовую землю, эластомеры, эластомерные частицы, каучуки, латекс, любые их комбинации и т.п. Специалисты в данной области техники, пользующиеся выгодами настоящего описания, могут легко определить тип и количество добавки, подходящей для конкретного применения и требуемого результата.

В затвердевающие композиции согласно различным вариантам реализации могут быть включены диспергирующие агенты. При его наличии, диспергирующий агент должен обеспечивать, среди прочего, регулирование реологических свойств затвердевающей композиции. Хотя в некоторых вариантах реализации могут быть использованы различные диспергирующие агенты, известные специалистам в данной области техники, примеры подходящих диспергирующих агентов включают конденсат нафталинсульфоновой кислоты с формальдегидом; конденсат ацетона, формальдегида и сульфита, конденсат меламинсульфоната с формальдегидом; и любые их комбинации.

В затвердевающие композиции согласно различным вариантам реализации могут быть включены добавки для снижения прочности, например, для предотвращения снижения прочности после приобретения прочности на сжатие затвердевающей композиции при воздействии на затвердевающую композицию высоких температур. Указанные добавки могут обеспечивать возможность надлежащего превращения затвердевающих композиций, предотвращая растрескивание и преждевременное разрушение цементирующей композиции. Примеры подходящих добавок для снижения прочности могут включать, но не ограничиваются ими, аморфный диоксид кремния, крупнозернистый кристаллический диоксид кремния, мелкозернистый кристаллический диоксид кремния или их комбинации.

В затвердевающие композиции согласно различным вариантам реализации могут быть включены ускорители схватывания, например, для увеличения скорости реакций затвердевания. Регулирование времени схватывания может обеспечивать возможность подстройки под условия в стволе скважины или подстройки времени схватывания под отдельные виды работ. Примеры подходящих ускорителей схватывания могут включать, но не ограничиваются ими, сульфат алюминия, алюмокалиевые квасцы, хлорид кальция, сульфат кальция, полугидрат гипса, алюминат натрия, карбонат натрия, хлорид натрия, силикат натрия, сульфат натрия, хлорид железа (III) или их комбинации.

В затвердевающие композиции согласно различным вариантам реализации могут быть включены замедлители схватывания, например, для увеличения времени схватывания затвердевающих композиций. Примеры подходящих замедлителей схватывания включают, но не ограничиваются ими, аммоний, щелочные металлы, щелочноземельные металлы, буру, металлические соли лигносульфоната кальция, карбоксиметилгидроксиэтилцеллюлозу, сульфоалкилированные лигнины, оксикарбоновые кислоты, сополимеры соли 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты и акриловой кислоты или малеиновой кислоты, насыщенный солевой раствор или их комбинации. Один из примеров подходящего сульфоалкилированного лигнина включает сульфометилированный лигнин.

В затвердевающие композиции согласно различным вариантам реализации могут быть включены утяжелители, например, для увеличения плотности затвердевающих композиций. Примеры подходящих утяжелителей включают, но не ограничиваются ими, измельченный сульфат бария, барит, гематит, карбонат кальция, сидерит, ильменит, оксид марганца, песок, соль или их комбинации.

В затвердевающие композиции согласно различным вариантам реализации могут быть включены легковесные добавки, например, для уменьшения плотности затвердевающих композиций. Примеры подходящих легковесных добавок включают, но не ограничиваются ими, бетонит, уголь, диатомовую землю, вспученный перлит, золу-унос, гильсонит, полые микросферы, эластичные гранулы низкой плотности, азот, пуццолан-бетонит, силикат натрия, их комбинации или другие легковесные добавки, известные в данной области техники.

В затвердевающие композиции согласно различным вариантам реализации могут быть включены газообразующие добавки для выделения газа в заданное время, что может иметь благоприятный эффект для предотвращения миграции газа из пласта через затвердевающую композицию до ее схватывания. Образованный газ может смешиваться с пластовым газом или замедлять его проникновение в затвердевающую композицию. Примеры подходящих газообразующих добавок включают, но не ограничиваются ими, частицы металлов (например, алюминиевый порошок), которые взаимодействуют с щелочным раствором с образованием газа.

