Способные к схватыванию композиции, содержащие невспученный перлит, и способы цементирования в подземных пластах - RU2562627C2

Описание

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к операциям цементирования и, в частности, в некоторых вариантах осуществления, к способам и композициям, которые включают невспученный перлит с цементной печной пылью («CKD»), пумицитом или их сочетанием.

В способах цементирования, таких как строительство скважины и ремонтное цементирование, часто используют способные к схватыванию композиции. Используемый в настоящем документе термин «способная к схватыванию композиция» относится к композиции (композициям), которые гидравлически схватываются или иным образом проявляют прочность на сжатие. Способные к схватыванию композиции можно использовать в операциях первичного цементирования, при помощи которого колонны труб, такие как обсадная колонна и хвостовики, цементируют в стволе скважины. При осуществлении первичного цементирования способную к схватыванию композицию можно закачать в кольцевое пространство между подземным пластом и колонной труб, расположенной в подземном пласте. Способная к схватыванию композиция должна схватиться в кольцевом пространстве, таким образом образуя кольцеобразную оболочку затвердевшего цемента (например, цементное кольцо), которое должно поддерживать и устанавливать в требуемое положение колонну труб в стволе скважины и связывать внешнюю поверхность колонны труб со стенками ствола скважины. Способные к схватыванию композиции также можно использовать в способах ремонтного цементирования, таких как установка цементных пробок и исправительное цементирование под давлением для герметизации полостей в колонне труб, цементном кольце, гравийной набивке, пласте и тому подобное.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится к операциям цементирования и, в частности, в некоторых вариантах осуществления, к композициям и способам, которые включают невспученный перлит, CKD и/или пумицит.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения предлагается способ цементирования, включающий: введение в ствол скважины способной к схватыванию композиции, содержащей невспученный перлит, цементную печную пыль и/или портландцемент, перемолотый с пумицитом, и воду; и предоставление возможности способной к схватыванию композиции схватиться. Можно использовать или цементную печную пыль или портландцемент, перемолотый с пумицитом, или и то и другое.

В одном аспекте настоящего изобретения предлагается способ цементирования, включающий: введение в ствол скважины способной к схватыванию композиции, содержащей невспученный перлит, цементную печную пыль и воду; и предоставление возможности способной к схватыванию композиции схватиться.

В другом аспекте настоящего изобретения предлагается способ цементирования, включающий: введение в ствол скважины способной к схватыванию композиции, содержащей измельченный невспученный перлит, портландцемент, перемолотый с пумицитом, и воду; и предоставление возможности способной к схватыванию композиции схватиться.

В еще одном аспекте настоящего изобретения предлагается способная к схватыванию композиция, содержащая: измельченный невспученный перлит, цементную печную пыль и воду.

Признаки и преимущества настоящего изобретения будут легко понятны специалистам в данной области техники. Хотя специалистами в данной области могут быть осуществлены многочисленные изменения, такие изменения находятся в пределах объема изобретения.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

Настоящее изобретение относится к операциям цементирования и, в частности, в некоторых вариантах осуществления, к способам и композициям, которые включают невспученный перлит с CKD, пумицит или их сочетание. Может быть несколько потенциальных преимуществ в способах и композициях настоящего изобретения, из которых только некоторые могут быть упомянуты в описании. Одно из многих потенциальных преимуществ вариантов осуществления настоящего изобретения заключается в том, что включение невспученного перлита в вариантах осуществления способной к схватыванию композиции может повысить прочность на сжатие способной к схватыванию композиции после схватывания. Другое потенциальное преимущество вариантов осуществления настоящего изобретения заключается в том, что CKD, невспученный перлит, пумицит или их сочетание можно использовать для уменьшения количества более дорогостоящего компонента, такого как портландцемент, что дает в результате более экономичную способную к схватыванию композицию. Еще одно потенциальное преимущество вариантов осуществления настоящего изобретения заключается в том, что уменьшение количества портландцемента может понизить углеродный след операции цементирования.

Способные к схватыванию композиции настоящего изобретения могут содержать невспученный перлит с CKD, пумицит или их сочетание. Способные к схватыванию композиции дополнительно могут содержать воду, например, в количестве, достаточном для образования поддающейся перекачиванию суспензии. Предпочтительно способная к схватыванию композиция может включать цементирующий компонент, который содержит невспученный перлит и CKD. Или способная к схватыванию композиция может включать цементирующий компонент, который содержит невспученный перлит, CKD и пумицит. Или способная к схватыванию композиция может включать цементирующий компонент, который содержит невспученный перлит и пумицит. Или способная к схватыванию композиция может включать цементирующий компонент, который содержит невспученный перлит и пумицит, перемолотый с гидравлическим цементом. Или способная к схватыванию композиция может включать цементирующий компонент, который содержит невспученный перлит, перемолотый с гидравлическим цементом. Необязательно способные к схватыванию композиции, описанные в данном документе, могут включать известь. В одном конкретном варианте осуществления способная к схватыванию композиция включает цементирующий компонент, который содержит невспученный перлит, CKD, пумицит и/или известь. Другие необязательные добавки также могут быть включены в варианты осуществления способных к схватыванию композиций по желанию, включая без ограничения зольную пыль, шлаковый цемент, метакаолин, сланец, цеолит, их сочетания и тому подобное. Способные к схватыванию композиции могут быть вспененными и/или разбавленными по желанию специалистов в данной области техники.

Способные к схватыванию композиции настоящего изобретения должны иметь плотность, подходящую для конкретного применения, как желательно специалистам в данной области, с преимуществом данного описания. В некоторых вариантах осуществления способные к схватыванию композиции могут иметь плотность в диапазоне от примерно 8 фунтов на галлон ("фунт/галлон") (0,96 кг/л) до примерно 16 фунт/галлон (1,92 кг/л). В других вариантах осуществления способные к схватыванию композиции могут быть вспенены до плотности в диапазоне от примерно 8 фунт/галлон (0,96 кг/л) до примерно 13 фунт/галлон (1,56 кг/л).

