Утилизация отходов производства путем анализа компонентного состава - RU2737254C1

Чертежи

Описание

[0001] В процессе цементирования скважин, например при строительстве или ремонте скважин, обычно применяются цементные композиции. Эти композиции могут быть использованы в различных подземных применениях. Например, при строительстве подземной скважины колонна труб (например, обсадная колонна, хвостовики, расширяемые трубные элементы и т.д.) могут быть опущены в ствол скважины и зацементированы на месте. Процесс цементирования колонны труб на месте обычно называют «первичным цементированием». В типичном способе первичного цементирования цементная композиция может закачиваться в затрубное пространство между стенками ствола скважины и внешней поверхностью расположенной в стволе колонны труб. Цементная композиция может схватываться в кольцевом зазоре, образуя кольцевую оболочку из затвердевшего, по существу непроницаемого цемента (т.е. цементную оболочку), которая может поддерживать и удерживать на месте колонну труб в стволе скважины, и может связывать внешнюю поверхность колонны труб с подземным пластом. Помимо прочего, цементная оболочка, окружающая колонну труб, предотвращает миграцию флюидов в затрубном пространстве и защищает колонну труб от коррозии. Цементные композиции могут также использоваться в способах ремонтно-изоляционного цементирования, например, для герметизации трещин или отверстий в колоннах труб или цементных оболочках, для герметизации высокопроницаемых зон формации или трещин, для установки цементной пробки и тому подобных работ.

[0002] Особой проблемой при цементировании скважин является выработка удовлетворительных механических свойств в цементной композиции в течение разумного периода времени после ее размещения в подземном пласте. Раньше промышленные и сельскохозяйственные отходные материалы были включены в цементные композиции для экономии средств. Отходные материалы могут быть несовместимы с цементной композицией и могут иметь нежелательные или вторичные эффекты в дополнение к первичному эффекту наличия вяжущих свойств. Кроме того, из-за таких факторов, как недостаточная реакционная способность отходных материалов, количество портландцемента, заменяемого отходными материалами, может быть ограничено. Кроме того, отходные материала, раскрытые в данном документе, в целом могут считаться неподходящими для применения в цементной композиции из-за сильных отрицательных эффектов, которые могут иметь отходные материалы. В данном документе раскрыты способы и системы, которые позволяют использовать отходные материалы, ранее считавшиеся непригодными для цементных композиций.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0003] Приведенные графические материалы иллюстрируют некоторые аспекты некоторых вариантов реализации согласно настоящему изобретению, и их не следует использовать для ограничения или определения границ объема данного изобретения.

[0004] На фиг. 1 приведена схематическая иллюстрация приведенной в качестве примера системы для анализа вяжущих компонентов.

[0005] На фиг. 2 приведена схематическая иллюстрация представленной в качестве примера системы для получения цементных композиций.

[0006] На фиг. 3 представлена схематическая иллюстрация, демонстрирующая введение цементной композиции в ствол скважины.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Настоящее раскрытие в целом может относиться к способам и системам цементирования. В данном документе представлены способы, которые могут включать разработку цементной композиции, содержащей отходные материалы, которая учитывает физико-химические свойства каждого отходного материала. Способ может включать анализ отходного материала, обычно непригодного для цементирования ствола скважины, и балансирование отходного материала с другими вяжущими компонентами для получения цементной композиции, которая является подходящей для использования. В контексте данного документа термин "подходящий для использования" означает, что композиция является смешиваемой, обладает требуемыми инженерными свойствами и имеет желаемую стоимость для конкретного применения. Одним из способов улучшения разработки цементной композиции может быть определение отношения извести к кремнезему для обеспечения улучшенного отношения, влияющего на определенные свойства цемента. В частности, физико-химические свойства могут включать композицию каждого отходного материала. Указанная композиция отходных материалов может влиять на конечные установленные механические свойства цементной композиции, а также на динамические или временные свойства, такие как смешиваемость, реология, вязкость и другие. Каждый отходный материал может влиять на одно или большее количество из упомянутых свойств. Как упоминалось ранее, отходные материалы, как описано в настоящем документе, относятся к материалам, которые обычно могут быть непригодны для использования в цементе. Отходные материалы могут быть побочными продуктами промышленного производства. Используемый в данном документе термин «побочный продукт промышленного производства» относится к вторичному продукту, полученному в процессе производства. Другими словами, побочный продукт промышленного производства не является основным продуктом, производимым в процессе производства. Например, летучая зола от определенной угольной электростанции может содержать относительно большое количество свободной извести. При использовании в цементной композиции большое количество свободной извести может отрицательно взаимодействовать с другими компонентами в цементной композиции, что ведет к снижению характеристик. Методы, описанные в данном документе, могут позволить специалисту в данной области техники проанализировать отходы производства, непригодные для использования в цементе и в процессе разработки цементной композиции, могут дать возможность утилизировать отходный материал. Методы, описанные в данном документе, могут позволить специалисту в данной области разработать цементные композиции с материалами, которые могли быть ранее выброшены.

[0008] В предыдущих составах цементных композиций на основе портландцемента мог быть добавлен отходный материал в качестве наполнителя для снижения стоимости без учета композиции или реакционной способности материалов. Отходный материал (например, шлак) может быть слишком реакционноспособным или несбалансированным в конкретном минерале при сравнении с другими отходными материалами, используемыми в цементе. В некоторых примерах отходный материал может быть настолько несбалансированным, что отходный материал будет непригоден для использования при цементировании из-за больших отрицательных эффектов, которые оказывает отходный материал. Материал может, например, содержать большое количество свободной извести, что может привести к плохому схватыванию при сочетании с портландцементом. В предыдущих цементных композициях отходные материалы с большим отрицательным эффектом, возможно, не считались подходящими для использования и впоследствии выбрасывались или не использовались. Обычно отходный материал может быть испытан в нескольких цементных композициях или составах, чтобы определить, может ли отходный материал быть пригодным. Отходный материал из конкретного региона может отличаться по составу от отходного материала того же типа, но из другого региона. Различия в составе отходных материалов могут сделать один из них более подходящим, чем другой, или сделать его совершенно неподходящим. Один из методов определения того, как будет работать отходный материал, являются стандартные испытания схватывания цемента, определенные Американским институтом нефти (American Petroleum Institute - API). Испытание схватывания цемента и другие испытания могут быть выполнены на цементной композиции, содержащей отходный материал, и на основании результатов инженер может определить, следует ли использовать этот отходный материал в цементной композиции. Если отходный материал не проходит испытания, он никогда не может быть использован или рассмотрен.

[0009] Методы, описанные в данном документе, могут позволить обычному специалисту анализировать отходный материал и определять, a priori, пригоден ли отходный материал для использования и нужны ли какие-либо модификации или корректировка для уменьшения любых негативных последствий, которые может иметь отходный материал. Методы, описанные в данном документе, могут также позволить использование отходных материалов, которые обычно не подходят для использования в цементе. Раскрытый в данном документе процесс разработки цементной композиции может включать корректировку отходного материала, чтобы улучшить общие механические свойства композиции. Другой процесс разработки цементной композиции, раскрытый в данном документе, может минимизировать стоимость за счет использования множества отходных материалов или вяжущих компонентов и балансирования реакционной способности каждого из них. Реакционная способность отходного материала может управляться или регулироваться путем корректировки относительного количества присутствующих минералов. Минералы могут включать, но не ограничиваются этим, известь, кремнезем или кремниевую кислоту, гипс, гидраты металлов, оксиды металлов, такие как оксид алюминия, и другие. Раскрытая в данном документе цементная композиция может быть в целом классифицирована как синтетическая портландцементная композиция. Хотя раскрытая в данном документе цементная композиция может не соответствовать концентрации оксида кремния в портландцементе, цементная композиция может соответствовать или иметь свойства, которые лучше механических свойств цементной композиции на основе портландцемента. Кроме того, вяжущие компоненты, такие как отходные материалы, раскрытые в данном документе, как правило, могут быть описаны как растворимые в щелочи. Вяжущий компонент считается растворимым в щелочи, если он хотя бы частично растворим в водном растворе с pH 7,0 или выше.

[0010] Цементные композиции обычно могут содержать воду, портландцемент, отходный материал и известь. Указанные цементные композиции могут иметь плотность, подходящую для конкретного применения. Цементные композиции могут иметь любую подходящую плотность, включая, но не ограничиваясь этим, плотность от около 8 фунтов на галлон («pounds per gallon - ppg») до около 16 ppg (от 1 г/см3 до 1,9 г/см3). Во вспененных образцах вспененные цементные композиции согласно данному изобретению могут иметь плотность в диапазоне от около 8 ppg до около 13 ppg (от 1 г/см3 до 1,6 г/см3 (или даже ниже). Цементные композиции содержат другие средства для снижения их плотности, такие как полые микросферы, эластичные шарики низкой плотности или другие добавки, снижающие плотность, известные в данной области техники. Специалисты в данной области техники, пользуясь преимуществом этого раскрытия, должны определять подходящую плотность для конкретного применения.