В затвердевающие композиции согласно различным вариантам реализации могут быть включены добавки для улучшения механических свойств, например, для обеспечения надлежащей прочности на сжатие и долговременной структурной целостности. Указанные свойства могут быть ухудшены под действием деформации, напряжения, температуры, давления и ударного действия подземной среды. Примеры добавок для улучшения механических свойств включают, но не ограничиваются ими, углеродные волокна, стеклянные волокна, металлические волокна, минеральные волокна, кварцевые волокна, полимерные эластомеры и латексы.

В затвердевающие композиции согласно различным вариантам реализации могут быть включены материалы для борьбы с потерей циркуляции, например, для облегчения предотвращения потери жидкостной циркуляции в подземном пласте. Примеры материалов для борьбы с потерей циркуляции включают, но не ограничиваются ими, кедровую кору, резаные стебли тростника, минеральные волокна, чешуйки слюды, целлофан, карбонат кальция, резиновую крошку, полимерные материалы, частицы пластика, измельченный мрамор, древесину, ореховые скорлупы, формику, сердцевины кукурузного початка и кожуру хлопковых семян.

В затвердевающие композиции согласно различным вариантам реализации могут быть включены добавки для понижения водоотдачи, например, для снижения объема жидкости, теряющейся в подземном пласте. Свойства затвердевающих композиций могут в значительной степени зависеть от содержания в них воды. В результате потери жидкости затвердевающие композиции могут подвергаться разрушению или полному исчезновению требуемых свойств. Примеры подходящих добавок для понижения водоотдачи включают, но не ограничиваются ими, некоторые полимеры, такие как гидроксиэтилцеллюлоза, карбоксиметилгидроксиэтилцеллюлоза, сополимеры 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты и акриламида или N,N-диметилакриламида и привитые сополимеры, содержащие скелет лигнина или лигнита и боковые группы, содержащие по меньшей мере один член, выбранный из группы, состоящей из 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты, акрилонитрила и N,N-диметилакриламида.

В затвердевающие композиции согласно различным вариантам реализации могут быть включены пенообразующие агенты, например, для облегчения пенообразования и/или стабилизации пены, образованной с ними. Примеры подходящих пенообразующих добавок включают, но не ограничиваются ими: смеси соли аммония простого алкилэфирсульфата, кокоамидопропилбетаинового поверхностно-активного вещества, кокоамидопропилдиметиламиноксидного поверхностно-активного вещества, хлорида натрия и воды; смеси соли аммония простого алкилэфирсульфата, кокоамидопропилгидроксисультаинового поверхностно-активного вещества, кокоамидопропилдиметиламиноксидного поверхностно-активного вещества, хлорида натрия и воды; гидролизованный кератин; смеси поверхностно-активного вещества на основе простого эфирсульфата этоксилированного спирта, алкил- или алкенамидопропилбетаинового поверхностно-активного вещества и алкил- или алкендиметиламиноксидного поверхностно-активного вещества; водные растворы альфа-олефинового сульфонатного поверхностно-активного вещества и бетаинового поверхностно-активного вещества; и их комбинации. Пример подходящей пенообразующей добавки представляет собой агент ZoneSealant™ 2000 производства Halliburton Energy Services, Inc.

В затвердевающие композиции согласно различным вариантам реализации могут быть включены пеногасители, например, для снижения склонности затвердевающей композиции к образованию пены при смешивании и закачивании затвердевающих композиций. Примеры подходящих пеногасителей включают, но не ограничиваются ими, многоатомные силиконовые соединения. Подходящие пеногасители имеются в продаже у компании Halliburton Energy Services, Inc. под торговым названием пеногасители D-AIR™.

В затвердевающие композиции согласно различным вариантам реализации могут быть включены тиксотропные добавки, например, для обеспечения затвердевающей композиции, которая может быть закачана в виде легкоподвижной или низковязкой жидкости, но, будучи оставлена в покое, приобретает относительно высокую вязкость. Среди прочего, тиксотропные добавки могут быть использованы для облегчения регулирования несвязанной воды, быстрого гелеобразования при схватывании суспензии, борьбы с потерей циркуляции, предотвращения «фильтрации» в затрубной колонне и минимизации миграции газа. Примеры подходящих тиксотропных добавок включают, но не ограничиваются ими, гипс, водорастворимую карбоксиалкил-, гидроксиалкил-, смешанную карбоксиалкилгидроксиалкилцеллюлозу, соли поливалентных металлов, оксихлорид циркония с гидроксиэтилцеллюлозой или их комбинации.