Способные к схватыванию композиции как правило могут содержать невспученный перлит. Перлит является рудой и обычно относится к встречающейся в природе аморфной кремнистой вулканической породе, состоящей главным образом из диоксида кремния и оксида алюминия. Характерной особенностью перлита является то, что он может расширяться с образованием зернистых, высокопористых частиц или полых сфер, содержащих пористые ядра, под воздействием высоких температур из-за внезапного испарения воды внутри перлита. Вспученный перлит может использоваться в качестве снижающей плотность добавки при приготовлении легких, способных к схватыванию, композиций.

Недавно было обнаружено, что добавление невспученного перлита в способные к схватыванию композиции, содержащие CKD и/или пумицит, может давать неожиданное увеличение прочности на сжатие. В соответствии с настоящим изобретением невспученный перлит можно использовать для увеличения прочности на сжатие способных к схватыванию композиций, содержащих CKD и/или пумицит. Кроме того, невспученный перлит может повышать прочность на сжатие способных к схватыванию композиций, содержащих портландцемент. Полагают, что невспученный перлит может особенно подходить для использования при повышенных температурах в стволе скважины в соответствии с настоящим изобретением, например, при температурах выше примерно 80°F (27°С), в качестве альтернативы - выше примерно 120°F (49°С), и в качестве другой альтернативы - выше примерно 140°F (60°С).

Предпочтительно невспученный перлит можно использовать, среди прочего, для замены более дорогостоящих цементирующих компонентов, таких как портландцемент, что дает в результате более экономичные способные к схватыванию композиции. Кроме того, замена портландцемента на невспученный перлит должна приводить к образованию способной к схватыванию композиции с пониженным углеродным следом.

Невспученный перлит может быть измельчен до любого размера, подходящего для использования в операциях цементирования. В варианте осуществления невспученный перлит измельчают до среднего размера частиц от примерно 1 мкм до примерно 400 мкм, в соответствии с другим вариантом - от примерно 1 мкм до примерно 100 мкм и, в соответствии с еще одним вариантом - от примерно 1 мкм до примерно 25 мкм. Средний размер частиц соответствует значениям d50, определенным с помощью коммерчески доступных анализаторов размера частиц, таких как анализаторы, производимые Malvern Instruments, Вустершир, Великобритания. В другом варианте осуществления невспученный перлит имеет распределение частиц по размерам от примерно 1 мкм до примерно 1000 мкм при среднем размере частиц от примерно 1 мкм до примерно 100 мкм. Распределение частиц по размерам соответствует максимальным и минимальным размерам, допустимым в распределении. Образец подходящего измельченного невспученного перлита доступен от Hess Pumice Products, Inc., Малед Сити, Айдахо, под торговой маркой IM-325 с размером частиц 325 меш (44 мкм).

В одном аспекте изобретения невспученный перлит может быть перемолот с гидравлическим цементом, например, таким как портландцемент. В другом варианте осуществления невспученный перлит может быть перемолот с гидравлическим цементом и пумицитом. Измельченная смесь перлит/цемент может содержать гидравлический цемент в количестве от примерно 25% до примерно 75% от массы смеси, и невспученный перлит в количестве от примерно 25% до примерно 75% от массы смеси. Гидравлический цемент может быть портландцементом, классифицированным как цемент типа V ASTM. В соответствии с изобретением гидравлический цемент и невспученный перлит могут быть смешаны и измельчены до любого размера, подходящего для использования в операциях цементирования. Гидравлический цемент и невспученный перлит могут быть измельчены до смешивания. Измельченная смесь перлит/цемент может иметь средний размер частиц от примерно 0,1 мкм до примерно 400 мкм, в качестве альтернативы - от примерно 0,5 мкм до примерно 50 мкм, и в качестве еще одной альтернативы - от примерно 0,5 мкм до примерно 10 мкм. Средний размер частиц соответствует значениям d50, определенным с помощью коммерчески доступных анализаторов размера частиц, таких как анализаторы, производимые Malvern Instruments, Вустершир, Великобритания.

Невспученный перлит может быть включен в способные к схватыванию композиции в количестве, достаточном для обеспечения желаемой прочности на сжатие, плотности, снижения стоимости и/или пониженного углеродного следа. Невспученный перлит может присутствовать в способных к схватыванию композициях настоящего изобретения в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 1% до примерно 75% от массы цементирующих компонентов. Цементирующие компоненты включают такие компоненты или сочетание компонентов способных к схватыванию композиций, которые гидравлически схватываются, или затвердевают иным образом с проявлением прочности на сжатие, включая, например, невспученный перлит, CKD, зольную пыль, пумицит, шлак, известь, сланец и тому подобное. Невспученный перлит может присутствовать в некоторых вариантах осуществления в количестве 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% или примерно 70%. В одном варианте осуществления невспученный перлит может присутствовать в способных к схватыванию композициях в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 5% до примерно 50% от массы цементирующих компонентов. В другом варианте осуществления невспученный перлит может присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 10% до примерно 40% от массы цементирующих компонентов. В еще одном варианте осуществления невспученный перлит может присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 20% до примерно 30% от массы цементирующих компонентов. Специалист в данной области, с преимуществом настоящего описания, определит подходящее количество невспученного перлита для использования в выбранном применении.

Способные к схватыванию композиции как правило могут содержать CKD. Обычно огромные количества CKD, которые часто утилизируют как отходы, получают в производстве цемента. Удаление отходов CKD может добавить нежелательные затраты при производстве цемента, а также экологические проблемы, связанные с их утилизацией. Химический состав CKD от различных цементных производителей варьируется в зависимости от ряда факторов, к числу которых относятся конкретный обжигаемый материал, эффективность операции производства цемента и связанные с ним системы улавливания пыли. CKD как правило может содержать разные оксиды, такие как SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO, SO₃, Na₂O и K₂O.