[0011] Вода, используемая в цементных композициях, может представлять собой, например, пресную воду, соленую воду (например, воду, содержащую растворенную в ней одну или большее количество солей), рассол (например, насыщенную соленую воду, добываемую из подземных пластов), морскую воду или их комбинации. Обычно вода может быть из любого источника при условии, что она не содержит избытка соединений, которые могут нежелательно влиять на другие компоненты в цементной композиции. Вода может содержаться в количестве, достаточном для получения поддающейся насосной перекачке суспензии. Вода может быть включена в цементные композиции в любом подходящем количестве, включая, но не ограничиваясь этим, от около 40% до около 200% по массе вяжущих компонентов («by weight of cementitious components - bwoc»), присутствующих в цементной композиции. Используемый в данном документе термин «вяжущий компонент» относится к материалам, которые обладают вяжущими свойствами, таким как, среди прочего, материалы с гидравлической, пуццолановой или другой вяжущей активностью, включая портландцемент и отходные материалы. Для целей этого раскрытия известь также считается вяжущим компонентом, поскольку она может реагировать с различными оксидами в пуццолановой и других цементных реакциях. В некоторых примерах вода может быть включена в количестве в диапазоне от около 40% bwoc до около 150% bwoc. Специалисты в данной области техники с помощью этого раскрытия должны иметь возможность выбрать подходящее количество и тип воды для конкретного применения.

[0012] Портландцементы, которые подходят для использования в настоящем раскрытии, могут быть классифицированы как цементы классов A, C, G и H согласно Американскому нефтяному институту, Спецификация API для материалов и испытаний для скважинных цементов, Спецификация API 10, Пятое издание, 1 Июля, 1990. Кроме того, в некоторых примерах цементы, подходящие для использования в настоящем изобретении, могут быть классифицированы как ASTM типа I, II или III. Цементные композиции, которые могут считаться «низко портландцементными», могут быть разработаны с помощью применения методик, раскрытых в данном документе, в которых цементные композиции могут содержать портландцемент в количестве около 50% или менее по массе вяжущих компонентов («bwoc»). В дополнение к портландцементам, другие гидравлические цементы, включая, помимо прочего, цементы, содержащие кальций, алюминий, кремний, кислород, железо и/или серу, которые схватываются и затвердевают в результате реакции с водой. Подходящие гидравлические цементы могут включать гипс и цементы с высоким содержанием глинозема, среди прочих присутствующие в композитной цементной композиции. Портландцемент может присутствовать в цементных композициях в любом подходящем количестве, включая, но не ограничиваясь, в количестве в диапазоне от около 0% bwoc до около 50% bwoc. В некоторых примерах портландцемент может присутствовать в количестве, варьирующемся от любого и/или включая любое из около 1% bwoc, около 5% bwoc, около 10% bwoc, около 20% bwoc, около 40% bwoc или около 50% bwoc. Могут быть созданы цементные композиции, которые не содержат (или практически не содержат) портландцемент. Специалисты в данной области техники с помощью этого раскрытия должны иметь возможность выбрать подходящее количество гидравлического цемента для конкретного применения.

[0013] Цементные композиции могут содержать отходный материал. Используемый в данном документе термин «отходный материал» относится к материалу, которым обычно располагает промышленность, поскольку он не может быть продан или использован иным образом. Примеры подходящих отходных материалов могут включать, но не ограничиваются ими, летучую золу, выбуренную породу, пыль цементной печи («cement kiln dust - CKD»), пыль кремнезема, биологические золы и другие отходные пуццоланы, среди прочих. Биологические золы, как правило, могут быть продуктом преднамеренного сжигания сельскохозяйственных, коммунальных и промышленных органических отходов. Биологические золы могут включать, но не ограничиваясь этим, золу сельскохозяйственных отходов, такую как зола рисовой шелухи, зола сахарного тростника и зола багассы. Кроме того, в определенных примерах цементных композиций, раскрытых в данном документе, указанные отходные материалы могут содержать смесь одного или большего количества отходных материалов. В общем, отходные материалы содержат различные оксиды, такие как, например, CaCO3, SiO2, CaO, K2SO4, CaSO4, Al2O3, и Fe2O3, MgO, SO3, Na2O, K2O, TiO2, среди многих других. Некоторые оксиды могут растворяться или иным образом диссоциировать с образованием, помимо прочего, кремниевой кислоты, которая может реагировать с образованием цементного продукта. При включении отходного материала может быть использован другой путь для получения продукта, подобного портландцементу. Может быть вызвана пуццолановая реакция, в которой кремниевая кислота (H4SiO4) и портландит (Ca(OH)2) реагируют с образованием цементного продукта (гидрат силиката кальция). Если в источнике кремнезема присутствуют другие соединения, такие как алюминат, могут происходить дополнительные реакции с образованием дополнительных продуктов цемента, таких как гидраты алюмината кальция. Гидроксид кальция, необходимый для реакций, могут быть получены из других вяжущих компонентов, таких как портландцемент и потенциально из одного или большего количества отходных материалов, или могут быть отдельно добавлены к цементной композиции.

[0014] Пример подходящего отходного материала может содержать летучую золу. Может быть подходящим множество летучей золы, включая летучую золу, классифицированную как летучая зола класса C и класса F в соответствии с Американским институтом нефти, Спецификация API для материалов и испытаний для скважинных цементов, Спецификация API 10, Пятое издание, 1 Июля, 1990. Летучая зола класса C содержит как кремнезем, так и известь, поэтому она может образовывать затвердевшую массу при смешивании с водой. Летучая зола класса F, как правило, не содержит достаточного количества извести, чтобы вызвать цементирующую реакцию, поэтому для композиционной цементной композиции, содержащей летучую золу класса F, может потребоваться дополнительный источник ионов кальция. В некоторых вариантах известь может быть смешана с летучей золой класса F в количестве от около 0,1% до около 100% по массе летучей золы. В некоторых случаях известь может представлять собой гашеную известь. Подходящие примеры летучей золы содержат, но не ограничиваются ими, цементную добавку POZMIX® A, коммерчески доступную от Halliburton Energy Services, Inc., Хьюстон, Техас.

[0015] Другой пример подходящего отходного материала может содержать шлак. Шлак, как правило, является побочным продуктом при производстве различных металлов из соответствующих руд. Например, при производстве чугуна можно получить шлак в виде гранулированного побочного продукта доменной печи, причем шлак обычно содержит окисленные примеси, присутствующие в железной руде. Шлак, как правило, не содержит достаточного количества основного материала, поэтому шлак можно использовать вместе с основой для получения схватывающейся композиции, которая может реагировать с водой для схватывания с образованием затвердевшей массы. Примеры подходящих источников основ включают, но не ограничиваются ими, гидроксид натрия, бикарбонат натрия, карбонат натрия, известь и их комбинации.

[0016] Другой пример подходящего отходного материала может содержать пыль кремнезема. В качестве альтернативы пыль кремнезема может быть обозначена как «микрокремнезем» или «осажденная пыль кремнезема». Как правило, пыль кремнезема является побочным продуктом, который может быть получен, например, путем восстановления кварца углем в процессе производства определенных сплавов. Пыль кремнезема может быть переработана после восстановления, например, для контроля размера частиц. Пыль кремнезема может быть очень мелкой, например, со средним размером частиц менее 1 микрона и, альтернативно, менее 0,2 микрона. Средний размер частиц соответствует значениям d50, измеренным анализаторами размера частиц, такими как произведенные компанией Malvern Instruments, Вустершир, Великобритания. Пыль кремнезема может иметь большую площадь поверхности и обычно доступна в виде порошка или жидкости.

[0017] Другой пример подходящего отходного материала может содержать CKD. В данном документе пыль цементной печи или «CKD» относится к частично кальцинированному материалу, загружаемому в печь, который удаляют из газового потока и собирают, например, в пылеулавливатель в процессе производства цемента. Как правило, при производстве цемента собирают большие количества CKD, которые обычно утилизируют как отходы. Утилизация CKD в виде отходов может обусловливать нежелательное удорожание производства цемента, а также экологические проблемы, связанные с ее захоронением.

[0018] Другой пример подходящего отходного материала может содержать золу сельскохозяйственных отходов. Примеры золы сельскохозяйственных отходов, которые могут быть использованы в композиционной цементной композиции, включают, например, древесную (например, опилки, кору, ветки, ветви, другие древесные отходы) золу, золу листьев деревьев, золу кукурузного початка, золу рисовой шелухи, тростниковую (например, сахарный тростник) золу, золу багассы, золу зерна (например, амарант, ячмень, кукурузное льняное семя, просо, овес, лебеда, рожь, рис, пшеница и т. д.) и связанного с ним золу побочных продуктов (например, шелуха, шелуха и т. д.), садовую золу, золу обрези винограда, золу трав (например, Корай, Тифтон, нативная сиба и т.д.), золу соломы, золу молотой скорлупы ореха, золу бобовых (например, соя) и их комбинации.