Специалистам в данной области техники понятно, что затвердевающие композиции обычно должны иметь плотность, подходящую для конкретного применения. Например, затвердевающая композиция может иметь плотность от примерно 4 фунта на галлон («фунт/галлон») до примерно 20 фунт/галлон. В некоторых вариантах реализации затвердевающие композиции могут иметь плотность от примерно 8 фунт/галлон до примерно 17 фунт/галлон. Затвердевающие композиции согласно различным вариантам реализации могут быть вспененными или не вспененными, или могут содержать другие средства снижения плотности, такие как полые микросферы, эластичные гранулы низкой плотности или другие добавки для уменьшения плотности, известные в данной области техники. В некоторых вариантах реализации затвердевающие композиции могут быть вспенены с помощью одной или более пенообразующих добавок и газа. Специалисты в данной области техники, имеющие выгоду от настоящего описания, могут определить подходящую плотность для конкретного применения.

Компоненты затвердевающей композиции могут быть смешаны в любом порядке, предназначенном для получения затвердевающей композиции, которая может быть уложена в подземный пласт. Кроме того, компоненты затвердевающих композиций могут быть смешаны с помощью любого смесительного устройства, совместимого с указанной композицией, включая, например, смеситель для сухих смесей, рециркуляционную трубу или струйный смеситель. В некоторых вариантах реализации затвердевающие композиции могут быть получены посредством смешивания сухих компонентов с водой. Перед добавлением воды к сухим компонентам с ней могут быть смешаны другие добавки. В некоторых вариантах реализации твердые компоненты могут быть смешаны в сухом виде до их смешивания с водой. Например, может быть получена сухая смесь, которая содержит волластонит, печную пыль и необязательную добавку, такую как, среди прочих, портландцемент. В соответствии с некоторыми вариантами реализации для получения затвердевающий композиций могут быть использованы другие подходящие технологии, как понятно специалистам в данной области техники.

В некоторых вариантах реализации затвердевающие композиции могут приобретать требуемую прочность на сжатие в затрубном пространстве ствола скважины для операций подземного цементирования. Прочность на сжатие представляет собой, в целом, способность материала или структуры выдерживать осевое толкающее усилие. Прочность на сжатие может быть измерена в определенное время после укладки затвердевающей композиции и выдерживания затвердевающей композиции в определенных условиях температуры и давления. Прочность на сжатие может быть измерена методом испытаний с разрушением образца или методом испытаний без разрушения образца. Метод испытаний с разрушением образца обеспечивает физическую проверку прочности затвердевших композиций в различных точках времени посредством разрушения образцов в машине для испытания на сжатие. Прочность на сжатие рассчитывают по разрушающей нагрузке, деленной на площадь поперечного сечения, выдерживающую указанную нагрузку, и записывают в единицах фунт-силы на квадратный дюйм (psi). Методы испытаний без разрушения образца обычно выполняют с помощью ультразвукового анализатора цемента («UCA») производства Fann Instrument Company, Хьюстон, штат Техас. Прочность на сжатие может быть определена в соответствии с API RP 10B-2, Руководство по испытанию тампонажных цементов, первое издание, июль 2005 года.

Например, затвердевающие композиции согласно различным вариантам реализации через 72 часа в подземном пласте могут приобретать прочность на сжатие в диапазоне от примерно 250 psi до примерно 10000 psi и, альтернативно, от примерно 800 psi до примерно 2000 psi. В некоторых вариантах реализации прочность на сжатие через 72 часа может быть описана как разрушающая прочность на сжатие, измеренная при атмосферном давлении и температурах в диапазоне от примерно 50 °F до примерно 400 °F, альтернативно в диапазоне от примерно 80 °F до примерно 250 °F.

Затвердевающие композиции согласно различным вариантам реализации могут быть использованы в многочисленных применениях, включая применение при подземном цементировании, таком как, среди прочих, первичное и ремонтное цементирование. Варианты реализации могут включать обеспечение затвердевающей композиции и предоставление возможности схватывания затвердевающей композиции. В различных вариантах реализации затвердевающие композиции могут содержать волластонит, печную пыль, волластонит и воду. В затвердевающие композиции могут быть включены дополнительные добавки, например, описанные выше. При использовании в настоящем документе «введение затвердевающей композиции в подземный пласт» включает введение в любую часть подземного пласта, включая, без ограничения, в ствол скважины, пробуренный в подземном пласте, в призабойную зону, окружающую ствол скважины или оба варианта. Кроме того, введение затвердевающей композиции в подземный пласт включает введение затвердевающей композиции в один или более подземных пластов, через которые проходит ствол скважины.