CKD обычно может проявлять цементирующие свойства, в том, что она может схватываться и затвердевать в присутствии воды. В соответствии с настоящим изобретением CKD можно использовать, среди прочего, для замены более дорогостоящих цементирующих компонентов, таких как портландцемент, что дает в результате более экономичные способные к схватыванию композиции. Кроме того, замена портландцемента на CKD должна приводить к образованию способной к схватыванию композиции с пониженным углеродным следом.

CKD можно включать в способные к схватыванию композиции в количестве, достаточном для обеспечения желаемой прочности на сжатие, плотности, уменьшения стоимости и/или пониженного углеродного следа. CKD может присутствовать в способных к схватыванию композициях настоящего изобретения в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 1% до примерно 95% от массы цементирующих компонентов. CKD может присутствовать в количестве 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%. CKD может присутствовать в способных к схватыванию композициях в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 5% до примерно 95% от массы цементирующих компонентов. Или CKD может присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 50% до примерно 90% от массы цементирующих компонентов. Или CKD может присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 60% до примерно 80% от массы цементирующих компонентов. Специалист в данной области, с преимуществом настоящего описания, определит подходящее количество CKD для использования в выбранном применении.

Способные к схватыванию композиции дополнительно могут содержать пумицит. Как правило, пумицит является вулканической породой, которая проявляет цементирующие свойства в том, что она может схватываться и затвердевать в присутствии гашеной извести и воды. Гашеную известь можно использовать в сочетании с пумицитом, например, для обеспечения достаточного количества ионов кальция для схватывания пумицита. В соответствии с настоящим изобретением пумицит можно использовать, среди прочего, для замены более дорогостоящих цементирующих компонентов, таких как портландцемент, что дает в результате более экономичные способные к схватыванию композиции. Как упоминалось ранее замена портландцемента должна также приводить к образованию способной к схватыванию композиции с пониженным углеродным следом.

Когда пумицит имеется в наличии, он может быть включен в количестве, достаточном для обеспечения желаемой прочности на сжатие, плотности, уменьшения стоимости и/или пониженного углеродного следа для конкретного применения. Пумицит может присутствовать в способных к схватыванию композициях настоящего изобретения в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 1% до примерно 95% от массы цементирующих компонентов. Например, пумицит может присутствовать в количестве 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%. Пумицит может присутствовать в способных к схватыванию композициях настоящего изобретения в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 5% до примерно 95% от массы цементирующих компонентов. Или пумицит может присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 5% до примерно 80% от массы цементирующих компонентов. Или пумицит может присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 10% до примерно 50% от массы цементирующих компонентов. Или пумицит может присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 25% до примерно 50% от массы цементирующих компонентов. Специалист в данной области, с преимуществом настоящего описания, определит подходящее количество пумицита для использования в выбранном применении.

Вода, которая может использоваться в способных к схватыванию композициях, включает, например, пресную воду, соленую воду (например, воду, содержащую одну или несколько растворенных в ней солей), рассол (например, насыщенную соленую воду, добываемую из подземных пластов), морскую воду или их сочетания. Как правило, вода может быть из любого источника при условии, что она не содержит избытка соединений, которые могут нежелательно воздействовать на другие компоненты в способной к схватыванию композиции. Предпочтительно вода может включаться в количестве, достаточном для образования поддающейся перекачиванию суспензии. Вода может быть включена в способные к схватыванию композиции настоящего изобретения в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 40% до примерно 200% от массы цементирующих компонентов. Или вода может быть включена в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 40% до примерно 150% от массы цементирующих компонентов. Специалист в данной области, с преимуществом настоящего описания, определит подходящее количество воды для использования в выбранном применении.

Способные к схватыванию композиции дополнительно могут содержать известь. Известь может быть гашеной известью. Известь может быть включена в способные к схватыванию композиции, например, для образования гидравлической композиции с другими компонентами способных к схватыванию композиций, такими как пумицит, зольная пыль, шлак и/или сланец. Когда известь имеется в наличии, она может быть включена в способные к схватыванию композиции в количестве, достаточном для конкретного применения. Известь может присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 1% до примерно 40% от массы цементирующих компонентов. Например, известь может присутствовать в количестве примерно 5%, примерно 10%, примерно 15%, примерно 20%, примерно 25%, примерно 30% или примерно 35%. Например, известь может присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 5% до примерно 20% от массы цементирующих компонентов. Специалист в данной области, с преимуществом настоящего описания, определит подходящее количество извести для использования в выбранном применении.

Следует понимать, что использование портландцемента в способных к схватыванию композициях можно уменьшить или даже исключить для обеспечения, например, желаемого снижения затрат и/или пониженного углеродного следа. Соответственно, способные к схватыванию композиции настоящего изобретения могут содержать портландцемент в количестве от 0% до примерно 75%. Например, портландцемент может присутствовать в количестве примерно 1%, примерно 5%, примерно 10%, примерно 15%, примерно 20%, примерно 24%, примерно 25%, примерно 30%, примерно 35%, примерно 40%, примерно 50%, примерно 55%, примерно 60%, примерно 65% или примерно 70%. Портландцемент может присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 0% до примерно 20%. Или портландцемент может присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 0% до примерно 10%. Или способные к схватыванию композиции могут практически не содержать портландцемента. Используемый в настоящем документе термин «практически не содержит» означает менее примерно 1% от массы цементирующих компонентов. Способная к схватыванию композиция может содержать портландцемент в количестве менее примерно 0,1% от массы цементирующих компонентов и, в качестве альтернативы, - менее примерно 0,01% от массы цементирующих компонентов. Как пример, способная к схватыванию композиция может не содержать портландцемента.