[0019] Отходный материал может присутствовать в цементных композициях в любом количестве, подходящем для конкретного применения, включая, но не ограничиваясь этим, количество в диапазоне от около 10% bwoc до около 100% bwoc, от около 50% bwoc до около 100% bwoc, от около 50% bwoc до около 80% bwoc или от 80% bwoc до 100% bwoc. В некоторых примерах указанный отходный материал может присутствовать в количестве, варьирующемся от любого и/или включая любое из около 1% bwoc, около 5% bwoc, около 10% bwoc, около 20% bwoc, около 40% bwoc, около 60% bwoc, около 80% bwoc или около 90% bwoc. Специалисты в данной области техники с помощью этого раскрытия должны иметь возможность выбрать подходящие тип и количество отходного материала для конкретного применения.

[0020] Цементные композиции могут содержать известь. Известь может присутствовать в цементной композиции в различных формах, в том числе в виде оксида кальция и/или гидроксида кальция. Используемый в данном документе термин «известь» включает как оксид кальция, так и гидроксид кальция. Гидроксид кальция также обычно называют гидратной известью или гашеной известью. В некоторых примерах гашеная известь может поставляться как негашеная известь (оксид кальция), которая гидратируется при смешивании с водой, образуя гашеную известь. В дополнение указанная дополнительная известь в качестве отдельного компонента, по меньшей мере, часть извести в цементной композиции также может быть получена из других вяжущих компонентов. Например, гидравлическая реакция портландцемента с водой может привести к выделению гидратированной извести в цементную композицию. Кроме того, отходные материалы также могут содержать известь или выделять известь в цементную композицию. Известь, присутствующая в отходном материале в виде CaO, может называться свободной известью, если она не связана с другими минералами. Гидратированная известь может быть включена в примеры цементных композиций, например, для взаимодействия с отходным материалом. Там, где она присутствует, известь может быть включена в цементные композиции в количестве, например, в диапазоне от около 10% bwoc до около 100% bwoc. В некоторых примерах гашеная известь может присутствовать в количестве в диапазоне между любыми и/или включая значения около 10% bwoc, около 20% bwoc, около 40% bwoc, около 60% bwoc, около 80% bwoc или около 100% bwoc. При помощи данного описания специалисты в данной области техники должны определить подходящее количество используемой гашеной извести для выбранного применения.

[0021] В некоторых примерах цементные композиции могут содержать источник кальция, вместо или в дополнение к гидратной извести. Как правило, кальций и высокий pH, например, pH, составляющий 7,0 или выше, могут потребоваться для определенных вяжущих реакций. Потенциальное преимущество гашеной извести может заключаться в том, что ионы кальция и гидроксид-ионы находятся в составе одной молекулы. В другом примере источником кальция может быть Ca(NO3)2 или CaCl2 с гидроксидом, подаваемым, например, из NaOH или KOH. Специалист в данной области техники поймет, что альтернативный источник кальция и источник гидроксида могут быть включены в цементную композицию так же, как и гидратированная известь. Например, источник кальция и источник гидроксида могут быть включены в массовое отношение источника кремнезема к гидратной извести от около 10:1 до около 1:1 или отношение от около 3:1 до около 5:1. Там, где они присутствуют, альтернативный источник кальция и источник гидроксида могут быть включены, например, в цементные композиции в количестве в диапазоне от около 10% до около 100% по массе источника кремнезема. В некоторых примерах альтернативный источник кальция и источник гидроксида могут присутствовать в количестве, варьирующемся между любым из и/или включая любое из около 10%, около 20%, около 40%, около 60%, около 80% или около 100% по массе источника кремнезема. Специалист в данной области техники, пользуясь преимуществом этого раскрытия, должен распознавать соответствующее количество альтернативного источника кальция и источника гидроксида для включения в выбранное применение.

[0022] Цементная композиция может дополнительно содержать другие добавки, подходящие для использования в операциях цементирования. Примеры таких добавок включают, но не ограничиваются ими: утяжелители, замедлители, ускорители, активаторы, газовые контрольные добавки, легкие добавки, газообразующие добавки, добавки, улучшающие механические свойства, материалы для борьбы с поглощениями, добавки для контроля фильтрации, добавки для контроля потерь жидкости, пеногасители, пенообразователи, модификаторы времени перехода, диспергаторы, тиксотропные добавки, суспендирующие агенты и их комбинации. Специалисты в данной области техники с помощью этого раскрытия должны иметь возможность выбрать подходящую добавку для конкретного применения.

[0023] Цементные композиции могут быть приготовлены с использованием любой подходящей технологии. Вяжущие компоненты, такие как портландцемент, отходные материалы и/или известь, могут быть смешаны в сухом виде перед смешиванием с водой для образования цементной композиции. Эта сухая смесь может быть приготовлена за пределами площадки и затем транспортирована на участок скважины, например, где она может быть разведена водой. Дополнительная сухая цементная добавка также может быть включена в сухую смесь. Другие подходящие технологии могут быть использованы для приготовления цементных композиций, что должно быть понятно специалистам в данной области в соответствии с настоящим раскрытием.

[0024] Как описано ранее, отходный материал может растворять или иным образом образовывать кремниевую кислоту, которая может реагировать с гидроксидом кальция с образованием цементного продукта. Кроме того, другие оксиды и соединения, присутствующие в отходных материалах, могут также растворяться и реагировать с известью и другими вяжущими компонентами с образованием затвердевшей массы. Может быть вызвана пуццолановая реакция, при этом кремниевая кислота (H4SiO4) и портландит (Ca(OH)2 реагируют с образованием цементного продукта (гидрат силиката кальция). Эта пуццолановая реакция между кремниевой кислотой (H4SiO4) и портландитом (Ca(OH)2) может протекать в соответствии со следующими уравнениями. Во-первых, кремнезем может быть гидратирован с образованием кремниевой кислоты, а оксид кальция может гидратироваться с образованием портландита или гидратированной извести. Как будет понятно специалистам в данной области техники, гидроксид кальция также может быть получен из других компонентов в цементной композиции, например, посредством гидравлической реакции портландцемента. Затем кремниевая кислота и гидратированная известь могут реагировать с образованием гидрата силиката кальция. Если в источнике кремнезема присутствуют другие соединения, такие как алюминат, могут происходить дополнительные реакции с образованием дополнительных вяжущих продуктов, таких как гидраты алюмината кальция.

[0025] Реакция может быть не простой, так как разные отходные материалы могут иметь разные скорости растворимости и гидратации. Стехиометрия реакции также может быть не прямой из-за различной растворимости реагентов. Если количество любого реагента отличается от идеального количества, то реакция может замедлиться или прекратиться. Одним из способов управления реакцией может быть обеспечение отношения доступной извести к кремниевой кислоте, достаточного для проведения реакции. Другими словами, концентрации источников кремнезема и/или извести могут быть выбраны для цементной композиции, чтобы обеспечить это отношение.

[0026] Цементная композиция может быть разработана таким образом, чтобы она имела целевое отношение извести к кремнезему. Любое подходящее целевое отношение извести к кремнезему может быть выбрано для обеспечения желаемой реакции, включая, но не ограничиваясь этим, целевое отношение извести к кремнезему в диапазоне от около 20/80 извести к кремнезему по массе до около 40/60 извести к кремнезему по массе, например, около 20/80 извести к кремнезему по массе, около 30/70 извести к кремнезему по массе или около 40/60 извести к кремнезему по массе.

[0027] Отходные материалы, пригодные для использования в цементной смеси, могут широко варьироваться по составу в зависимости от конкретного источника и региона, где был произведен отходный материал. В предшествующих цементных композициях, содержащих отходный материалы, конкретный химический состав отходного материала часто не принимался во внимание. Некоторые из отходов производства могут быть химически несбалансированными, если они могут вызвать серьезные проблемы, такие как гелеобразование, высокое тепловыделение, минеральная несовместимость и другие нежелательные эффекты. Ранее эти материалы могли считаться непригодными для использования в цементе из-за значительных негативных последствий. В некоторых примерах отходный материал может иметь относительно высокое содержание свободной извести, которая, если она используется отдельно с портландцементом, может привести к тому, что цементная композиция не достигнет желаемой прочности на сжатие. Высокое содержание извести и низкое содержание кремнезема в определенном отходном материале может вызвать нежелательные реакции, особенно в композициях с низким содержанием портландцемента.