Например, в вариантах реализации первичного цементирования затвердевающая композиция может быть введена в затрубное пространство и оставлена схватываться в затрубном пространстве с образованием затвердевшей массы. Затрубное пространство может включать, например, кольцевое пространство между обсадной колонной (например, колонной труб, кондукторной колонной, технической колонной, эксплуатационной колонной, потайной колонной и т.п.) и стенкой ствола скважины или между обсадной колонной и обсадной колонной большего размера, расположенной в стволе скважины. Как правило, затвердевшая масса в большинстве случаев должна закреплять обсадную колонну в стволе скважины.

В вариантах реализации ремонтного цементирования затвердевающая композиция может быть использована, например, для операций исправительного цементирования или для установки пробок. Например, затвердевающая композиция может быть уложена в ствол скважины для закупоривания пустоты или трещины в пласте, в гравийной набивке, в обсадной колонне, в цементной обшивке и/или в микрозазоре между цементной обшивкой и обсадной колонной. В другом варианте реализации затвердевающая композиция может быть уложена в ствол скважины для образования пробки в стволе скважины, например, для герметизации ствола скважины.

Ссылаясь на фиг. 1, далее описано получение затвердевающей композиции в соответствии с иллюстративными вариантами реализации. На фиг. 1 изображена система 2 для получения затвердевающей композиции и ее доставки в ствол скважины в соответствии с некоторыми вариантами реализации. Показано, что затвердевающая композиция может быть смешана в смесительном устройстве 4, таком как, например, струйный смеситель, рециркулирующий смеситель или смеситель периодического действия, а затем закачана с помощью насосного оборудования 6 в ствол скважины. В некоторых вариантах реализации смесительное устройство 4 и насосное оборудование 6 могут быть расположены на одном или более цементовозах, как понятно специалистам в данной области техники. В некоторых вариантах реализации может быть использован струйный смеситель, например, для непрерывного смешивания волластонита/пемзы с водой по мере ее закачивания в ствол скважины.

Далее описана иллюстративная технология укладки затвердевающей композиции в подземный пласт со ссылкой на фиг. 2A и 2B. На фиг. 2A изображено наземное оборудование 10, которое может быть использовано для укладки затвердевающей композиции в соответствии с некоторыми вариантами реализации. Следует отметить, что хотя на фиг. 2A изображена, в целом, эксплуатация наземной установки, специалистам в данной области техники понятно, что принципы, описанные в настоящем документе, в равной степени применимы к подводным операциям, используемым на плавучих или морских платформах и буровых установках, без отклонения от границ объема настоящего описания. Как показано на фиг. 2A, наземное оборудование 10 может содержать цементировочную установку 12, которая может содержать один или более цементовозов. Цементировочная установка 12 может содержать смесительное устройство 4 и насосное оборудование 6 (например, фиг. 1), как понятно специалистам в данной области техники. Цементировочная установка 12 может обеспечивать закачивание затвердевающей композиции 14 по питающей трубе 16 в цементировочную головку 18, передающую затвердевающую композицию 14 в скважину.

Обращаясь к фиг. 2B, затвердевающая композиция 14 может быть уложена в подземный пласт 20 в соответствии с иллюстративными вариантами реализации. Как показано, ствол 22 скважины может быть пробурен в подземном пласте 20. Хотя показано, что ствол 22 скважины направлен в подземный пласт 20 по существу вертикально, принципы, описанные в настоящем документе, применимы также к стволам скважины, направленным в подземном пласте 20 под углом, таким как горизонтальные и наклонные стволы скважины. Как показано, ствол 22 скважины содержит стенки 24. В иллюстрированном варианте реализации в ствол 22 скважины вставлена кондукторная колонна 26. Кондукторная полона 26 может быть скреплена со стенками 24 ствола 22 скважины цементной обшивкой 28. В иллюстрированном варианте реализации в стволе 22 скважины может быть расположена одна или более дополнительных обсадных колонн (например, техническая колонна, эксплуатационная колонна, потайная колонна и т.д.), изображенные обсадной колонной 30. Как показано, существует затрубное пространство 32, образованное обсадной колонной 30 и стенками 24 ствола 22 скважины и/или кондукторной колонной 26. К обсадной колонне 30 может быть прикреплен один или более центраторов 34, например, для центрирования обсадной колонны 30 в стволе 22 скважины до и во время операции цементирования.