Портландцементы включают портландцементы, классифицированные как цементы классов A, C, G и H согласно Американскому институту нефти (API), API Specification for Materials and Testing for Well Cements, API Specification 10, Fifth Ed., July 1, 1990. Кроме того, портландцементы включают портландцементы, классифицированные как типы ASTM I, II или III.

Один пример подходящего гидравлического цемента включает смесь портландцемента и пумицита. Смесь цемент/пумицит может содержать портландцемент в количестве от примерно 25% до примерно 75% от массы смеси, и пумицит в количестве от примерно 25% до примерно 75% от массы смеси. Предпочтительно смесь цемент/пумицит содержит примерно 40% масс. портландцемента и примерно 60% масс. пумицита. Гидравлический цемент может содержать портландцемент, перемолотый с пумицитом. Портландцемент может быть классифицирован как цемент типа V ASTM. В соответствии с изобретением портландцемент и пумицит могут быть смешаны и измельчены до любого размера, подходящего для использования в операциях цементирования. Портландцемент и пумицит могут быть измельчены до смешивания. Предпочтительно смесь цемент/пумицит из портландцемента и пумицита имеет средний размер частиц от примерно 0,1 мкм до примерно 400 мкм, в качестве альтернативы - от примерно 0,5 мкм до примерно 50 мкм, и в качестве другой альтернативы - от примерно 0,5 мкм до примерно 10 мкм. Средний размер частиц соответствует значениям d50, определенным с помощью коммерчески доступных анализаторов размера частиц, таких как анализаторы, производимые Malvern Instruments, Вустершир, Великобритания. Образец подходящей смеси цемент/пумицит доступен от Halliburton Energy Services, Inc., под торговым названием цемент FineCem™ 925.

Полагают, что гидравлический цемент, перемолотый с пумицитом, при использовании в способной к схватыванию композиции в сочетании с невспученным перлитом возможно создает синергический эффект. Например, полагают, что сочетание невспученного перлита и смеси цемент/пумицит может обеспечивать существенно более высокую прочность на сжатие, особенно при повышенных температурах в стволе скважины. Соответственно, сочетание невспученного перлита и смеси цемент/пумицит может особенно подходить для использования в способных к схватыванию композициях при повышенных температурах в стволе скважины, например, при температурах более примерно 80°F (27°С), в качестве альтернативы - более примерно 120°F (49°С), и в качестве другой альтернативы - более примерно 140°F (60°С).

Способные к схватыванию композиции дополнительно могут содержать зольную пыль. Может подходить зольная пыль множества типов, включая зольную пыль, классифицируемую как зольная пыль класса С и класса F согласно Американскому Нефтяному Институту, API Specification for Materials and Testing for Well Cements, API Specification 10, Fifth Ed., July 1, 1990. Зольная пыль класса С содержит как диоксид кремния, так и известь, так что при смешивании с водой она должна схватываться с образованием затвердевшей массы. Зольная пыль класса F, как правило, не содержит достаточного количества извести, так что для зольной пыли класса F требуется дополнительный источник ионов кальция для образования гидравлической композиции. Известь можно смешать с зольной пылью класса F в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 0,1% до примерно 25% от массы зольной пыли. В некоторых случаях известь может быть гашеной известью. Подходящие образцы зольной пыли включают без ограничения цементную добавку POZMIX^® А, коммерчески доступную от Halliburton Energy Services, Inc.

Когда зольная пыль имеется в наличии, ее, как правило, можно включать в способные к схватыванию композиции в количестве, достаточном для обеспечения желаемой прочности на сжатие, плотности и/или стоимости. Зольная пыль может присутствовать в способных к схватыванию композициях настоящего изобретения в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 1% до примерно 75% от массы цементирующих компонентов. Предпочтительно зольная пыль может присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 10% до примерно 60% от массы цементирующих компонентов. Специалист в данной области, с преимуществом настоящего описания, определит подходящее количество зольной пыли для использования в выбранном применении.

Способные к схватыванию композиции дополнительно могут содержать шлаковый цемент. Шлаковый цемент, который может подходить для использования, может содержать шлак. Как правило, шлак не содержит достаточного количества основного материала, поэтому шлаковый цемент может дополнительно содержать основания для получения гидравлической композиции, которая может реагировать с водой для схватывания с образованием затвердевшей массы. Примеры подходящих источников оснований включают без ограничения гидроксид натрия, бикарбонат натрия, карбонат натрия, известь и их сочетания.

Когда шлаковый цемент имеется в наличии, его, как правило, можно включать в способные к схватыванию композиции в количестве, достаточном для обеспечения желаемой прочности на сжатие, плотности и/или стоимости. Шлаковый цемент может присутствовать в способных к схватыванию композициях настоящего изобретения в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 1% до примерно 75% от массы цементирующих компонентов. Шлаковый цемент может присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 5% до примерно 50% от массы цементирующих компонентов. Специалист в данной области, с преимуществом настоящего описания, определит подходящее количество шлакового цемента для использования в выбранном применении.

Способные к схватыванию композиции дополнительно могут содержать метакаолин. Как правило, метакаолин является белым пуццоланом, который можно получить с помощью нагревания каолиновой глины, например, до температур, находящихся в диапазоне от примерно 600°C до примерно 800°C. Метакаолин может присутствовать в способных к схватыванию композициях настоящего изобретения в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 1% до примерно 75% от массы цементирующих компонентов. Метакаолин может присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 10% до примерно 50% от массы цементирующих компонентов. Специалист в данной области, с преимуществом настоящего описания, определит подходящее количество метакаолина для использования в выбранном применении.