[0028] Отходные материалы (один или большее количество дополнительных компонентов, таких как вяжущие компоненты, включая источник кремнезема и/или извести) могут быть исследованы на физические и химические свойства, используя лабораторные методы и процедуры, включая, но не ограничиваясь этим, микроскопию, спектроскопию, рентгеновскую дифракцию, рентгеновскую флуоресценцию, анализ размера частиц, анализ потребности в воде, сканирующую электронную микроскопию, энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию, оценку площади поверхности, анализ удельного веса, термогравиметрический анализ, морфологический анализ, инфракрасную спектроскопию, спектроскопию в ультрафиолетовой и видимой области спектра, масс-спектроскопию, вторичную ионную масс-спектрометрию, электронно-энергетическую масс-спектрометрию, дисперсионную рентгеновскую спектроскопию, электронную оже-спектроскопию, анализ индуктивно связанной плазмы, термоионизационную масс-спектроскопию, масс-спектроскопию с тлеющим разрядом, рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, проверку механических свойств, проверку модуля Юнга, реологических свойств, коэффициента Пуассона. Одно или большее количество из предыдущих испытаний могут рассматриваться как испытания API, как указано в рекомендуемой практике API для тестирования скважинных цементов (опубликовано как рекомендуемая практика ANSI/API 10B-2). Дополнительные испытания API, конкретно не перечисленные выше, также могут использоваться для измерений. Могут быть измерены физические и химические свойства для группы вяжущих компонентов. Два или более из измеренных вяжущих компонентов могут быть различными типами вяжущих компонентов (например, вулканическая порода, CKD, летучая зола и т.д.). Два или большее количество вяжущих компонентов могут быть одного типа, но из разных источников (например, вулканическая порода из источника 1, вулканическая порода из источника 2 и т.д.).

[0029] Дифракция рентгеновских лучей на порошке является одним из методов анализа, который может использоваться для измерения физических и химических свойств отходных материалов. Дифракция рентгеновских лучей на порошке представляет собой метод воздействия на образец рентгеновских лучей, нейтронов или электронов и измерения величины межатомной дифракции. Образец действует на дифракционную решетку, создавая различный сигнал под разными углами. Типичными свойствами, которые могут быть измерены, являются идентификация фазы для выполнения определения и характеристики кристаллического твердого вещества. Другими свойствами могут быть кристалличность, параметры решетки, тензоры расширения, объемный модуль и фазовые переходы.

[0030] Рентгеновская флуоресценция - это еще один метод анализа, который можно использовать для измерения физических и химических свойств отходных материалов. Рентгеновская флуоресценция может использовать коротковолновое рентгеновское излучение для ионизации атомов в образце, тем самым вызывая их флуоресценцию при определенных характерных длинах волн. Характерное излучение, испускаемое образцом, может позволить точно идентифицировать атомы компонентов в образце, а также их относительные количества.

[0031] Анализ размера частиц является еще одним методом анализа, который может использоваться для измерения физических и химических свойств отходных материалов (и/или одного или большего количество дополнительных компонентов). Анализ размера частиц может быть выполнен посредством анализа различными лабораторными методами, включая, но не ограничиваясь этим, лазерную дифракцию, динамическое рассеяние света, статический анализ изображения и динамический анализ изображения. Анализ размера частиц может также предоставить информацию о морфологии конкретного образца. Морфология может включать такие параметры, как сферичность и округлость, а также общую форму частицы, такую как диск, сфероид, лопасть или валик. Зная морфологию и размер частиц, можно оценить среднюю площадь поверхности и объем. Площадь поверхности и объем могут быть важны при определении потребности в воде, а также реакционной способности. В общем, частицы с относительно меньшим размером могут реагировать быстрее, чем частицы с относительно большими размерами. Также относительно меньший размер частиц может приводить к большей потребности в воде для полной гидратации, чем относительно больший размер частиц.

[0032] Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия является еще одним методом анализа, который может использоваться для измерения физических и химических свойств отходных материалов (и/или одного или большего количества дополнительных компонентов). Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия - это аналитическая методика, используемая для анализа элементов, присутствующих в образце, и определения химической характеристики образца. Другие методы могут включать инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье, спектроскопию в ультрафиолетовой и видимой области спектра, масс-спектроскопию, масс-спектрометрию с вторичными ионами, масс-спектрометрию с энергией электронов, дисперсионную рентгеновскую спектроскопию, электронную оже-спектроскопию, масс-спектрометрию с индуктивно-связанной плазмой (inductively coupled plasma mass spectrometry - ICP-MS), термическую ионизационную масс-спектроскопию, масс-спектроскопию тлеющего разряда и рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию.

[0033] Отходные материалы (и/или один или большее количество дополнительных компонентов) могут быть проанализированы для определения их потребности в воде. Потребность в воде обычно определяется как количество воды для смешивания, которое требуется добавить в порошкообразный твердый материал для образования суспензии определенной консистенции. Потребность в воде для конкретного вяжущего компонента может быть определена с помощью процесса, который включает в себя: a) подготовку смесителя Waring с определенным количеством воды, b) перемешивание воды при определенных оборотах смесителя, c) добавление исследуемого порошкообразного твердого вещества к воде до получения определенной консистенции и d) расчет потребности в воде на основе отношения воды к твердым веществам, необходимого для получения желаемой консистенции.

[0034] Отходные материалы (и/или один или большее количество дополнительных компонентов) могут быть проанализированы для определения их удельной площади поверхности. Удельная площадь поверхности обычно относится к общей площади поверхности и может быть представлена как общая площадь поверхности на единицу массы. Значения, полученные для конкретной области, зависят от метода анализа. Среди всего могут использоваться любые подходящие методы анализа, включая, но не ограничиваясь методы, основанные на адсорбции, такие как анализ Брунауэра-Эммета-Теллера (Brunauer-Emmett-Teller - BET), окрашивание метиленовым синим, адсорбция моноэтилового эфира этиленгликоля и способ удержания белка.

[0035] Термогравиметрический анализ является еще одним методом анализа, который может использоваться для измерения физических и химических свойств отходных материалов (и/или одного или большего количество дополнительных компонентов). Термогравиметрический анализ представляет собой метод термического анализа, в ходе которого могут быть оценены изменения физических и химических свойств образца. В общем случае свойства могут быть измерены как функция повышения температуры, например, с постоянной скоростью нагрева, или как функция времени с постоянной температурой или постоянным изменением массы. Свойства, определенные термогравиметрическим анализом, могут включать фазовые переходы первого порядка и фазовые переходы второго порядка, такие как испарение, сублимация, адсорбция, десорбция, абсорбция, хемосорбция, десольватация, дегидратация, разложение, окисление и восстановление, ферромагнитный переход, сверхпроводящий переход и другие свойства.

[0036] Помимо определения физических и химических свойств самих отходных материалов (и/или одного или большего количества дополнительных компонентов) могут также проводиться лабораторные испытания для определения поведения отходных материалов в цементной композиции. Например, вяжущие компоненты могут быть проанализированы в цементной композиции для определения их прочности на сжатие и механических свойств. Например, предварительно выбранное количество вяжущего компонента может быть объединено с водой и известью (если это необходимо для схватывания). Затем можно определить механические свойства цементной композиции, в том числе прочность на сжатие, прочность на растяжение и модуль Юнга. Любое из множества различных условий может быть использовано для испытания, совместимы ли условия различных вяжущих компонентов.

[0037] Прочность на сжатие в общем случае представляет собой способность материала или структуры выдерживать силы сдавливания, приложенные в осевом направлении. Прочность на сжатие вяжущего компонента может быть измерена в определенное время после того, как вяжущий компонент смешан с водой, и полученная цементная композиция поддерживается при определенных условиях температуры и давления. Например, прочность на сжатие может быть измерена за время в диапазоне от около 24 часов до около 48 часов (или дольше) после того, как флюид был смешан, и температура флюида поддерживается в диапазоне температур от 100 °F (38 °С) до около 200 °F (93 °С) и атмосферном давлении. Прочность на сжатие можно измерить либо разрушающим, либо неразрушающим способом. В разрушающем методе физически испытывают прочность образцов состава для обработки приствольной зоны в различных точках времени, разрушая образцы 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 (pound-force per square inch - psi). Неразрушающие методы обычно могут использовать ультразвуковой цементный анализатор («Ultrasonic Cement Analyzer - UCA»), предлагаемый компанией Fann® Instrument Company, Хьюстон, Техас. Прочность на сжатие может быть определена в соответствии с руководством API RP 10B-2, Recommended Practice for Testing Well Cements, первое издание, июль, 2005.