Продолжая ссылаться на фиг. 2B, затвердевающая композиция 14 может быть закачана во внутреннюю часть обсадной колонны 30. Может быть обеспечена возможность стекания затвердевающей композиции 14 во внутреннюю часть обсадной колонны 30 по колонному башмаку 42 в нижней части обсадной колонны 30 и вверх вокруг обсадной колонны 30 в затрубное пространство 32. Затвердевающая композиция 14 может быть оставлена схватываться в затрубном пространстве 32, например, для образования цементной обшивки, поддерживающей и размещающей обсадную колонну 30 в стволе 22 скважины. Несмотря на отсутствие иллюстрации, для укладки затвердевающей композиции 14 могут быть использованы также другие технологии. Например, может быть использована технология обратной циркуляции, которая включает введение затвердевающей композиции 14 в подземный пласт 20 по затрубному пространству 32, а не по обсадной колонне 30.

После укладки затвердевающая композиция 14 может вытеснять другие жидкости 36, такие как буровые растворы и/или вытесняющие жидкости, которые могут содержаться во внутренней части обсадной колонны 30 и/или в затрубном пространстве 32. Из затрубного пространства 32 по сточному трубопроводу 38 может выходить по меньшей мере часть вытесненных жидкостей 36, которые могут быть помещены, например, в один или более сточных прудов 40 (например, шламовый амбар), как показано на фиг. 2A. Возвращаясь к фиг. 2B, в ствол 22 скважины перед затвердевающей композицией 14 может быть введена нижняя пробка 44, например, для отделения затвердевающей композиции 14 от жидкостей 36, которые могут быть внутри обсадной колонны 30 перед цементированием. После достижения нижней пробки 44 посадочной муфты 46 происходит разрыв мембраны или другого подходящего устройства для обеспечения возможности прохождения затвердевающей композиции 14 через нижнюю пробку 44. На фиг. 2B показана нижняя пробка 44 на посадочной муфте 46. В иллюстрированном варианте реализации в ствол 22 скважины после затвердевающей композиции 14 может быть введена верхняя пробка 48. Верхняя пробка 48 может отделять затвердевающую композицию 14 от вытесняющей жидкости 50, а также продавливать затвердевающую композицию 14 через нижнюю пробку 44.

Иллюстративные затвердевающие композиции, описанные в настоящем документе, могут прямо или косвенно влиять на один или более компонентов или деталей оборудования, связанного с получением, доставкой, возвратом, переработкой, повторным использованием и/или утилизацией описанных затвердевающих композиций. Например, описанные затвердевающие композиции могут прямо или косвенно влиять на один или более смесителей, сопутствующих смесительных устройств, шламовых амбаров, складских сооружений или контейнеров, разделителей для композиции, теплообменников, датчиков, измерительных приборов, насосов, компрессоров и т.п., используемых для получения, хранения, контролирования, регулирования и/или регенерации иллюстративных затвердевающих композиций. Описанные затвердевающие композиции также могут прямо или косвенно влиять на любое транспортное оборудование или средства для доставки, используемые для транспортирования затвердевающих композиций на буровую площадку или в скважину, такие как, например, любые транспортные емкости, каналы, трубопроводы, тележки, трубные элементы и/или трубы, используемые для композиционного перемещения затвердевающих композиций из одного места в другое, любые насосы, компрессоры или двигатели (например, наземные или внутрискважинные), используемые для приведения затвердевающих композиций в движение, любые клапаны или сопутствующие соединители, используемые для регулирования давления или скорости потока затвердевающих композиций, и любые датчики (например, давления и температуры), измерительные приборы и/или их комбинации и т.п. Описанные затвердевающие композиции также могут прямо или косвенно влиять на различное внутрискважинное оборудование и приборы, которые могут быть приведены в контакт с затвердевающими композициями, такие как, но не ограничиваясь ими, обсадная колонна ствола скважины, потайная колонна ствола скважины, колонна заканчивания, бурильная колонна, колонна гибких труб, тросовый канат, каротажный кабель, буровая труба, утяжеленные бурильные трубы, забойный двигатель, внутрискважинные двигатели и/или насосы, цементировочные насосы, наземные двигатели и/или насосы, центраторы, турболизаторы, скребки, поплавковые элементы (например, башмаки, муфты, клапаны и т.д.), каротажные зонды и сопутствующее телеметрическое оборудование, приводные устройства (например, электромеханические устройства, гидромеханические устройства и т.д.), скользящие муфты, эксплуатационные муфты, пробки, решетки, фильтры, устройства регулирования потока (например, регуляторы притока, автономные регуляторы притока, регуляторы оттока и т.д.), соединительные элементы (например, электрогидравлические влажные соединения, сухие соединения, индуктивные соединители и т.д.), линии управления (например, электрические, оптоволоконные, гидравлические и т.д.), линии технического надзора, буровые головки и расширители, датчики или распределенные датчики, внутрискважинные теплообменники, клапаны и соответствующие механизмы управления, уплотнители приборов, пакеры, цементные пробки, мостовые пробки и другие изолирующие устройства или компоненты ствола скважины и т.п.