Способные к схватыванию композиции дополнительно могут содержать сланец. Среди прочего, сланец, включенный в способные к схватыванию композиции, может реагировать с избытком извести с образованием подходящего цементирующего материала, например, гидрата силиката кальция. Подходят разнообразные сланцы, включая сланцы, содержащие кремний, алюминий, кальций и/или магний. Пример подходящего сланца включает спекшийся сланец. Подходящие образцы спекшегося сланца включают без ограничения материал PRESSUR-SEAL FINE LCM и материал PRESSUR-SEAL COARSE LCM, которые коммерчески доступны от TXI Energy Services, Inc. Как правило, сланец может иметь любое распределение размеров частиц, желательное для конкретного применения. Сланец может иметь распределение размеров частиц в диапазоне от примерно 37 мкм до примерно 4750 мкм.

Когда сланец имеется в наличии, он может быть включен в способные к схватыванию композиции настоящего изобретения в количестве, достаточном для обеспечения желаемой прочности на сжатие, плотности и/или стоимости. Сланец может присутствовать в способных к схватыванию композициях настоящего изобретения в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 1% до примерно 75% от массы цементирующих компонентов. Например, сланец может присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 10% до примерно 35% от массы цементирующих компонентов. Специалист в данной области, с преимуществом настоящего описания, определит подходящее количество сланца для использования в выбранном применении.

Способные к схватыванию композиции дополнительно могут содержать цеолит. Цеолиты, как правило, представляют собой пористые алюмосиликатные минералы, которые могут быть природным или синтетическим материалом. Синтетические цеолиты основаны на том же типе структурной ячейки, что и природные цеолиты, и могут включать гидраты алюмосиликатов. Используемый в настоящем документе термин "цеолит" относится ко всем природным и синтетическим формам цеолита. Примеры подходящих цеолитов описаны более подробно в патенте США № 7445669. Образец подходящего источника цеолита доступен от C2C Zeolite Corporation, Калгари, Канада. Цеолит может присутствовать в способных к схватыванию композициях настоящего изобретения в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 1% до примерно 65% от массы цементирующих компонентов. Например, цеолит может присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 10% до примерно 40% от массы цементирующих компонентов. Специалист в данной области, с преимуществом настоящего описания, определит подходящее количество цеолита для использования в выбранном применении.

Способные к схватыванию композиции дополнительно могут содержать добавку-замедлитель схватывания. Используемый в настоящем документе термин "добавка-замедлитель схватывания" относится к добавке, которая замедляет схватывание способных к схватыванию композиций настоящего изобретения. Примеры подходящих добавок-замедлителей схватывания включают без ограничения аммоний, щелочные металлы, щелочноземельные металлы, металлические соли сульфоалкилированных лигнинов, органические кислоты (например, гидроксикарбоновые кислоты), сополимеры, которые содержат акриловую кислоту или малеиновую кислоту, и их сочетания. Один пример подходящего сульфоалкилированного лигнина включает сульфометилированный лигнин. Подходящие добавки-замедлители схватывания более подробно описаны в патенте США № Re. 31190, полное описание которого включено в настоящий документ посредством ссылки. Подходящие добавки-замедлители схватывания коммерчески доступны от Halliburton Energy Services, Inc. под торговыми названиями замедлителей HR^® 4, HR^® 5, HR^® 7, HR^® 12, HR^® 15, HR^® 25, SCR^™ 100 и SCR^™ 500. Как правило, когда добавка-замедлитель схватывания используется, ее можно включать в способные к схватыванию композиции настоящего изобретения в количестве, достаточном для обеспечения желаемого замедления схватывания. Добавка-замедлитель схватывания может присутствовать в способных к схватыванию композициях настоящего изобретения в количестве, находящемся в диапазоне от примерно 0,1% до примерно 5% от массы цементирующих компонентов. Специалист в данной области, с преимуществом настоящего описания, определит подходящее количество добавки-замедлителя схватывания для использования в выбранном применении.

Необязательно в способные к схватыванию композиции настоящего изобретения можно добавлять другие дополнительные добавки, которые специалист в данной области, с преимуществом данного описания, сочтет целесообразными. Примеры таких добавок включают без ограничения добавки, контролирующие снижение прочности, ускорители схватывания, утяжелители, добавки, облегчающие вес, газогенерирующие добавки, добавки для улучшения механических свойств, вещества для борьбы с потерей циркуляции, добавки для регулирования фильтрации, диспергаторы, добавки для понижения водоотдачи, пеногасители, пенообразователи, маслонабухающие частицы, водонабухающие частицы, тиксотропные добавки, и их сочетания. Конкретные примеры этих и других добавок включают кристаллический кремнезем, аморфный кремнезем, пирогенный кремнезем, соли, волокна, гидрофильные глины, микросферы, золу рисовой шелухи, эластомеры, эластомерные частицы, смолы, латекс, их сочетания и тому подобное. Специалист в данной области с преимуществом настоящего изобретения сможет легко определить тип и количество добавки, подходящие для конкретного практического применения и желаемого результата.

Как будет понятно специалистам в данной области, способные к схватыванию композиции можно использовать во множестве подземных применений, включающих первичное и вторичное цементирование. Способные к схватыванию композиции могут быть введены в подземный пласт и оставлены там схватываться. Например, способная к схватыванию композиция может быть введена в пространство между подземным пластом и обсадной трубой, помещенной в подземный пласт. Цементные композиции могут включать, например, воду и один или несколько компонентов из невспученного перлита, CKD или пумицита.

В вариантах осуществления первичного цементирования способная к схватыванию композиция, например, может вводиться в пространство между подземным пластом и обсадной трубой (например, колонной труб, хвостовиками), помещенной в подземный пласт. Способная к схватыванию композиция может быть оставлена схватываться с образованием кольцеобразной оболочки затвердевшего цемента в пространстве между подземным пластом и обсадной трубой. Среди прочего, отвердевшая способная к схватыванию композиция может сформировать барьер, предотвращающий миграцию флюидов в ствол скважины. Отвердевшая способная к схватыванию композиция также может, например, поддерживать обсадную трубу в стволе скважины.