[0038] Прочность на растяжение обычно представляет собой способность материала противостоять нагрузкам, имеющим тенденцию удлинять материал, в отличие от прочности на сжатие. Прочность на растяжение вяжущего компонента может быть измерена в определенное время после того, как цементный компонент смешан с водой, и полученная цементная композиция поддерживается при определенных условиях температуры и давления. Например, прочность на растяжение может быть измерена за время в диапазоне от около 24 часов до около 48 часов (или дольше) после того, как флюид был смешан, и температура флюида поддерживается в диапазоне температур от 100 °F (38 °С) до около 200 °F (93 °С) и атмосферном давлении. Прочность на растяжение может быть измерена с использованием любого подходящего метода, включая те, которые соответствуют процедуре, описанной в ASTM C307. То есть образцы могут быть приготовлены в брикетных формах, имеющих вид галеты, с площадью поперечного сечения в один квадратный дюйм в середине. Затем можно приложить напряжение к увеличенным концам образцов, пока образцы не разорвутся в центральной области. Растяжение, выраженное в фунтах на квадратный дюйм, при котором разрушается образец, является пределом прочности на разрыв испытуемого материала.

[0039] Модуль Юнга, также называемый модулем упругости, является мерой отношения приложенного напряжения к результирующей деформации. Как правило, сильно деформируемый (пластичный) материал будет демонстрировать более низкий модуль при увеличении ограниченного напряжения. Таким образом, модуль Юнга представляет собой постоянную упругости, которая демонстрирует способность испытуемого материала выдерживать приложенные нагрузки. Ряд различных лабораторных методов может быть использован для измерения модуля Юнга флюида для обработки, содержащего вяжущий компонент, после того, как флюиду для обработки позволили отстояться в течение некоторого периода времени при определенных условиях температуры и давления.

[0040] Хотя могут быть упомянуты только некоторые избранные лабораторные методы, следует понимать, что может быть много аналитических методов, которые могут быть подходящими или не подходящими для определенного образца. Специалист в данной области техники с помощью этого раскрытия должен иметь возможность выбрать подходящую аналитическую методику для определения определенного свойства, представляющего интерес.

[0041] После того, как аналитические методы были выполнены для отходных материалов (и/или одного или большего количества дополнительных компонентов), данные могут быть классифицированы и сопоставлены. Некоторые категории могут включать, но не ограничиваются ими, удельную площадь поверхности, морфологию, удельный вес, потребность в воде и т. д. В некоторых примерах компоненты могут быть классифицированы по составу оксида, включая, но не ограничиваясь этим, содержание кремнезема, содержание оксида кальция и содержание глинозема. Кроме того, соотношения между отходными материалами могут быть получены на основе категоризации данных. Например, различные категории свойств могут пересекаться. В некоторых примерах может быть представлена зависимость потребности в воде от удельной площади поверхности. Соответственно, потребность в воде вяжущего компонента может быть соотнесена с удельной площадью поверхности, так что удельная площадь поверхности является функцией потребности в воде. Удельную поверхность можно использовать для прогнозирования реакционной способности вяжущего компонента (или компонентов). Однако удельная площадь поверхности не всегда может быть доступна для каждого материала, так как для анализа удельной поверхности обычно требуется специальный прибор. Соответственно, если потребность в воде может быть получена для отходных материалов, соотношение между потребностью в воде и удельной площадью поверхности может использоваться для получения оценки удельной площади поверхности, которая затем может использоваться для прогнозирования реакционной способности. В дополнение к соотношениям между удельной поверхностью и реакционной способностью, соотношения также могут быть сделаны между удельной поверхностью и другими механическими свойствами, такими как прочность на растяжение и модуль Юнга.

[0042] В некоторых примерах отходные материалы (и/или один или большее количество дополнительных компонентов), которые могут быть растворимы в щелочи, могут иметь синергетический эффект с портландцементом, тогда как другие могут быть несовместимыми. В некоторых примерах отходный материал, растворимый в щелочи, может вызывать гелеобразование, выделение большого количества тепла, задержку воды и другие эффекты. Эти и другие эффекты могут быть реализованы в ходе лабораторных испытаний отходного материала. Лабораторное оборудование может быть выполнено с возможностью обнаружения влияния отходных материалов на цементную композицию. В некоторых примерах оборудование, такое как калориметр, может измерять и количественно определять количество выделяемого тепла на единицу массы отходных материалов. Вискозиметры могут измерять увеличение гелеобразования, вызванное отходными материалами. Каждый из физических эффектов, вызванных добавлением отходных материалов, может быть измерен при нескольких концентрациях и затем классифицирован, например, нанесен на график или представлен (ʺmappedʺ). Как только компонент представлен, эффект добавления отходных материалов в цементную композицию можно предсказать, ссылаясь на категоризацию.

[0043] Одно потенциальное преимущество анализа состава отходных материалов (и/или одного или большего количества дополнительных компонентов) может заключаться в том, что могут быть реализованы определенные свойства отходного материала. Например, используя данные и/или соотношения, концентрации отходного материала и одного или большего количества дополнительных компонентов могут быть выбраны, чтобы обеспечить цементную композицию с желаемыми свойствами, такими как прочность на сжатие. В качестве примера, соотношения водного материала и одного или большего количества дополнительных компонентов могут быть выбраны на основе данных, чтобы обеспечить цементную композицию с разрушающими пределами прочности на сжатие в течение двадцати четырех часов по меньшей мере приблизительно 0,17 МПа (25 фунтов на квадратный дюйм). В некоторых примерах отходный материал может содержать относительно высокое количество определенного минерала, обычно не присутствующего в таком отходном материале, или может быть понятно, что отходный материал содержит неожиданно большое количество материала, который обычно присутствует в отходном материале. Например, может быть понятно, что определенная летучая зола содержит относительно большое количество гипса. Если бы в качестве пуццолана использовалась та же летучая зола без знания относительно большого количества гипса, полученная цементная композиция могла бы иметь плохие технические свойства. Напротив, зная, что летучая зола содержит относительно большое количество гипса, специалист в данной области поймет, что летучая зола может дополнять или заменять гипс в цементной композиции на основе гипса. Анализируя состав компонентов отходных материалов, могут быть реализованы новые способы использования материалов.

[0044] В настоящем документе описан способ разработки цементного состава, который учитывает химический состав отходного материала. Выбранный отходный материал может быть испытан с использованием стандартного лабораторного анализа, такого как, например, рентгеновская флуоресцентная спектроскопия или другой подходящий метод, как описано ранее. Указанные лабораторные испытания могут дать данные о композиционном составе, включая оксиды, присутствующие в каждом отходном материале. После того, как лабораторный анализ был выполнен, данные могут быть классифицированы, включая категоризацию отходных материалов по составу оксида, включая без ограничения содержание кремнезема, содержание извести (например, оксид кальция), содержание оксида алюминия и содержание другого оксида. Классификация может, как правило, включать перечисление в таблице содержания кремнезема, содержания оксида кальция и содержания оксида алюминия для каждого тестируемого вяжущего компонента, включая портландцемент, отходный материал и/или гидратированную известь. Кроме того, может быть классифицирована скорость растворения каждого компонента. Скорость растворения может быть проверена другими лабораторными методами, известными в данной области.

[0045] Разработка цементной композиции может включать в себя любой из нескольких различных этапов. Отходный материал может быть проанализирован с использованием одного или большего количества методов, обсужденных ранее. На основе анализа состава отходного материала можно выбрать другие компоненты, необходимые для создания подходящей цементной композиции. Два или большее количество вяжущих компонентов и их концентрации могут быть выбраны для исходной цементной композиции. В некоторых примерах один из вяжущих компонентов может содержать портландцемент. Может быть рассчитано отношение извести к кремнезему двух или большего количества вяжущих компонентов. Отношение извести к кремнезему может быть определено с использованием любого подходящего метода. Расчет отношения извести к кремнезему может включать определение общего количества кремнезема и общего количества извести в двух или большем количестве вяжущих компонентов, а затем определение отношения извести к кремнезему. Для целей расчета отношения извести к кремнезему известь может рассматриваться как оксид кальция или гидроксид кальция. Например, отношение извести к кремнезему может быть определено путем измерения доступного кремнезема и извести для данного вяжущего компонента с использованием стандартных лабораторных методов, описанных ранее. Если расчетная цементная композиция с отношением извести к кремнезему не соответствует (или не превышает) целевому отношению извести к кремнезему, концентрацию одного или большего количества вяжущих компонентов можно регулировать до тех пор, пока целевое отношение извести к кремнезему не будет достигнуто или превышено. Концентрация извести (в качестве отдельного вяжущего компонента) в цементной композиции может быть отрегулирована в случае, когда извести недостаточно. Чтобы определить, сколько извести нужно добавить, чистое количество кремнезема и извести, вносимое каждым вяжущим компонентом, может быть определено с использованием ранее описанных лабораторных методов. Отношение кремнезема к извести затем может быть определено, и может быть добавлено больше извести, пока не будет достигнуто желаемое отношение. Если кремнезема недостаточно, источник кремнезема можно регулировать до достижения целевого отношения. Если в вяжущих компонентах присутствуют другие оксиды, можно также рассчитать отношение извести к оксиду. Отношение извести к оксиду также можно регулировать таким же образом, как и отношение извести к кремнезему, как описано выше, до тех пор, пока целевое отношение извести к оксиду не будет достигнуто или превышено.