ПРИМЕРЫ

Для облегчения более полного понимания настоящего изобретения представлены следующие примеры некоторых предпочтительных вариантов реализации изобретения. Указанные примеры никоим образом не следует понимать как ограничение или определение границ объема настоящего изобретения.

Пример 1

Выполнили следующую серию испытаний для оценки прочностных свойств затвердевающих композиций, содержащих волластонит, пыль цементообжигательной печи и портландцемент. Получили три разных образца затвердевающих композиций, обозначенных как Примеры 1-3, которые содержали пыль цементообжигательной печи, волластонит, портландцемент класса H и достаточное количество воды для обеспечения плотности, указанной в представленной ниже таблице. Образцы получали смешиванием указанных твердых компонентов с водой, выполняя перемешивание в смесителе Уоринга. Концентрации волластонита, пыли цементообжигательной печи и портландцемента класса H были различными, как указано в представленной ниже таблице. Волластонит приобрели у компании Seaforth Mineral & Ore Co., Ист Ливерпуль, штат Огайо. Пыль цементообжигательной печи приобрели у компании Holcem Cement Company, Ада, штат Оклахома.

После получения образцы оставили затвердевать на семьдесят два часа в металлических цилиндрах размером 2” на 4”, которые поместили на водяную баню, нагретую до 170 °F, с получением затвердевших цилиндров, и испытывали механические свойства полученных затвердевших цилиндров в соответствии с API RP 10B-2. Также наблюдали и записывали смешиваемость. Густая суспензия свидетельствует о недостаточном количестве воды. Поддающаяся смешиванию суспензия свидетельствует о подходящей массе и подходящем количестве воды.

Результаты испытаний представлены ниже в таблице. Данные, указанные ниже в таблице, представляют собой средние значения 3 испытаний для каждого образца. Сокращение «% масс.ц.» означает массовый процент конкретного компонента относительно массы цементирующих компонентов, которыми были пыль цементообжигательной печи, волластонит и портландцемент класса H. Сокращение «галл./меш.» означает массу конкретного компонента на мешок цементирующих компонентов массой 94 фунта. Сокращение «psi» означает фунты на квадратный дюйм.

Таблица 1

ИСПЫТАНИЯ ПРОЧНОСТИ НА СЖАТИЕ

Пример 2

Выполнили дополнительное испытание для оценки прочностных свойств вспененных затвердевающих композиций, содержащих волластонит, пыль цементообжигательной печи и портландцемент. Получили композицию основного образца, содержащую пыль цементообжигательной печи, волластонит, портландцемент класса H и достаточное количество воды для обеспечения плотности 14,2 фунт/галл. Основной образец получали смешиванием твердых компонентов с водой, выполняя перемешивание в смесителе Уоринга. Волластонит приобрели у компании Seaforth Mineral & Ore Co., Ист Ливерпуль, штат Огайо. Пыль цементообжигательной печи приобрели у компании Holcem Cement Company, Ада, штат Оклахома. Затем в композицию основного образца добавили пенообразующий агент (агент ZoneSealant™ 2000, Halliburton Energy Services, Inc.) в количестве 2% масс.ц. Затем вспенивали основную композицию до 12,5 фунт/галл. Посредством перемешивания в смесителе Уоринга.