В вариантах осуществления ремонтного цементирования способная к схватыванию композиция может использоваться, например, в операциях исправительного цементирования под давлением или при установке цементных пробок. В качестве примера, способная к схватыванию композиция может вводиться в ствол скважины для закупорки пустоты или трещины в пласте, в гравийной набивке, в обсадной трубе, в цементном кольце и/или микрозазоре между цементным кольцом и обсадной трубой.

Для обеспечения лучшего понимания настоящего изобретения приводятся следующие примеры определенных аспектов некоторых вариантов осуществления. Нижеследующие примеры никоим образом не следует считать ограничивающими или определяющими объем изобретения.

Пример 1

Серию образцов готовили и подвергали 24-часовым испытаниям прочности на раздавливание в соответствии с описанием 10 API для анализа свойств силы сопротивления способных к схватыванию композиций, которые содержат невспученный перлит. Образцы композиций оставляли отвердевать на водяной бане на 24 часа при температуре, указанной в таблице ниже. Сразу же после снятия с водяной бани прочность на раздавливание определяли с помощью прибора для испытания Tinius Olsen. Результаты испытаний прочности на раздавливание изложены в таблице ниже.

Испытания №№ 1-6 выполняли на образцах с плотностью 14,2 фунт/галлон (0,24 кг/л) и содержащих воду, портландцемент класса H, измельченный невспученный перлит, известь и воду, как указано в таблице ниже. Измельченным невспученным перлитом был IM-325 от Hess Pumice Products с размером частицы примерно 325 меш США (44 мкм).

Испытания №№ 7-8 выполняли на образцах с плотностью 14,2 фунт/галлон (0,24 кг/л) и содержащих воду, портландцемент класса H, пумицит и известь, как указано в таблице ниже. Пумицит имел размеры частиц примерно 200 меш США (74 мкм).

Испытания №№ 9-14 выполняли на образцах с плотностью 14,2 фунт/галлон (0,24 кг/л) и содержащих воду, измельченную смесь цемент/пумицит (цемент FineCem™ 925), невспученный перлит, известь и воду, как указано в таблице ниже. Измельченная смесь цемент/пумицит содержала портландцемент типа V (40% по массе), перемолотый с пумицитом (60% по массе). Измельченная смесь цемент/пумицит имела средний размер частиц в диапазоне от примерно 1 до примерно 4 мкм. Измельченным невспученным перлитом был IM-325 от Hess Pumice Products с размером частицы примерно 325 меш США (44 мкм).

В нижеследующей таблице проценты по массе основаны на массе портландцемента, смеси цемент/пумицит, пумицита и невспученного перлита в образце, и галлоны на мешок (галлон/мешок) рассчитаны на 94-фунтовый (42,64 кг) мешок портландцемента, смеси цемент/пумицит, пумицита, и невспученного перлита.

Таким образом, пример 1 показывает, что замена по меньшей мере части портландцемента на невспученный перлит может увеличить прочность на раздавливание способных к схватыванию композиций. Например, при 140°F (60°С) испытания №№ 6 и 4 с невспученным перлитом дали величины прочности на раздавливание 886 фунт/кв. дюйм (62,29 кг/см²) и 777 фунт/кв. дюйм (54,63 кг/см²) по сравнению с прочностью на раздавливание 674 фунт/кв. дюйм (47,39 кг/см²) в испытании № 2 со 100% масс. портландцемента.

Пример 1 дополнительно показывает, что измельченная смесь пумицит/цемент в сочетании с невспученным перлитом может оказывать синергическое воздействие на способную к схватыванию композицию, проявляющееся в том, что это сочетание может обеспечить повышенную прочность на раздавливание при повышенных температурах. Например, при 140°F (60°С) испытания №№ 12 и 14 с измельченной смесью пумицит/цемент и невспученным перлитом дали величины прочности на раздавливание 2740 фунт/кв. дюйм (192,6 кг/см²) и 2610 фунт/кв. дюйм (183,5 кг/см²). Эта прочность на раздавливание заметно выше, чем прочности на раздавливание для композиций со 100% портландцементом (674 фунт/кв. дюйм (47,39 кг/см²) при 140°F (60°С)) и композиций с портландцементом и пумицитом, которые не были измельчены до мелкодисперсного размера частиц (835 фунт/кв. дюйм (58,71 кг/см²) и 734 фунт/кв. дюйм (51,61 кг/см²) при 140°F (60°С)). Эту повышенную прочность на сжатие для сочетаний измельченная смесь пумицит/цемент и невспученный перлит нельзя объяснить исключительно добавлением невспученного перлита, поскольку сочетание имело существенно более высокую прочность на раздавливание, чем прочность, отмеченная при добавлении невспученного перлита к портландцементу (777 фунт/кв. дюйм (54,63 кг/см²) и 886 фунт/кв. дюйм (62,29 кг/см²) при 140°F (60°С)). Кроме того, эту повышенную прочность на сжатие для сочетаний измельченная смесь пумицит/цемент и невспученный перлит нельзя объяснить исключительно добавлением смеси пумицит/цемента, поскольку сочетание имело существенно более высокую прочность на раздавливание, чем отмеченная с одной только измельченной смесью пумицит/цемент (1877 фунт/кв. дюйм (54,63 кг/см²) при 140°F (60,0°С)).

Пример 2

Дополнительную серию образцов способных к схватыванию композиций готовили и испытывали для анализа свойств силы сопротивления способных к схватыванию композиций, которые содержат CKD и невспученный перлит. Образцы композиций оставляли отвердевать на водяной бане на 24 или 72 часа при температуре, указанной в таблице ниже. Сразу же после снятия с водяной бани прочность на раздавливание определяли с помощью прибора для испытания Tinius Olsen. Результаты испытаний прочности на раздавливание изложены в таблице ниже.

Испытания №№ 15-28 выполняли на образцах с плотностью 14,2 фунт/галлон (0,24 кг/л) и содержащих воду, CKD, измельченный невспученный перлит и известь, как указано в таблице ниже. Образцы дополнительно содержали замедлитель схватывания цемента (замедлитель схватывания цемента CFR-3™, Halliburton Energy Services, Inc.) в количестве примерно 0,4% по массе. Измельченным невспученным перлитом был IM-325 от Hess Pumice Products с размером частицы примерно 325 меш США (44 мкм).

В нижеследующей таблице проценты по массе основаны на массе CKD и невспученного перлита в образце, и галлоны на мешок (галлон/мешок) рассчитаны на 94-фунтовый (42,64 кг) мешок CKD и невспученного перлита.

Таким образом, пример 2 показывает, что невспученный перлит можно использовать для повышения прочности на раздавливание композиций, содержащих CKD. Кроме того, этот эффект особенно выражен при повышенных температурах. Например, при 140°F (60°С) испытание № 20 с 75% CKD и 25% невспученного перлита дало 24-часовую прочность на раздавливание в 969 фунт/кв. дюйм (70,59 кг/см²) по сравнению с 24-часовой прочностью на раздавливание в 267 фунт/кв. дюйм (32,13 кг/см²) для испытания № 16 со 100% CKD.

Пример 3

Дополнительную серию образцов способных к схватыванию композиций готовили и испытывали для дополнительного анализа свойств силы сопротивления способных к схватыванию композиций, которые содержат CKD и невспученный перлит. Образцы композиций оставляли отвердевать на водяной бане на 24 часа при температуре, указанной в таблице ниже. Сразу же после снятия с водяной бани прочность на раздавливание определяли с помощью прибора для испытания Tinius Olsen. Результаты испытаний прочности на раздавливание изложены в таблице ниже.

Испытания №№ 29-37 выполняли на образцах с плотностью 14,2 фунт/галлон (0,24 кг/л) и содержащих воду, CKD, измельченный невспученный перлит и известь, как указано в таблице ниже. Образцы дополнительно содержали диспергатор цемента в количестве примерно 0,4% по массе. Измельченным невспученным перлитом был IM-325 от Hess Pumice Products с размером частицы примерно 325 меш США (44 мкм).

В нижеследующей таблице проценты по массе основаны на массе CKD и невспученного перлита в образце, и галлоны на мешок (галлон/мешок) рассчитаны на 94-фунтовый (42,64 кг) мешок CKD и невспученного перлита.

Таким образом, пример 3 показывает, что невспученный перлит можно использовать для повышения прочности на раздавливание композиций, содержащих CKD. Например, как указано в вышеприведенной таблице, прочность на раздавливание образцов постепенно повышалась, по мере того как концентрация невспученного перлита в образце возрастала от 0% по массе до 40% по массе.

Пример 4

Дополнительную серию образцов способных к схватыванию композиций готовили и испытывали для дополнительного анализа свойств силы сопротивления способных к схватыванию композиций, которые содержат CKD и невспученный перлит. Образцы композиций оставляли отвердевать на водяной бане на 24 часа при температуре, указанной в таблице ниже. Сразу же после снятия с водяной бани прочность на раздавливание определяли с помощью прибора для испытания Tinius Olsen. Результаты испытаний прочности на раздавливание изложены в таблице ниже.

Испытания №№ 38-43 выполняли на образцах с плотностью 14,2 фунт/галлон (0,24 кг/л) и содержащих воду, CKD, перлит и известь, как указано в таблице ниже. Образцы дополнительно содержали диспергатор цемента в количестве примерно 0,4% по массе. В испытаниях №№ 38 и 39 использовали измельченный невспученный перлит (IM-325) от Hess Pumice Products с размером частицы примерно 325 меш США (44 мкм). В испытаниях №№ 40 и 41 использовали неизмельченную перлитовую руду, имеющую средний размер частиц (d50) примерно 190 мкм. В испытаниях №№ 42 и 43 использовали вспученный перлит.

В нижеследующей таблице проценты по массе основаны на массе CKD и перлита в образце, и галлоны на мешок (галлон/мешок) рассчитаны на 94-фунтовый (42,64 кг) мешок CKD и перлита.

Таким образом, пример 4 показывает, что невспученный перлит обеспечивает превосходное повышение прочности в композициях, содержащих CKD, по сравнению с неизмельченной перлитовой рудой и вспученным перлитом. Действительно, образец со вспученным перлитом даже не мог быть протестирован из-за проблем со смешиваемостью.

Пример 5

Дополнительную серию образцов способных к схватыванию композиций готовили и испытывали для дополнительного анализа способных к схватыванию композиций, которые содержат CKD и невспученный перлит. Образцы композиций оставляли отвердевать на водяной бане на 24 часа при температуре, указанной в таблице ниже. Сразу же после снятия с водяной бани прочность на раздавливание определяли с помощью прибора для испытания Tinius Olsen. Результаты испытаний прочности на раздавливание изложены в таблице ниже. Время загустевания для каждого образца также определяли при 140°F (60°С) в соответствии с описанием 10 API.

Испытания №№ 44-56 выполняли на образцах с плотностью 12,5 фунт/галлон (0,24 кг/л) и содержащих CKD, перлит и известь, как указано в таблице ниже. Образцы дополнительно содержали диспергатор цемента в количестве примерно 0,4% по массе и замедлитель схватывания цемента (замедлитель схватывания цемента HR^® 5, Halliburton Energy Services, Inc.). В испытаниях №№ 45, 48, 51 и 54 использовали измельченный невспученный перлит (IM-325) от Hess Pumice Products с размером частицы примерно 314 меш США (46 мкм). В испытаниях №№ 46, 49, 52 и 55 использовали неизмельченную перлитовую руду, имеющую средний размер частиц (d50) примерно 190 мкм. В испытаниях №№ 47, 50, 53 и 56 использовали вспученный перлит.

В нижеследующей таблице проценты по массе основаны на массе CKD и перлита в образце, и галлоны на мешок (галлон/мешок) рассчитаны на 94-фунтовый (42,64 кг) мешок CKD и перлита.

Таким образом, пример 5 показывает, что невспученный перлит обеспечивает повышенную прочность в композициях, содержащих CKD, по сравнению с неизмельченной перлитовой рудой и вспученным перлитом. Аналогично предыдущему примеру образцы со вспученным перлитом даже не могут быть протестированы из-за проблем со смешиваемостью.

Пример 6

Дополнительную серию образцов способных к схватыванию композиций готовили и испытывали для дополнительного анализа способных к схватыванию композиций, которые содержат CKD и невспученный перлит. Образцы композиций оставляли отвердевать на водяной бане на 24 часа при температуре, указанной в таблице ниже. Сразу же после снятия с водяной бани прочность на раздавливание определяли с помощью прибора для испытания Tinius Olsen. Результаты испытаний прочности на раздавливание изложены в таблице ниже.

Испытание № 57 выполняли на образце с плотностью 12,5 фунт/галлон (0,24 кг/л) и содержащем воду, портландцемент типа V, CKD, неизмельченную перлитовую руду и пумицит, как указано в таблице ниже. Неизмельченная перлитовая руда имела средний размер частиц (d50) примерно 190 мкм. Пумицит имел средний размер частиц (d50) примерно 4 мкм.

Испытание № 58 выполняли на образце с плотностью 12,5 фунт/галлон (0,24 кг/л) и содержащем воду, измельченную смесь цемент/пумицит, CKD и измельченный невспученный перлит. Измельченная смесь цемент/пумицит содержала портландцемент типа V (40% по массе), перемолотый с пумицитом (60% по массе). Измельченная смесь цемент/пумицит имела средний размер частиц примерно 1-4 мкм. Измельченным невспученным перлитом был IM-325 от Hess Pumice Products с размером частицы примерно 325 меш США (44 мкм).

В нижеследующей таблице проценты по массе основаны на массе CKD, цемента, перлита, пумицита и/или смеси пумицит/цемент в образце, и галлоны на мешок (галлон/мешок) рассчитаны на 94-фунтовый (42,64 кг) мешок CKD, цемента, перлита, пумицита и/или смеси пумицит/цемент в образце.

Таким образом, пример 6 показывает, что невспученный перлит в сочетании с измельченным пумицитом обеспечивает повышенную прочность в композициях, содержащих CKD, по сравнению с композициями со стандартным цементом, пумицитом и неизмельченной перлитовой рудой.

Следует понимать, что хотя составы и способы описаны терминами "охватывающие", "содержащие" или "включающие" различные компоненты или стадии, составы и способы также могут "состоять существенным образом из" или "состоять из" различных компонентов и стадий.

Для краткости только некоторые диапазоны описаны в настоящем документе явным образом. Однако диапазоны от любого нижнего предела могут быть объединены с любым верхним пределом для указания диапазона, не указанного явным образом, а также диапазоны от любого нижнего предела могут быть объединены с любым другим нижним пределом для указания диапазона, не указанного явным образом, точно так же диапазоны от любого верхнего предела могут быть объединены с любым другим верхним пределом для указания диапазона, не указанного явным образом. Кроме того, всякий раз, когда описывается численный диапазон с нижним пределом и верхним пределом, любое число и любой включенный диапазон в пределах данного диапазона являются конкретно раскрытыми. В частности, каждый диапазон значений (в форме «от примерно "a" до примерно "b"», или равнозначно, «от приблизительно "a" до "b"», или равнозначно, «от приблизительно "a-b"»), описанный в настоящем документе, следует понимать как указывающий на каждое число и диапазон в более широком диапазоне значений, даже если они не указаны явным образом. Таким образом, каждая точка или индивидуальное значение может выступать в качестве своего собственного нижнего или верхнего предела, в сочетании с любой другой точкой или индивидуальным значением или любым другим нижним или верхним пределом, чтобы указать диапазон, не указанный явным образом.

Следовательно, настоящее изобретение хорошо приспособлено для достижения упомянутых целей и преимуществ, а также целей и преимуществ, которые являются неотъемлемыми для данного изобретения. Конкретные варианты осуществления, описанные выше, являются только иллюстративными, поскольку настоящее изобретение можно модифицировать и практически применять различными, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области техники, использующих преимущества изобретения, описанного в данном документе. Хотя обсуждаются отдельные варианты осуществления, изобретение охватывает все комбинации всех этих вариантов осуществления. Более того, на детали конструкции или дизайн, приведенные в настоящем документе, не налагается ограничений, кроме описанных ниже в формуле изобретения. Также термины в формуле изобретения имеют свое прямое обычное значение, если иное не определено недвусмысленно и ясно патентообладателем. Таким образом, очевидно, что конкретные иллюстративные варианты осуществления, описанные выше, могут быть изменены или модифицированы, и все такие изменения считаются входящими в объем настоящего изобретения.

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу цементирования, включающему введение в ствол скважины способной к схватыванию композиции, содержащей невспученный перлит, цементную печную пыль, пумицит и воду, и предоставление возможности композиции схватиться. В варианте осуществления настоящего изобретения способ цементирования включает введение в ствол скважины способной к схватыванию композиции, содержащей цементную печную пыль, измельченный невспученный перлит, портландцемент, перемолотый с пумицитом, и воду; и предоставление возможности композиции схватиться. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы изобретения. Технический результат - повышение прочности при сжатии отвердевшей композиции, используемой при цементировании. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 6 пр. 6 табл.

Формула