[0046] Одно потенциальное преимущество использования отходных материалов и балансировки отношения извести к кремнезему может заключаться в том, что общее количество портландцемента, необходимое для удовлетворения или превышения технических требований, может быть относительно низким, и потенциально нежелательные эффекты, связанные с отходными материалами, могут быть сведены к минимуму. Как правило, инженер или оператор по цементу может определить требуемые инженерные свойства цементной композиции для конкретной скважины. Отходные материалы, доступные в конкретной области, где должна перекачиваться цементная композиция, могут иметь разные уровни оксидов. Доступные отходные материалы могут быть внесены в каталог, и по каждому из материалов могут быть проведены лабораторные испытания. Лабораторные испытания могут включать, без ограничения, содержание по меньшей мере одного из следующего: кремнезема, глинозема, железа, железа, кальция, кальция, натрия, калия, магния, серы, их оксидов и их комбинаций. Инженер по цементу может начать с цементной композиции, например, с 30% по весу портландцемента, при этом оставшуюся долю по весу составляют различные ранее испытанные отходные материалы. Целевое отношение извести к кремнезему может быть выбрано 20/80. Используя весовые проценты каждого компонента и лабораторные испытания, которые были проведены ранее, можно определить отношение извести к кремнезему в цементной композиции. Если известь или кремнезем закончились, то их можно отрегулировать, добавив больше извести или кремнезема (например, добавив больше источника кремнезема в образующий отходный материал). Когда баланс кремнезема и извести завершен, цементная композиция может быть проверена на механические или инженерные свойства. Несколько цементных композиций могут быть сформированы с различными уровнями портландцемента. Например, цементная композиция может содержать от около 10% до около 30% портландцемента. В некоторых примерах цементная композиция может содержать около 10%, около 15%, около 20%, около 25% или около 30% портландцемента по массе. Специалист в данной области должен иметь возможность выбирать массовый процент портландцемента, проводить анализ оксида, определять целевое отношение извести к кремнезему и корректировать массовый процент каждого компонента для создания суспензии с требуемыми инженерными свойствами.

[0047] Любая из представленных в качестве примера цементных композиций, раскрытых в данном документе, может быть введена в подземный пласт и иметь возможность схватываться. В данном документе подразумевается, что введение цементной композиции в подземную формацию включает введение в любую часть подземной формации, в приствольную зону, окружающую ствол или в обе эти зоны. В вариантах реализации первичного цементирования, например, варианты реализации цементных композиций могут быть введены в кольцевой зазор между трубой, расположенной в стволе скважины, и стенками ствола скважины (и/или трубы большего диаметра в стволе скважины), где ствол скважины проходит через подземный пласт. Цементная композиция может быть приготовлена и иметь возможность схватываться в кольцевом зазоре с образованием кольцевой оболочки из затвердевшего цемента. Цементная композиция может образовывать барьер, который препятствует миграции флюидов в стволе скважины. Цементная композиция может также, например, поддерживать трубу в стволе скважины. При корректирующих применениях цементирования цементные композиции могут быть использованы, например, в операциях сжимающего цементирования или при размещении цементных пробок. Например, цементная композиция может быть введена в ствол скважины для закупоривания отверстия (например, пустоты или трещины) в пласте, в гравийной набивке, в трубе, в цементной оболочке и/или между цементной оболочкой и трубой (например, в кольцевом микрозазоре).

[0048] Соответственно, это раскрытие описывает системы, композиции и способы, относящиеся к процессу разработки суспензии. Без ограничения, системы, композиции и способы могут дополнительно характеризоваться одним или большим количеством из нижеследующих утверждений.

[0049] Утверждение 1. Способ, включающий: анализ побочного продукта промышленного производства и одного или большего количества дополнительных компонентов для получения данных о физических и/или химических свойствах побочного продукта промышленного производства; и определение концентрации побочного продукта и одного или большего количества дополнительных компонентов на основе данных, чтобы обеспечить схватываемую композицию, имеющую в течение двадцати четырех часов разрушающую прочность на сжатие при температуре от 100 °F (38 °С) до 200 °F (93 °С) около 50 фунтов на квадратный дюйм (0,34 МПа) или более.

[0050] Утверждение 2. Способ по утверждению 1, отличающийся тем, что побочный продукт промышленного производства содержит по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из летучей золы, выбуренной породы, пыли цементной печи, пыли кремнезема, биологической золы и их комбинаций.

[0051] Утверждение 3. Способ по утверждению 1 или утверждению 2, отличающийся тем, что анализ побочного продукта промышленного производства включает в себя анализ с помощью одной или большего количества методик, выбранных из группы, состоящей из микроскопии, спектроскопии, рентгеновской дифракции, рентгеновской флуоресценции, анализа размера частиц, анализа потребности в воде, сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопия, площади поверхности, анализа удельного веса, термогравиметрического анализа, морфологического анализа, инфракрасной спектроскопии, спектроскопии в ультрафиолетовой и видимой области спектра, масс-спектроскопии, вторичной ионной масс-спектрометрии, электронно-энергетической масс-спектрометрии, дисперсионной рентгеновской спектроскопии, оже-электронной спектроскопии, анализа индуктивно связанной плазмы, термоионизационной масс-спектроскопии, масс-спектроскопии с тлеющим разрядом, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, тестирования механических свойств, тестирование модуля Юнга, реологических свойств, коэффициента Пуассона, тестирования API и их комбинаций.

[0052] Утверждение 4. Способ по любому предыдущему утверждению, отличающийся тем, что данные содержат количество по меньшей мере компонента, выбранного из группы, состоящей из кремнезема, оксида алюминия, железа, кальция, натрия, калия, магния, серы, их оксидов и их комбинаций.

[0053] Утверждение 5. Способ по любому предшествующему утверждению, отличающийся тем, что данные включают средний размер частиц, распределение частиц по размерам и морфологию.

[0054] Утверждение 6. Способ по любому предшествующему утверждению, отличающийся тем, что данные содержат удельную площадь поверхности.

[0055] Утверждение 7. Способ по любому из предшествующих утверждений, дополнительно включающий определение соотношения удельной поверхности с потребностью в воде промышленного побочного продукта.

[0056] Утверждение 8. Способ по любому предшествующему утверждению, отличающийся тем, что один или большее количество дополнительных компонентов включают источник кремнезема и/или известь.

[0057] Утверждение 9. Способ по любому предшествующему утверждению, дополнительно включающий приготовление цементной композиции, содержащей побочный продукт промышленного производства и один или большее количество дополнительных вяжущих компонентов, введение цементной композиции в подземный пласт и обеспечение возможности цементной композиции схватиться.

[0058] Утверждение 10. Способ по утверждению 9, отличающийся тем, что цементную композицию вводят в подземный пласт с использованием одного или большего количества насосов.

[0059] Утверждение 11. Способ по утверждению 9 или утверждению 10, отличающийся тем, что указанное приготовление цементной композиции включает в себя смешивание компонентов цементной композиции с использованием смесительного оборудования, при этом компоненты включают воду, побочный продукт промышленного производства, а также один или большее количество дополнительных вяжущих компонентов.

[0060] Утверждение 12. Способ по любому предшествующему утверждению, отличающийся тем, что вяжущий компонент дополнительно содержит портландцемент.

[0061] Утверждение 13. Способ по любому предшествующему утверждению, дополнительно включающий в себя приготовление образца цементной композиции, содержащей цементную добавку, тестирование образца цементной композиции для определения одной или большего количества рабочих характеристик, выбранных из группы, состоящей из прочности на сжатие, времени загустевания и потери жидкости, и регулирования концентрации одной или большего количества добавок в образце цементной композиции.

[0062] Утверждение 14. Система для анализа побочного продукта промышленного производства, содержащая: множество побочных продуктов промышленного производства; аналитический прибор, выполненный с возможностью сбора данных о побочных продуктах промышленного производства; при этом компьютерная система, выполнена с возможностью приема данных и создания соотношений для побочных продуктов промышленного производства на основе данных.

[0063] Утверждение 15. Система по утверждению 14, отличающаяся тем, что побочный продукт промышленного производства включает по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из летучей золы, выбуренной породы, пыли цементной печи, пыли кремнезема, биологической золы и их комбинаций, и при этом вяжущий компонент дополнительно содержит дополнительный источник кремнезема, который растворим в щелочи.