После получения образец оставили затвердевать на семьдесят два часа в металлических цилиндрах размером 2” на 4”, которые поместили на водяную баню, нагретую до 170 °F, с получением затвердевших цилиндров, и испытывали механические свойства полученных затвердевших цилиндров в соответствии с API RP 10B-2. Результаты представлены ниже в таблице. Данные, указанные ниже в таблице, представляют собой средние значения для 3 испытаний образца. Сокращение «% масс.ц.» означает массовый процент конкретного компонента относительно массы цементирующих компонентов, которыми были пыль цементообжигательной печи, волластонит и портландцемент класса H.

Таблица 2

ИСПЫТАНИЯ ПРОЧНОСТИ НА СЖАТИЕ

Пример 3

Выполнили дополнительное испытание для оценки прочностных свойств затвердевающей композиции, содержащей волластонит, пыль цементообжигательной печи и гашеную известь. Получили образец затвердевающей композиции, содержащий пыль цементообжигательной печи, волластонит, гашеную известь, диспергирующий агент и достаточное количество воды для обеспечения плотности, указанной ниже в таблице. Образец получали смешиванием твердых компонентов с водой, выполняя перемешивание в смесителе Уоринга. Волластонит приобрели у компании Seaforth Mineral & Ore Co., Ист Ливерпуль, штат Огайо. Пыль цементообжигательной печи приобрели у компании Holcem Cement Company, Ада, штат Оклахома. Диспергирующий агент имеется в продаже у компании Halliburton Energy Services, Inc. как диспергирующий агент CFR-3™.

После получения образец оставили затвердевать на семьдесят два часа в металлических цилиндрах размером 2” на 4”, которые поместили на водяную баню, нагретую до 170 °F, с получением затвердевших цилиндров, и испытывали механические свойства полученных затвердевших цилиндров в соответствии с API RP 10B-2. Результаты представлены ниже в таблице. Данные, указанные ниже в таблице, представляют собой средние значения для 3 испытаний образца. Сокращение «% масс.ц.» означает массовый процент конкретного компонента относительно массы цементирующих компонентов, которыми были пыль цементообжигательной печи, волластонит и гашеная известь.

Таблица 3

ИСПЫТАНИЯ ПРОЧНОСТИ НА СЖАТИЕ

Пример 4

Выполнили следующую серию испытаний для оценки прочностных свойств затвердевающих композиций, содержащих волластонит, пыль цементообжигательной печи и портландцемент, и необязательные добавки. Получили пять разных образцов затвердевающих композиций, обозначенных как Примеры 6-10, которые содержали пыль цементообжигательной печи, волластонит, портландцемент класса H, одну или более необязательных добавок и достаточное количество воды для обеспечения плотности, указанной в представленной ниже таблице. Образцы получали смешиванием твердых компонентов с водой, выполняя перемешивание в смесителе Уоринга. В Образцы 6 и 10 включили также диспергирующий агент (диспергирующий агент CFR-3™). Концентрации волластонита, пыли цементообжигательной печи, портландцемента класса H и необязательной добавки(-ок) были различными, как указано в представленной ниже таблице. Волластонит приобрели у компании Seaforth Mineral & Ore Co., Ист Ливерпуль, штат Огайо. Пыль цементообжигательной печи приобрели у компании Holcem Cement Company, Ада, штат Оклахома.

Необязательные добавки, включенные в образцы, представляли собой метакаолин, золу-унос, кварцевую муку, остеклованный глинистый сланец и пирогенный диоксид кремния. Образец 6 содержал метаколин, приобретенный у компании BASF Corporation, Флорхам Парк, штат Нью-Джерси. Образец 7 содержал золу-унос, приобретенную у компании Fairfield Poz, Фэрфилд, штат Техас. Образец 8 содержал кварцевую муку, выпускаемую Halliburton Energy Services как агент для стабилизации прочности SSA-1™. Образец 9 содержал глинистый сланец производства TXI, Мидлотиан, штат Техас. Образец 10 содержал пирогенный диоксид кремния, выпускаемый Halliburton Energy Services, Inc. как цементная добавка Silicalite™.

После получения образцы оставили затвердевать на семьдесят два часа в металлических цилиндрах размером 2” на 4”, которые поместили на водяную баню, нагретую до 170 °F, с получением затвердевших цилиндров, и испытывали механические свойства полученных затвердевших цилиндров в соответствии с API RP 10B-2. Результаты испытаний представлены ниже в таблице. Данные, указанные ниже в таблице, представляют собой средние значения 3 испытаний для каждого образца. Сокращение «% масс.ц.» означает массовый процент конкретного компонента относительно массы перечисленных цементирующих компонентов.

Таблица 4

ИСПЫТАНИЯ ПРОЧНОСТИ НА СЖАТИЕ

Следует понимать, что несмотря на то, что композиции и способы описаны как «включающие» или «содержащие» различные компоненты или стадии, указанные композиции или способы также могут «состоять, по существу, из» или «состоять из» различных компонентов и стадий. Кроме того, термины в единственном числе, используемые в формуле изобретения, в настоящем документе означают один или более одного представленного элемента.

Для краткости в настоящем документе в явном виде описаны лишь некоторые диапазоны. Однако диапазоны от любого нижнего предела могут быть комбинированы с любым верхним пределом для обозначения диапазона, который не указан в явном виде, а также диапазоны от любого нижнего предела могут быть комбинированы с любым другим нижним пределом для обозначения диапазона, который не указан в явном виде, и таким же образом диапазоны от любого верхнего предела могут быть комбинированы с любым другим верхним пределом для обозначения диапазона, который не указано в явном виде. Кроме того, если описан числовой диапазон с нижним пределом и верхним пределом, то специально описано любое число и любой включенный диапазон, входящий в указанный диапазон. В частности, каждый диапазон значений (в форме «от примерно a до примерно b» или, эквивалентно, «приблизительно от a до b», или, эквивалентно «приблизительно a-b»), описанный в настоящем документе, следует понимать как обозначающий каждое число и диапазон, входящий в более широкий диапазон значений, даже если он не указан в явном виде. Следовательно, каждая точка или отдельное значение может служить как собственный нижний или верхний предел, комбинированный с любой другой точкой или отдельным значением, или любым другим нижним или верхним пределом, для обозначения диапазона, не указанного в явном виде.

Следовательно, настоящее изобретение хорошо подходит для достижения упомянутых целей и преимуществ, а также свойственных ему целей и преимуществ. Конкретные варианты реализации изобретения, описанные выше, являются лишь иллюстративными, поскольку настоящее изобретение может быть модифицировано и осуществлено на практике другими, но эквивалентными способами, понятными специалистам в данной области техники, пользующимся выгодами от представленных в настоящем документе указаний. Несмотря на то, что описаны отдельные варианты реализации, настоящее изобретение охватывает все комбинации всех указанных вариантов реализации. Кроме того, для деталей конструкции или проекта, показанных в настоящем документе, не предусмотрены никакие ограничения, кроме тех, которые описаны ниже в формуле изобретения. Точно так же, термины в формуле изобретения имеют обычное, стандартное значение, если иное ясно и очевидно не указано заявителем патента. Таким образом, очевидно, что конкретные иллюстративные варианты реализации, описанные выше, могут быть изменены или модифицированы и все такие варианты входят в границы объема и общей идеи настоящего изобретения. При возникновении какого-либо противоречия в применении слов или терминов в настоящем описании и одном или более патентах или других документах, которые могут быть включены в настоящий документ посредством ссылки, следует использовать определения, согласующиеся с настоящим описанием.

Реферат

Варианты реализации изобретения относятся к операциям цементирования и, более конкретно, некоторые варианты реализации относятся к затвердевающим композициям, которые содержат печную пыль и волластонит, а также к способам их применения в подземных пластах . Способ цементирования включает: обеспечение затвердевающей композиции, содержащей печную пыль, волластонит и воду; причем содержание волластонита в затвердевающей композиции составляет от примерно 1% до примерно 75% по массе относительно общего количества цементирующих компонентов, содержащихся в затвердевающей композиции, при этом содержание печной пыли в затвердевающей композиции составляет от 5% до примерно 90% по массе относительно общего количества цементирующих компонентов, содержащихся в затвердевающей композиции, предоставление возможности схватывания затвердевающей композиции, причем затвердевающая композиция предназначена для введения в подземную формацию. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы изобретения. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 табл., 3 ил.

Формула