[0064] Утверждение 16. Система по утверждению 14 или утверждению 15, отличающаяся тем, что аналитический прибор выполнен с возможностью выполнения одной или большего количества функций, выбранных из группы, состоящей из микроскопии, спектроскопии, рентгеновской дифракции, рентгеновской флуоресценции, анализа размера частиц, анализа потребности в воде, сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, площади поверхности, анализа удельного веса, термогравиметрического анализа, морфологического анализа, инфракрасной спектроскопии, спектроскопии в ультрафиолетовой и видимой области спектра, масс-спектроскопии, вторичной ионной масс-спектрометрии, электронно-энергетической масс-спектрометрии, дисперсионной рентгеновской спектроскопии, оже-электронной спектроскопии, анализа индуктивно связанной плазмы, термоионизационной масс-спектроскопии, масс-спектроскопии с тлеющим разрядом, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, тестирования механических свойств, тестирования модуля Юнга, реологических свойств, коэффициента Пуассона, тестирования API и их комбинаций.

[0065] Утверждение 17. Система по любому одному из утверждений 14-16, отличающаяся тем, что компьютерная система дополнительно содержит алгоритм, выполненный с возможностью: анализа физических и химических данных и вывода прогнозной модели; а также хранения прогнозной модели в базе данных прогнозной модели.

[0066] Утверждение 18. Система по утверждению 17, отличающаяся тем, что прогнозная модель содержит соотношение удельной площади поверхности и потребности в воде для побочного продукта промышленного производства.

[0067] Утверждение 19. Система для создания цементных композиций, содержащая: базу данных прогнозной модели, содержащую данные прогнозной модели, карты реактивности и исходные данные; базу данных материалов, при этом база данных материалов содержит источник кремнезема, который является побочным продуктом промышленного производства; компьютерная система, выполненная с возможностью запроса баз данных и приема ввода от пользователя; и алгоритм, способный создавать рассчитанные цементные композиции.

[0068] Утверждение 20. Система по утверждению 19, отличающийся тем, что алгоритм выполнен с возможностью создания рассчитанных цементных композиций с выбранным побочным продуктом промышленного производства, определенным пользователем, при этом выбранный побочный продукт промышленного производства является источником кремнезема в базе данных материалов.

[0069] Примеры способов использования технологии балансирования кремнезема и извести с отходными материалами будут теперь описаны более подробно со ссылкой на фиг. 1. Проиллюстрирована система 100 для анализа вяжущих компонентов. Система 100 может содержать образец 105 вяжущего компонента, аналитический прибор 110 и компьютерную систему 115. Образец 105 вяжущего компонента может представлять собой любой интересующий вяжущий компонент (например, портландцемент, отходный материал, известь и т.д.). Образец вяжущего компонента может быть помещен или введен в аналитический прибор 110. В некоторых примерах аналитический прибор 110 может быть выполнен с возможностью автоматической подачи образца 105 вяжущего компонента в аналитический прибор 110. Аналитический прибор 110 может быть выполнен с возможностью анализа физических и химических свойств образца 105 вяжущего компонента. Как описано выше, физические и химические свойства могут содержать полученные данные анализа оксида и других испытаний. Данные, сгенерированные аналитическим прибором 110, могут быть отправлены в компьютерную систему 115 для обработки. Компьютерная система 115 может содержать процессор, память, внутреннюю память, средства ввода и вывода, средства сетевого подключения и/или другие компоненты, присущие компьютерным системам. Компьютерная система 115 может принимать данные от аналитического прибора 110 в качестве входных данных и сохранять их в хранилище для последующей обработки. Обработка данных может включать в себя ввод данных в алгоритмы, которые вычисляют результат. Компьютерная система может быть выполнена с возможностью анализа данных оксида из образца и создания соотношений, диаграмм и моделей, связанных с растворимостью, временем растворения, зависимой от времени доступностью оксидов в растворе, прогнозируемой реакционной способностью, потребностью в извести и других данных. Сгенерированные данные и данные, сгенерированные из аналитического прибора 110, могут быть сохранены в базе данных 120. База данных 120 также может содержать данные о стоимости каждого вяжущего компонента. База данных 120 может храниться локально или в сети.

[0070] Обратимся теперь на фиг. 2, на которой проиллюстрирована система 200 для получения цементных композиций. Система 200 может содержать базу данных 120, как описано на фиг. 1, и компьютерную систему 210. В некоторых примерах компьютерная система 210 может быть такой же компьютерной системой 115, проиллюстрированной на фиг. 1. Данные, вводимые пользователем 220, могут определять технические параметры, такие как требуемая прочность на сжатие цементного состава, статическая температура забоя скважины, требуемые реологические свойства суспензии, время сгущения суспензии, доступные цементные материалы, доступные цементные добавки, доступные отходные материалы, свободная жидкость, проницаемость, поровое давление, градиент гидроразрыва, вес бурового раствора, плотность, кислотостойкость, солеустойчивость и другие параметры. Компьютерная система 210 может содержать алгоритм прогнозирования цемента и может быть выполнена с возможностью пользовательских данных 220 и прогнозирующих моделей, соотношений реактивности и данных, хранящихся в базе 120 данных, в алгоритм прогнозирования цемента. Алгоритм прогнозирования цемента может создавать цементную композицию или композиции, которые соответствуют техническим требованиям, определенным пользовательскими данными 220. Выход 230 алгоритма прогнозирования цемента может содержать относительные количества каждого вяжущего компонента в создаваемой цементной композиции, а также прогнозируемые свойства материала цементной композиции. В другом примере пользователь может выбрать низкую концентрацию портландцемента и один или большее количество отходных материалов в качестве некоторых технических параметров. Значение низких концентраций портландцемента обсуждалось ранее. Пользователь также может выбрать целевое отношение извести к кремнезему, целевое отношение извести к оксиду или оба в качестве части технических параметров. В некоторых примерах алгоритм прогнозирования цемента может автоматически выбирать целевое отношение извести к кремнезему и целевое отношение извести к оксиду или быть выполненным с возможностью выбора оптимального отношения на основе ввода пользовательских данных. Алгоритм прогнозирования цемента может создавать цементную композицию, включающую выбранную концентрацию портландцемента и выбранные отходные материалы. В некоторых примерах алгоритм прогнозирования цемента может автоматически выбирать отходные материалы. Чтобы выбрать подходящее отношение извести к кремнезему, алгоритм может ссылаться на данные анализа оксида и растворимости, упомянутые ранее. Алгоритм прогнозирования цемента может быть выполнен с возможностью создания концентраций вяжущих компонентов на основе целевого отношения извести к кремнезему. Алгоритм прогнозирования цемента может быть выполнен с возможностью удовлетворения или превышения целевого отношения извести к кремнезему путем регулирования концентрации одного или большего количества вяжущих компонентов, включая известь. Например, алгоритм прогнозирования цемента может выбрать включение концентрации отходного материала с относительно высоким содержанием извести, а также выбор отходного материала с относительно высоким содержанием кремнезема. Алгоритм прогнозирования цемента может использовать целевое отношение извести к кремнезему, чтобы сбалансировать каждый из отходных материалов, содержащих известь и кремнезем, для достижения или превышения целевого отношения извести к кремнезему.

[0071] Хотя алгоритм прогнозирования цемента может создавать цементную композицию исключительно на основе отношения извести к кремнезему или отношения извести к оксиду из пользовательского ввода или автоматически выбранного значения, алгоритм также может создавать цемент на основе комбинации других факторов. Одним из факторов может быть наличие оксидов и извести в зависимости от времени и температуры. Как описано ранее, концентрация кремниевой кислоты и портландита могут варьироваться по времени и температуре в зависимости от растворимости вяжущего компонента. Как описано ранее, доступные вяжущие компоненты могут иметь различные степени растворимости, которые также могут зависеть от температуры раствора. Вяжущий компонент может растворяться относительно медленно при температуре окружающей среды, но может растворяться относительно быстрее при статической температуре в забое скважины. По существу, наличие оксидов и извести из каждого компонента может зависеть не только от времени, но также и от положения цементной композиции в стволе скважины. Алгоритм прогнозирования цемента может создавать цементную композицию, которая поддерживает выбранный баланс извести и кремнезема в течение пуццолановых и других реакций схватывания цемента путем учета доступности реагентов во времени. Как упоминалось ранее, различные оксиды, присутствующие в отходных материалах и других компонентах цемента, могут подвергаться различным реакциям с образованием вяжущего продукта. Каждая реакция может иметь связанную с ней стехиометрию. Алгоритм прогнозирования цемента может создавать цементную композицию, при этом стехиометрия реакций, которые могут иметь место, является сбалансированной. В некоторых примерах реакции могут быть сбалансированы с точностью до плюс или минус около 25% от стехиометрического соотношения. Алгоритм прогнозирования цемента может также использовать данные о затратах из базы данных 120 для создания цементной композиции, которая имеет желаемое отношение извести к кремнезему при также снижении стоимости композиции. В некоторых примерах алгоритм прогнозирования цемента может создавать цементную композицию с минимизированной стоимостью.

[0072] Ссылка теперь делается на фиг. 3, иллюстрирующую использование цементной композиции 300. Цементная композиция 300 может содержать любой из компонентов, описанных в данном документе. Цементная композиция 300 может быть разработана, например, с использованием балансировки извести-кремнезема, как описано в данном документе. Обращаясь теперь к фиг. 3, цементная композиция 300 может быть помещена в подземный пласт 305 в соответствии с примерами систем, способов и цементных композиций. Как проиллюстрировано, ствол 310 скважины может быть пробурен в подземном пласте 305. Хотя ствол 310 скважины показан как направленный в основном вертикально в подземный пласт 305, принципы, описанные в настоящем документе, применимы также к стволам скважин, направленным через подземный пласт 305 под углом, таким как горизонтальные и наклонные стволы скважин. Как проиллюстрировано, ствол 310 скважины содержит стенки 315. Как проиллюстрировано, кондукторная колонна 320 была вставлена в ствол 310 скважины. Кондукторная колонна 320 может быть зацементирована со стенками 315 ствола 310 скважины посредством цементной оболочки 325. Как проиллюстрировано, в стволе 310 скважины также может быть расположены одна или большее количество дополнительных труб (например, промежуточная колонна, эксплуатационная колонна, хвостовик и т.д.), показанные в настоящем документе как обсадная колонна 330. Как проиллюстрировано, кольцевой зазор 335 ствола скважины образован между обсадной колонной 330 и стенками 315 ствола 310 скважины и/или кондукторной колонной 320. Один или большее количество центраторов 340 может быть присоединено к обсадной колонне 330, например, для центрирования колонны 330 в стволе 310 скважины до и во время операции цементирования.

[0073] Продолжая ссылаться на фиг. 3, цементная композиция 300 может закачиваться внутрь обсадной колонны 330. Цементной композиции 300 можно дать возможность стекать вниз внутри обсадной колонны 330 через башмак обсадной колонны 345 на дне обсадной колонны 330, а также подниматься вверх вокруг обсадной колонны 330 в кольцевое пространство 335 ствола скважины. Цементная композиция 300 может быть оставлена для схватывания в кольцевом зазоре 335 ствола скважины, например, с образованием цементной оболочки, которая поддерживает и удерживает на месте колонну 330 в стволе 310 скважины. Хотя это не проиллюстрировано, для введения цементной композиции 300 могут быть использованы также другие технологии. Например, можно использовать способ обратной циркуляции, который включает введение цементной композиции 300 в подземную формацию 305 не через обсадную колонну 330, а через кольцевое пространство ствола скважины 310. После введения цементная композиция 300 может вытеснять другие флюиды 350, такие как буровые растворы и/или вытесняющие жидкости, которые могут присутствовать во внутренней части обсадной колонны 330 и/или в кольцевом пространстве ствола скважины 355. Хотя это не показано, по меньшей мере, часть вытесненных флюидов 350 может выходить из кольцевого пространства 335 ствола скважины через линию потока и осаждаться, например, в одной или большем количестве удерживающих ям. Нижняя пробка 355 может быть введена в ствол 310 скважины перед цементной композицией 300, например, для отделения цементной композиции 300 от флюидов 350, которые могут находиться внутри обсадной колонны 330 до цементирования. После того как нижняя пробка 355 достигнет муфты 370 для подвешивания колонны, должна разорваться мембрана или другое подходящее устройство, чтобы цементная композиция 300 прошла через нижнюю пробку 355. Нижняя пробка 355 показана на муфте 370 для подвешивания колонны. На иллюстрации верхняя пробка 360 может быть введена в ствол 310 скважины за цементной композицией 300. Верхняя пробка 360 может отделять цементную композицию 300 от вытесняющей жидкости 365, а также проталкивать цементную композицию 300 через нижнюю пробку 355.

[0074] Раскрытые цементные композиции и связанные с ними способы могут прямо или косвенно влиять на любые насосные системы, которые, в качестве примера, содержат любые патрубки, трубопроводы, тележки, трубчатые элементы и/или трубы, которые могут быть соединены с насосом и/или любыми насосными системами и могут использоваться для гидравлического транспортирования цементных композиций в скважине, любые насосы, компрессоры или двигатели (например, верхние или нижние), используемые для приведения цементных композиций в движение, любые клапаны или соответствующие соединения, используемые для регулирования давления или расхода цементных композиций, и любые датчики (то есть давления, температуры, скорости потока и т.д.), датчики и/или их комбинации и тому подобное. Цементные композиции также могут прямо или косвенно влиять на любые смесительные бункеры и удерживающие ямы и их различные варианты.

[0075] Следует понимать, что композиции и способы описаны в настоящем документе в контексте «содержания», «вмещения» или «включения» различных компонентов или стадий, и композиции и способы могут также «состоять по существу из» или «состоять из» различных компонентов и стадий. Более того, применяемая в формуле изобретения форма единственного числа предполагает наличие одного или более выражаемых в ней элементов.

[0076] Для краткости, в данном документе раскрыты полностью только определенные диапазоны. Тем не менее, диапазоны от любого нижнего предела могут быть скомбинированы с любым верхним пределом, чтобы описать диапазон, не описанный полностью, так же как диапазоны от любого нижнего предела могут быть скомбинированы с любым другим нижним пределом, чтобы описать диапазон, не описанный полностью, таким же образом, диапазоны от любого верхнего предела могут быть скомбинированы с любым другим верхним пределом, чтобы описать диапазон, не описанный полностью. Кроме того, во всех случаях, когда описан числовой диапазон с нижним пределом и верхним пределом, конкретно описано любое число и любой включенный диапазон, попадающие в указанный диапазон. В частности, каждый диапазон значений (в виде «от около a до около b» или, эквивалентно, «от около a до b» или, эквивалентно, «от около a-b»), описанный в настоящем документе, следует понимать как описывающий каждое число и диапазон, входящие в более широкий диапазон значений, даже если они не описаны полностью. Таким образом, каждая точка или отдельное значение могут выступать в качестве своего собственного нижнего или верхнего предела, скомбинированные с любой другой точкой или отдельным значением или с любым другим нижним или верхним пределом, чтобы описать диапазон, не описанный полностью.

[0077] Таким образом, настоящее изобретение идеально подходит для достижения целей и реализации преимуществ, указанных выше, а также присущих ему. Конкретные примеры, описанные выше, являются только иллюстративными, так как данное изобретение может быть модифицировано и реализовано различными, но эквивалентными способами, очевидными специалисту в данной области техники благодаря идеям, изложенным в данном документе. Хотя обсуждаются отдельные примеры, изобретение охватывает все комбинации всех этих примеров. Кроме того, не предусматривается никаких ограничений для элементов конструкции или конструкции, показанных в данном документе, кроме как описано ниже в формуле изобретения. Кроме того, термины в формуле изобретения имеют свое простое, обычное значение, если иное явно и четко не определено патентообладателем. Таким образом, следует понимать, что частные иллюстративные примеры, описанные выше, могут быть изменены или модифицированы, при этом все такие изменения находятся в пределах объема и сущности указанных вариантов реализации изобретения. При наличии противоречий в использовании слова или термина в настоящем описании и одном или более патенте(-ах) или других документах, которые могут быть включены в настоящее описание посредством ссылки, следует принимать определения, соответствующие настоящему описанию.

Реферат

Группа изобретений относится к утилизации отходов производства для использования в цементной композиции путем анализа компонентного состава. Способ разработки цементной композиции включает анализ побочного продукта промышленного производства и одного или большего количества дополнительных компонентов для создания данных о физических и/или химических свойствах побочного продукта промышленного производства. Определяют концентрацию указанного побочного продукта и одного или большего количества дополнительных компонентов на основе данных, чтобы обеспечить схватываемую композицию, имеющую в течение двадцати четырех часов разрушающую прочность на сжатие при температуре от 100 °F (38 °С) до 200 °F (93 °С) около 50 фунтов на квадратный дюйм (0,34 МПа) или более. Определяют соотношение удельной поверхности с потребностью в воде побочного продукта промышленного производства. Система для анализа побочного продукта промышленного производства содержит множество побочных продуктов промышленного производства, аналитический прибор, выполненный с возможностью сбора данных о побочных продуктах промышленного производства, и компьютерную систему. При этом компьютерная система выполнена с возможностью приема указанных данных и создания соотношений для побочных продуктов промышленного производства на основе указанных данных. Система для создания цементных композиций, содержит базу данных прогнозной модели, содержащую данные прогнозной модели, карты реактивности и исходные данные, базу данных материалов, компьютерную систему и алгоритм, способный создавать рассчитанные цементные композиции. При этом база данных материалов содержит источник кремнезема, который является побочным продуктом промышленного производства. Компьютерная система выполнена с возможностью запроса баз данных и приема ввода от пользователя. Техническим результатом является повышение эффективности совмещения отходных материалов с цементной композицией. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула