CN103391983A - 地层中使用包含水合硅酸钙晶种的水泥组合物的水泥灌注方法 - Google Patents

地层中使用包含水合硅酸钙晶种的水泥组合物的水泥灌注方法 Download PDF

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Abstract

根据一个实施方式，在地层中灌注水泥的方法包含：在地层中引入水泥组合物，其中所述水泥组合物包含：水泥、水和水合硅酸钙(C-S-H)晶种，其中主要由所述水泥、所述水和所述C-S-H晶种按照与所述水泥组合物相同比例组成的测试水泥组合物，当在24小时、60℉(15.6℃)温度和3,000psi(20.7MPa)压力下测试时形成至少1,200psi(8.3MPa)的抗压强度；并且凝结所述水泥组合物。根据另一个实施方式，所述C-S-H晶种是中观颗粒、纳米颗粒或其组合，并且其中所述C-S-H晶种的浓度范围是水泥重量的约1%-约5%。

Description

地层中使用包含水合硅酸钙晶种的水泥组合物的水泥灌注方法
技术领域
提供了地层中灌注水泥（cementing）的方法。用于地层的水泥组合物包含水合硅酸钙(C-S-H)晶种的中观颗粒、纳米颗粒或其组合。在一个实施方式中，所述水泥组合物还包含胶乳添加剂。在另一个实施方式中，通过井透过地层。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供了一种地层中灌注水泥的方法，所述方法包含以下步骤：在地层中引入水泥组合物，其中所述水泥组合物包含：水泥、水和水合硅酸钙(C-S-H)晶种，其中主要由所述水泥、所述水和所述C-S-H晶种按照与所述水泥组合物相同的比例组成的测试水泥组合物，当在24小时、60℉(15.6℃)温度和3,000psi(20.7MPa)压力下测试时形成至少1,200psi(8.3MPa)的抗压强度；并且凝结（set）所述水泥组合物。
优选地，所述水泥包含至少一种选自下组的水硬性水泥：波特兰(Portland)水泥、火山灰水泥、石膏水泥、高氧化铝水泥、矿渣水泥、氧化硅水泥，及其组合。
优选地，所述水选自：淡水、稍带咸味的水、盐水，及其任意组合。
优选地，所述C-S-H晶种具有粒度分布，从而至少90%的C-S-H晶种的粒度在1微米-0.1微米的范围内。
优选地，所述C-S-H晶种的浓度范围是水泥重量的约0.05%-约7%。优选地，所述水泥组合物还包含胶乳添加剂。所述胶乳添加剂可以是包含作为分散相的固体橡胶颗粒和作为连续相的液体的浆液。所述橡胶颗粒可选自下组：顺-l,4-聚异戊二烯橡胶;苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、高苯乙烯树脂;丁基橡胶;乙烯-丙烯橡胶(EPM和EPDM);氯丁橡胶;腈橡胶;硅橡胶;氯磺化聚乙烯橡胶;交联化聚乙烯橡胶;表氯醇橡胶;氟碳橡胶;氟硅氧烷橡胶;聚氨酯橡胶;聚丙烯酸橡胶;多硫化物橡胶;AMPS-苯乙烯-丁二烯橡胶;任意前述橡胶的改良种类;及其组合。
优选地，所述水泥组合物的增厚时间范围是在60℉(15.6℃)温度和5,000psi(34.5MPa)压力下约4-约15小时。
优选地，所述水泥组合物的起始凝结时间是60℉(15.6℃)温度和3,000psi(20.7MPa)压力下小于24小时。
优选地，所述水泥组合物的凝结时间是60℉(15.6℃)温度下小于48小时。
优选地，当在24小时、60℉(15.6℉)温度和3,000psi(20.7MPa)压力下测试时，所述水泥组合物的抗压强度范围是约1,000-约5,000psi(约6.9-约34.5MPa)。
优选地，所述水泥组合物在155℉(68.3℃)温度和4,500psi(31MPa)压力下使用SGSA静态凝胶强度方法的转变时间小于1小时。
优选地，所述水泥组合物在60℉(15.6℃)温度和5,000psi(34.5MPa)压力下使用Mini MACS静态凝胶强度方法的转变时间小于50分钟。
优选地，所述水泥组合物还包含至少一种添加剂。所述至少一种添加剂可以选自：填料、流体损失添加剂、缓凝剂、减摩剂、强度衰退添加剂、轻量（light-weight）添加剂、消泡剂、高密度添加剂、机械性能增强添加剂、堵漏材料、过滤控制添加剂、触变性添加剂，及其组合。
优选地，所述地层的井底温度范围是约60℉-约120℉(约15.6℃-约48.9℃)。
优选地，所述方法还包含在引入步骤之前确定最大填充体积分数（PackingVolume Fraction）的步骤。
根据本发明的第二个方面，提供了一种地层中灌注水泥的方法，所述方法包含以下步骤：在地层中引入水泥组合物，其中所述水泥组合物包含：水泥、水和水合硅酸钙(C-S-H)晶种，其中所述C-S-H晶种的浓度至少足够使所述水泥组合物在24小时、60℉(15.6℃)温度和3,000psi(20.7MPa)压力下测试时形成至少1,200psi(8.3MPa)的抗压强度，而没有C-S-H晶种的基本相同的水泥组合物在24小时、60℉(15.6℃)温度、和3,000psi(20.7MPa)压力下测试时形成小于1,200psi(8.3MPa)的抗压强度；并且凝结所述水泥组合物。
根据本发明的第三个方面，提供了一种地层中灌注水泥的方法，所述方法包含以下步骤：在地层中引入水泥组合物，其中所述水泥组合物包含：水泥、水和水合硅酸钙(C-S-H)晶种，其中所述C-S-H晶种是中观颗粒、纳米颗粒，或其组合，并且其中所述C-S-H晶种的浓度范围是水泥重量的约1%-约5%；并且凝结所述水泥组合物。
附图简要说明
与所附图片一起考虑更容易理解某些实施方式的特性和优点。图片不能解释为限定任意优选的实施方式。
图1是稠度(Bc)[Bc=稠度的伯登（Bearden）单位]与时间(时:分:秒)的图，显示了有15.8磅/加仑(ppg)(1.9千克/升(kg/l))密度的四种不同水泥组合物在60℉ (15.6℃)温度和5,000psi(34.5MPa)压力下的增厚时间。所述水泥组合物包含：G类水泥；去离子(DI)水；0.05加仑/袋水泥(gal/sk)(4.44x10-3升/kg)D-AIR3000LTM消泡剂；和不同的C-S-H晶种浓度。所述C-S-H晶种是获自BASF公司的X-SEED
Figure BDA00003692404200031
100。
具体实施方式
本文使用的词汇“包含”、“有”、“包括”及其所有语法变体各自旨在有不排除其他元素或步骤的开放的、非限定性的含义。
本文使用的词汇″主要由……组成″及其所有语法变体旨在将权利要求的范围限制到特定的材料或步骤，以及不会对所要求保护的本发明的基本和新颖特征造成显著影响的那些。例如，测试水泥组合物可主要由水泥、水和C-S-H晶种组成。所述测试水泥组合物可包含其他成分，只要存在其他成分对要求保护的本发明的基本的和新颖的特性不造成实质性影响。
当所述物质在71℉(22℃)温度和一个大气压″atm″(0.1兆帕″MPa″)下测试时，本文使用的“流体（fluid）”是有倾向于流动和适应其容器轮廓的连续相物质。流体可以是液体或气体。均相流体仅有一个相，而非均相流体有多于一个的不同的相。胶体是非均相流体的示例。胶体可以是：浆液，其包含连续液相和未溶解固体颗粒作为分散相；乳液，包含连续液相和至少一个不混溶液滴的分散相；或者泡沫，其包含连续液相和气体作为分散相。
本文使用的“水泥组合物”至少是水泥和水的混合物。水泥组合物可包含添加剂。本文使用的术语“水泥”指起始干燥的物质，在水存在时作为粘结剂把其他材料结合在一起。水泥的示例是波特兰水泥。水泥组合物通常是浆液，其中水是浆液的连续相而水泥(及其他不溶颗粒)是分散相。水泥组合物的连续相可包含溶解的固体。
在一些地层中天然存在油和气体烃类。包含油或气体的地层有时指矿藏（reservoir）。矿藏可以位于地下或近海。矿藏通常位于数百英尺(浅层矿藏)-至数万英尺(超深矿藏)的范围内。为了生产油或者气，钻井孔钻到矿藏内或矿藏附近。
井可包括但不限于油井、气井、水井或注入井。本文使用的“井”包含至少一个钻井孔。钻井孔可包含竖直、倾斜和水平部分，并且其可以是直线的、曲线的或分支的。本文使用的术语“钻井孔”包含钻井孔的任意加套和任意无套、开放口（open-hole）部分。近钻井孔区域是地层材料和钻井孔周围地层的岩石。本文使用的“井”也包含近钻井孔区域。所述近钻井孔区域通常认为是钻井孔约100英尺(约30米)内的区域。本文使用的“进入井”意在包括进入所述井的任意部分，包括进入所述钻井孔或通过钻井孔进入近钻井孔区域。
钻井孔部分可以是开放口或加套口。在开放口钻井孔部分，油管柱（tubing string）可以置入所述钻井孔中。所述油管柱（tubing string）使得流体进入或者流出钻井孔的远端部分。在加套口钻井孔部分，外套置于也能包含油管柱的钻井孔中。钻井孔能包含环状部分。环状部分的示例包括但不限于:所述钻井孔和开放口钻井孔的油管柱外部之间的空间；所述钻井孔和加套口钻井孔的外套外部之间的空间；和所述外套内部和加套口钻井孔的油管柱外部之间的空间。
完成井的过程中，把水泥组合物引入到钻井孔的环状部分中是常见的。例如，在加套口钻井孔中，水泥组合物置入所述钻井孔和所述外套之间的环状部分中并且凝结，从而使钻井孔中的外套稳定并且牢固。通过水泥灌注钻井孔中的外套，防止流体流入环状部分。因此，通过使油或气通过所述外套并且进入井口（wellhead）的流动，以受控制的方式产生油或气。水泥组合物也能用于初级或次级水泥灌注操作、井堵塞、挤水泥或砾石充填操作。
水泥通常包含四种主要类型的矿物。水泥也可包含除了四种主要类型以外的其他矿物。水泥中的矿物通常称作水泥的相。四种主要的水泥相称为A-水泥石（alite）、贝利特（belite）、铝酸盐和铁酸盐。
″A-水泥石″是硅酸三钙的名字，而″贝利特″是硅酸二钙的名字。水泥化学家经常把A-水泥石缩写成C3S，把贝利特缩写成C2S。与纯的硅酸三钙和硅酸二钙相比，A-水泥石和贝利特有不同的组成，因为除了氧化钙(CaO)和二氧化硅(SiO2)以外，它们各自含有少量其他氧化物。
″铝酸盐″是铝酸三钙的名字，水泥化学家缩写成C3A。与纯的铝酸三钙相比，铝酸盐有不同的组成，因为除了CaO和氧化铝(Al2O3)以外，其含有少量其他氧化物。″铁酸盐″是铁铝酸四钙的名字，水泥化学家缩写成C4AF。与纯的铁铝酸四钙相比，铁酸盐有不同的组成，因为除了CaO、Al2O3和氧化铁(Fe2O3)以外，其含有少量其他氧化物。
当水泥与水混合时，水泥的各种相能进行水合反应，并且形成水合产物。所述硅酸盐相(A-水泥石和贝利特)至少形成水合硅酸钙和氢氧化钙的水合产物(水泥化学家缩写为CH)。水合硅酸钙经常缩写成C-S-H。短划线表示CaO与SiO2没有严格的推导比率。所述铝酸盐和铁酸盐相能根据水泥中存在的石膏的量形成多种水合产物，包含水石榴石、钙铝钒和单硫酸铝酸盐（monosulfoaluminate）。
水泥和水混合后不久，铝酸盐与水快速反应以形成富铝酸盐凝胶。这个反应高度放热，但是通常在混合后仅持续数分钟。水合反应中的这个阶段后，正常情况下进行数小时相对低的放热，有时称为休眠阶段。所述休眠阶段是能将水泥组合物置于要灌注水泥的位置的时间。最终，所述水泥组合物变得太粘稠而不能置于所需位置。在所述休眠阶段结束时，所述A-水泥石和贝利特开始与水反应，从而形成其水合产物。与固相相比，所述水合产物在所述水泥组合物中占有更大体积。因此，所述水泥组合物从粘稠浆液转化成刚性固体材料。C-S-H可占有所述水泥组合物基质体积的多至70%，并且主要赋予水泥组合物以机械属性，例如抗压强度。所述水泥的各相通常与以不同速率反应以形成其水合产物。一些能影响所述水泥的各相和水的反应速率的因素包含：所述反应物的类型；所述反应物的物理状态；所述反应物彼此的浓度；和温度。仅根据所述反应物的类型，四种主要的水泥相的反应速率有下列顺序：铝酸盐(C3A)>A-水泥石(C3S)>贝利特(C2S)和铁酸盐(C4AF)。例如，A-水泥石水合并快速变硬，并且这是水泥组合物的起始凝结和早期抗压强度的原因。相反，贝利特水合和变硬更加缓慢，并且在更晚时间(正常是混合后超过7天)对形成水泥组合物的抗压强度起作用。
所述反应物的物理状态也能影响反应速率。当所述反应物在不同相如固相、液相或气相时，那么所述反应速率限定在所述反应物的中间界面。例如，A-水泥石是固体，并且当与液体水混合时，所述A-水泥石的表面积在A-水泥石和水的反应速率中起作用。通过增加液相中固体如A-水泥石的表面积，能增加所述反应速率。
所述反应物的浓度和温度也能影响反应速率。通常，当反应物之一浓度增加时，所述反应速率也增加。另外，当温度增加时，所述反应速率通常增加。然而，所述反应速率的增幅通常有一个最大值，从而在某个时候，尽管反应物浓度或温度继续增加，反应速率也不再增加。
固体颗粒可在广义上描述为落入下列尺寸范围：较大颗粒（bulk particle）；中观颗粒；和纳米颗粒。本文使用的″较大颗粒″是粒度大于1微米(1μm或1微米)的颗粒。本文使用的″中观颗粒″是粒度在1微米-0.1微米范围内的颗粒。本文使用的″纳米颗粒″是粒度小于0.1微米的颗粒。本文使用的术语″粒度″指体积表面平均直径(″Ds″)，它与颗粒的比表面积有关。所述体积表面平均直径可以用下式定义：Ds=6/(ΦsAwρp),其中Φs=球形度;Aw=比表面积;和ρp=颗粒密度。由于纳米颗粒大小较小，生产纳米颗粒相当昂贵。相反，生产中观颗粒成本较低。为了降低与水泥灌注操作有关的成本，优选添加剂是中观颗粒，而不是纳米颗粒。
颗粒尺寸能影响颗粒的物理属性。例如，当颗粒体系的尺寸降低至低于较大颗粒的尺寸时，所述颗粒的物理属性能发生更多的变化。这称作量子尺寸效应所述量子尺寸效应指随着粒度降低更多，固体的物理属性发生变化。所述量子尺寸效应在纳米颗粒中显著；然而所述量子尺寸效应也能在中观颗粒中观察到。对较大颗粒通常观察不到所述量子尺寸效应。物理属性变化的一个示例是颗粒的表面积-体积比增加。这种表面积-体积比的增加使颗粒产生更高的表面能。这种更高的表面能意味着颗粒和反应物之间的更多接触，造成颗粒和反应物之间更高的反应速率。对水泥组合物而言，更高的表面能能使水泥相以更快的速率反应，因而增强所述水泥组合物的一些物理属性，例如增厚时间或抗压强度。
水泥灌注操作中，对水泥组合物而言，需要在引入到地层的过程中保持可泵送状态，直到所述水泥组合物定位于地层中要灌注水泥的部分。在所述水泥组合物到达地层中要灌注水泥的部分后，最终凝结所述水泥组合物。泵送中增厚太快的水泥组合物会损伤泵送设备或者阻塞油管（tubing）或管道。凝结太慢的水泥组合物会在等待组合物凝结的过程中耗费时间和金钱。
如果任意测试(如增厚时间或抗压强度)需要混合步骤，那么所述水泥组合物根据下面的方法“混合”。向混合容器中加入水，并且所述容器然后置于混合器基座上。然后启动所述基座的马达，并且维持4,000转/分钟(rpm)。在不多于15秒内以单一速率向所述容器加入所述水泥和任意其他成分。把所有水泥和任意其他成分加入到容器中的水中之后，然后在容器上盖上盖子，并且所述水泥组合物在12,000rpm(+/-500rpm)混合35s(+/-1s)。应理解所述水泥组合物在环境温度和压力(约71℉(约22℃)和约1atm(约0.1MPa))下混合。
也应理解如果任意测试(如增厚时间或抗压强度)需要所述测试在特定温度和可能的特定压力下进行时，那么在环境温度和压力下混合后，所述水泥组合物的温度和压力逐步升高到特定的温度和压力。例如，所述水泥组合物可在71℉(22℃)和1atm(0.1MPa)下混合，然后置于测试设备中，并且所述水泥组合物的温度逐步升高到特定温度。本文使用的温度逐步升高的速率范围是约3℉/min–约5℉ /min(约1.67℃/min–约2.78℃/min)。所述水泥组合物逐步升高到特定温度和可能的特定压力下之后，所述水泥组合物在测试过程中维持在所述温度和压力下。
本文使用的“增厚时间”是水泥组合物在特定的温度和压力下多久变得不可泵送。水泥组合物的泵送性与组合物的稠度有关。所述水泥组合物的稠度以伯登稠度单位(Bc)度量，所述单位是无量纲单位，没有向更常见的粘度单位的直接转换因子。如本文所用，当所述组合物的稠度达到70Bc时，水泥组合物变成“不可泵送”。本文使用如下方法测量所述水泥组合物的稠度。混合所述水泥组合物。然后所述水泥组合物置于高温、高压(HTHP)稠度计（如FANN
Figure BDA00003692404200076
型号275或Chandler型号8240）的测试池中。持续进行稠度测量，直到所述水泥组合物超过70Bc。
水泥组合物能形成抗压强度。水泥组合物的抗压强度可以在0psi–超过10,000psi(0-超过69MPa)变化。抗压强度通常在所述组合物混合后的特定时间以及特定温度和压力下测量。例如抗压强度在24小时测量。所述非破坏性抗压强度方法通过整个测试期持续测量水泥组合物的有关抗压强度，所述测量使用非破坏性超声设备，例如美国德克萨斯州休斯顿的FANN
Figure BDA00003692404200075
仪器公司(FANN
Figure BDA00003692404200077
Instruments)的超声水泥分析仪（Ultrasonic Cement Analyzer）(UCA)。如本文所用，使用非破坏性方法在特定时间、温度和压力如下测量水泥组合物的″抗压强度″。混合所述水泥组合物。然后把所述水泥组合物置于超声水泥分析仪中，并且在特定温度和压力下测试。所述UCA持续测量声学信号通过样品的通过时间（transit time）。所述UCA设备包含使通过时间与抗压强度关联的预定算法。所述UCA以压力单位如psi或MPa报导所述水泥组合物的抗压强度。
所述水泥组合物的抗压强度能用于指示所述水泥组合物是否发生起始凝结（set）或凝结。如本文所用，当所述水泥组合物在特定温度和压力下形成50psi(0.3MPa)抗压强度时，认为所述水泥组合物发生“起始凝结”。如本文所用，所述“起始凝结时间”是当所述水泥和任意其他成分加入到水中时和当所述组合物起始凝结时两者之间的时间差。
如本文所用，术语“凝结（set）”和其所有语法变体旨在指通过固化变硬质或坚硬的过程。如本文所用，所述“凝结时间”是当所述水泥和任意其他成分加入到水中时和当所述组合物在特定温度下凝结时两者之间的时间差。水泥组合物的凝结可能需要多至48小时或更长时间。一些水泥组合物能在数日的时间内持续形成抗压强度。所述水泥组合物的抗压强度能达到10,000psi(69MPa)以上。
为了帮助增强水泥组合物的一些物理或机械属性，C-S-H晶种能加入到水泥组合物中。本文使用的″C-S-H晶种″指C-S-H的固体颗粒，并且不包含所述水泥组合物中水泥的任何相和水发生水合反应形成的C-S-H。通过加入C-S-H晶种到水泥组合物中，所述C-S-H晶种对水泥的各相提供了额外的核，因而增加了所述相的水合反应速率。通过增加所述水合速率，能增强所述水泥组合物的一些属性。例如，能降低所述包含C-S-H晶种的水泥组合物的起始凝结时间和凝结时间。
水泥灌注操作的目的之一可以是隔离一部分钻井孔，防止流体通过所述水泥组合物流向钻井孔其他区域。流体通过水泥组合物流动的示例称为气体迁移。在水泥组合物到达足够高的静态凝胶强度以抵抗气体通过所述水泥组合物流动前的某个时间，流体静压的损失造成气体迁移。
静态凝胶强度是水泥组合物基质中形成的刚性，所述刚性促使所述水泥组合物抵抗置于其上的作用力。静态凝胶强度小于100lb/100ft2(4.88kg/m2)的水泥组合物有相对流动性，并且能流动和转移流体静压。所述水泥组合物的静态凝胶强度能使用各种测试设备测量。所述水泥组合物的静态凝胶强度通常以重量/单位面积为单位表示，所述单位例如磅/平方英尺(lb/ft2)。
本文使用如下方法测量所述水泥组合物的″SGSA静态凝胶强度″。混合所述水泥组合物。所述水泥组合物然后置于静态凝胶强度分析仪(SGSA)例如Chandler SGSA中，并且在特定温度和压力下测试。所述SGSA持续测量声学信号通过样品的通过时间。所述SGSA设备包含使通过时间与静态凝胶强度关联的预定算法。
本文使用如下方法测量所述水泥组合物的″Mini MACS静态凝胶强度″(微型（Mini）多重分析水泥系统)。混合所述水泥组合物。所述水泥组合物然后置于MiniMACS分析仪中。所述水泥组合物加热到特定温度，和加压到特定压力下，并且在150转/分钟(rpm)搅拌，直到达到预期的放置时间。所述Mini MACS分析仪的短桨在0.2°/min速度旋转，并且测量所述短桨上的剪切阻力。所述短桨上的剪切阻力然后与所述水泥组合物静态凝胶强度相关联。
本文使用的″零凝胶时间″是当水泥组合物混合时和当所述水泥组合物达到静态凝胶强度100lb/100ft2时之间的时间差。当达到100lb/100ft2(4.88kg/m2)时，水泥组合物能持续形成静态凝胶强度。当所述水泥组合物形成至少500lb/100ft2(24.4kg/m2)的静态凝胶强度时，所述水泥组合物通常不再丧失流体静压，因此气体迁移能大为减少或能完全停止。本文使用的″转变时间(transition time)″是水泥组合物的静态凝胶强度从100lb/100ft2(4.88kg/m2)增加到500lb/100ft2(24.4kg/m2)所用的时间。转变时间需要尽可能短。
水泥组合物中可包含添加剂以帮助消除或控制气体迁移。这类添加剂的一个例子是胶乳。所述胶乳是由作为分散相的橡胶固体颗粒和作为连续相的液体组成的浆液。通常，水是浆液的连续相。合适的橡胶颗粒的示例包括大部分改良类型的天然橡胶(顺-l,4-聚异戊二烯)，和各种类型的合成聚合物，包括苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)，顺-l,4-聚丁二烯橡胶及其与天然橡胶或苯乙烯-丁二烯橡胶的混合物、高苯乙烯树脂、丁基橡胶、乙烯-丙烯橡胶(EPM和EPDM)、氯丁橡胶、腈橡胶、顺-l,4-聚异戊二烯橡胶、硅橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶、交联化聚乙烯橡胶、表氯醇橡胶、氟碳橡胶、氟硅氧烷橡胶、聚氨酯橡胶、聚丙烯酸橡胶、聚硫橡胶、AMPS-苯乙烯-丁二烯橡胶及其组合。″AMPS″指2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸或其盐。合适的胶乳添加剂的示例能在1994年3月15日授予David D.Onan、Garland W.Davis、Roger S.Cromwell和Wendell D.Riley的美国专利号5,293,938；1997年11月18日授予Jiten Chatterji、Bobby J.King、Patty L.Totten和David D.Onan的美国专利号5,688,844；和2010年8月31日授予Craig W.Roddy、Jiten Chatterji、Roger Cromwell、Rahul Chandrakant Patil、Abhijit Tarafdar、Abhimanyu Deshpande和Christopher LynnGordon的美国专利号7,784,542B2中找到，所述专利各通过引用全文纳入本文以用于所有目的。在含有胶乳添加剂的水泥组合物中包含其他添加剂是常见的。例如，橡胶和胶乳稳定剂的硫化剂能加入到所述水泥组合物中。合适的硫化剂的示例包含：硫、有机过氧化物化合物、偶氮化合物、酚类固化剂、苯醌衍生物、双马来酰亚胺、硒、碲、硝基化合物、树脂、金属氧化物和有机硫化合物例如二硫化烷基秋兰姆，这些能在美国专利号5,293,938中找到。合适的胶乳稳定剂的示例包括：包含范围15的约15–约40摩尔的氧化亚乙基的乙氧基化壬基苯酚和有式H(CH2)12-15的磺酸化和乙氧基化化合物的钠盐，这些能在美国专利号5,688,844中找到。
然而，一些用于加速水泥组合物凝结的添加剂可能与胶乳添加剂发生不利的相互作用。因此，包含胶乳添加剂和凝结促进剂的水泥组合物可能具有降低的抗压强度，并且可能更缓慢地形成抗压强度或静态凝胶强度。另外，相较于没有胶乳添加剂的相似水泥组合物，包含胶乳添加剂的水泥组合物可能具有降低的抗压强度，并且可能更缓慢地形成抗压强度或静态凝胶强度。
已经发现了包含C-S-H晶种的水泥组合物能用于地层，其中所述C-S-H晶种是中观颗粒、纳米颗粒或其组合。也已经发现了包含C-S-H晶种的水泥组合物能用于包含胶乳添加剂的水泥组合物，所述C-S-H晶种是中观颗粒、纳米颗粒或其组合。相较于没有C-S-H晶种的水泥组合物，包含C-S-H晶种的水泥组合物的一些优势是所述水泥组合物能：形成更高的抗压强度；有更短的起始凝结时间和凝结时间；形成更高的静态凝胶强度；与通常用于水泥灌注操作的水泥添加剂相容。
根据一个实施方式，地层中灌注水泥的方法包含：在地层中引入水泥组合物，其中所述水泥组合物包含：水泥、水和水合硅酸钙(C-S-H)晶种，其中主要由所述水泥、所述水和所述C-S-H晶种按照与所述水泥组合物相同比例组成的测试水泥组合物，当在24小时、60℉(15.6℃)温度和3,000psi(20.7MPa)压力下测试时，形成至少1,200psi(8.3MPa)的抗压强度；并且凝结所述水泥组合物。
根据另一个实施方式，地层中灌注水泥的方法包含：在地层中引入水泥组合物，其中所述水泥组合物包含：水泥、水和水合硅酸钙(C-S-H)晶种，其中当在24小时、60℉(15.6℃)温度和3,000psi(20.7MPa)压力下测试时，所述C-S-H晶种的浓度至少足够使所述水泥组合物形成至少1,200psi(8.3MPa)的抗压强度，而当在24小时、60℉(15.6℃)温度和3,000psi(20.7MPa)压力下测试时，没有C-S-H晶种的基本相同的水泥组合物形成的抗压强度小于1,200psi(8.3MPa)；并且凝结所述水泥组合物。
根据另一个实施方式，地层中灌注水泥的方法包含：在地层中引入水泥组合物，其中所述水泥组合物包含：水泥、水和水合硅酸钙(C-S-H)晶种，其中所述C-S-H晶种是中观颗粒、纳米颗粒，或其组合，并且其中所述C-S-H晶种的浓度范围是水泥重量的约1%-约5%；并且凝结所述水泥组合物。
关于所述水泥组合物或所述水泥组合物中任意成分的优选实施方式的讨论旨在适用于全部方法实施方式。关于所述水泥组合物或所述水泥组合物中任意成分的优选实施方式的讨论旨在适用于所述水泥组合物，包含可以在所述水泥组合物中含有的其他添加剂。例如，如果所述水泥组合物包含胶乳添加剂，那么优选实施方式的讨论旨在适用于没有胶乳添加剂的水泥组合物和包含所述胶乳添加剂的水泥组合物。应理解对所述水泥组合物的物理/机械属性(如增厚时间、凝结时间或转变时间)给定的任意优选实施方式而言，所述C-S-H晶种应该至少具有足够的浓度，并且应该选择所述C-S-H晶种的粒度，从而所述水泥组合物形成优选的物理/机械属性。
任何地方提到的单位“加仑”是指美国加仑。本文使用的术语″可溶的″指在温度77℉(25℃)和压力1atm(0.1MPa)下，至少1份物质溶解在99份液体中。本文使用的术语″不可溶的″指在温度77℉(25℃)和压力1atm(0.1MPa)下，小于1份的物质溶解在99份液体中。
所述水泥组合物包含水泥。所述水泥可以是水硬性水泥。可以根据本发明采用各种水硬性水泥，包括但不限于，通过与水的反应凝结和变硬的包含钙、铝、硅、氧、铁和/或硫的那些水硬性水泥。合适的水硬性水泥包括但不限于波特兰水泥、火山灰水泥、石膏水泥、高氧化铝水泥、矿渣水泥、氧化硅水泥，及其组合。在某些实施方式中，所述水硬性水泥可以包含波特兰水泥。在一些实施方式中，合适用于本发明的所述波特兰水泥分为A类、C类、H类和G类水泥，依据是AmericanPetroleum Institute(美国石油学会),API Specification for Materials and Testing forWell Cements（对井水泥的材料和测试的API规格），API Specification 10（API规格10），第五版，1990年7月1日。优选地，所述水泥是G类或H类水泥。
所述水泥组合物包含水。所述水可选自：淡水、稍带咸味的水、盐水，及其任意组合。所述水泥组合物还可包含水溶性盐。优选地，所述盐选自氯化钠、氯化钙、溴化钙、氯化钾、溴化钾、氯化镁及其任意组合。所述水泥组合物可包含水溶性盐，其浓度范围是水重量(ww)的约5%-约35%。
所述水泥组合物包含水合硅酸钙(C-S-H)晶种。优选所述C-S-H晶种在水中不溶解。所述C-S-H晶种可以是合成的，或者是A-水泥石或贝利特和水之间的水合反应的产物。短划线(-)表示钙(C)与硅酸根(S)没有特别的比率。然而，水合硅酸钙中C:S的常见比率是2:1。C:S的比率可以是任意比率，只要水合硅酸钙能使所述水泥组合物满足优选实施方式。优选地，C:S比率的范围是0.5:2-2.5:0.5。
在一个实施方式中，所述C-S-H晶种是中观颗粒、纳米颗粒或其组合。优选所述C-S-H晶种是中观颗粒。根据这个优选的实施方式，所述C-S-H晶种具有粒度分布，从而至少90%的C-S-H晶种的粒度范围是1微米-0.1微米。更优选地，所述C-S-H晶种具有粒度分布，从而至少90%的C-S-H晶种的粒度范围是约0.4微米-0.1微米。
所述C-S-H晶种可以是干燥形式。所述C-S-H晶种也可以是浆液形式，其中所述C-S-H晶种是分散相，而水性液体或液态烃类是浆液的连续相。浆液形式的C-S-H晶种的市售可得示例是可获自德国特洛斯堡（Trostberg）的BASF公司的X-SEED
Figure BDA00003692404200111
100。
在一个实施方式中，所述C-S-H晶种的浓度是水泥重量(bwc)的至少0.05%。应理解，根据C-S-H晶种的干重提供C-S-H晶种的浓度。如果所述C-S-H晶种是浆液形式，那么所述浆液具有C-S-H晶种的特定活性固体%。例如，浆液中，C-S-H晶种的干重浓度能根据浆液中所述C-S-H晶种的活性干重浓度计算。在另一个实施方式中，所述C-S-H晶种的浓度范围是约0.05%-约7%bwc。在另一个实施方式中，所述C-S-H晶种的浓度范围是约1%-约5%bwc。根据另一个实施方式，当在24小时、60℉(15.6℃)温度和3,000psi(20.7MPa)压力下测试时，所述C-S-H晶种的浓度至少足够使所述水泥组合物形成至少1,200psi(8.3MPa)抗压强度，而当在24小时、60℉(15.6℃)温度和3,000psi(20.7MPa)压力下测试时，没有C-S-H晶种的基本相同的水泥组合物形成小于1,200psi(8.3MPa)抗压强度。
在一个实施方式中，所述水泥组合物还包含胶乳添加剂。在一个实施方式中，所述胶乳添加剂可以是包含作为分散相的橡胶固体颗粒和作为连续相的液体的浆液。水可以是浆液的连续相。合适的橡胶颗粒的示例包括大部分改良类型的天然橡胶(顺-l,4-聚异戊二烯)，和各种类型的合成聚合物，包含苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)，顺-l,4-聚丁二烯橡胶及其与天然橡胶或苯乙烯-丁二烯橡胶的混合物，高苯乙烯树脂、丁基橡胶、乙烯-丙烯橡胶(EPM和EPDM)、氯丁橡胶、腈橡胶、顺-l,4-聚异戊二烯橡胶、硅橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶、交联化聚乙烯橡胶、表氯醇橡胶、氟碳橡胶、氟硅氧烷橡胶、聚氨酯橡胶、聚丙烯酸橡胶、聚硫橡胶、AMPS-苯乙烯-丁二烯橡胶及其组合。″AMPS″指2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸或其盐。所述水泥组合物也能包含除了胶乳添加剂以外的其他添加剂。例如，橡胶和胶乳稳定剂的硫化剂能加入到所述水泥组合物中。合适的硫化剂的示例包括：硫、有机过氧化物化合物、偶氮化合物、酚类固化剂、苯醌衍生物、双马来酰亚胺、硒、碲、硝基化合物、树脂、金属氧化物和有机硫化合物例如二硫烷基秋兰姆。合适的胶乳稳定剂的示例包括：包含约15–约40摩尔范围的氧化亚乙基的乙氧基化壬基苯酚和具有式H(CH2)12-15的磺酸化和乙氧基化化合物的钠盐。合适的胶乳添加剂、胶乳添加剂中的成分和包含胶乳添加剂的水泥组合物的其他添加剂（例如橡胶硫化添加剂和胶乳稳定剂添加剂）的示例能在美国专利号5,293,938、美国专利号5,688,844和美国专利号7,784,542B2(上面已列出)中找到，所述专利通过引用全文纳入本文以用于所有目的。合适的市售可得的胶乳添加剂的示例包括但不限于LATEX2000TM胶乳添加剂和LATEX3000TM胶乳添加剂，这些由哈里伯顿能源服务公司（Halliburton Energy Services,Inc.）销售。
在一个实施方式中，所述水泥组合物的增厚时间是在60℉(15.6℃)温度和5,000psi(34.5MPa)压力下至少2小时。在另一个实施方式中，所述水泥组合物的增厚时间范围是在60℉(15.6℃)温度和5,000psi(34.5MPa)压力下约4-约15小时。能影响所述水泥组合物增厚时间的一些变量包括C-S-H晶种的浓度、水泥组合物中包含的任意缓凝剂的浓度、水泥组合物中存在的任何盐的浓度和地层的井底温度。本文使用的术语″井底″指要用水泥灌注的地层部分。在另一个实施方式中，所述水泥组合物的增厚时间是在井底温度和地层压力下至少3小时。
在一个实施方式中，所述水泥组合物的起始凝结时间是60℉(15.6℃)温度和3,000psi(20.7MPa)压力下小于24小时，更优选小于12小时。在另一个实施方式中，所述水泥组合物的起始凝结时间是井底温度和地层压力下小于24小时，更优选小于12小时。
优选地，所述水泥组合物的凝结时间是60℉(15.6℃)温度下小于48小时。更优选地，所述水泥组合物的凝结时间是60℉(15.6℃)温度下小于24小时。更优选地，所述水泥组合物的凝结时间范围是60℉(15.6℃)温度下约3-约24小时。在另一个实施方式中，所述水泥组合物的凝结时间是井底温度和地层压力下小于24小时，更优选小于12小时。
根据一个实施方式，测试水泥组合物主要由下面组成：所述水泥、所述水和所述C-S-H晶种，其比例与上述水泥组合物相同，当在24小时、60℉(15.6℃)温度和3,000psi(20.7MPa)压力下测试时，所述测试水泥组合物形成至少1,200psi(8.3MPa)的抗压强度。优选地，当在24小时、60℉(15.6℃)温度和3,000psi(20.7MPa)压力下测试时，所述水泥组合物的抗压强度是至少约500psi(3.5MPa)。更优选地，当在24小时、60℉(15.6℃)温度和3,000psi(20.7MPa)压力下测试时，所述水泥组合物的抗压强度范围是约500-约5,000psi(约3.5-约34.5MPa)。更优选地，当在24小时、60℉(15.6℃)温度和3,000psi(20.7MPa)压力下测试时，所述水泥组合物的抗压强度范围是约1,000-约5,000psi(约6.9-约34.5MPa)。根据另一个实施方式，所述水泥组合物的抗压强度范围是在井底温度和地层压力下约1,000–约5,000psi(约6.9-约34.5MPa)。
优选地，在155℉(68.3℃)温度和4,500psi(31MPa)压力下使用SGSA静态凝胶强度方法，所述水泥组合物的转变时间小于4小时(hr)。在一个实施方式中，所述C-S-H晶种至少具有足够的浓度，从而在155℉(68.3℃)温度和4,500psi(31MPa)压力下使用所述SGSA静态凝胶强度方法时，所述水泥组合物的转变时间是至少4hr。更优选地，在155℉(68.3℃)温度和4,500psi(31MPa)压力下使用SGSA静态凝胶强度方法，所述水泥组合物的转变时间小于1hr。最优选地，在155℉(68.3℃)温度和4,500psi(31MPa)压力下使用SGSA静态凝胶强度方法，所述水泥组合物的转变时间小于30分钟(min)。在另一个实施方式中，所述水泥组合物的转变时间是在井底温度和地层压力下至少70分钟。
优选地，在60℉(15.6℃)温度和5,000psi(34.5MPa)压力下使用Mini MACS静态凝胶强度方法，所述水泥组合物的转变时间小于70分钟(min)。在一个实施方式中，所述C-S-H晶种至少具有足够的浓度，从而在60℉(15.6℃)温度和5,000psi(34.5MPa)压力下使用所述Mini MACS静态凝胶强度方法时，所述水泥组合物的转变时间是至少70分钟(min)。更优选地，在60℉(15.6℃)温度和5,000psi(34.5MPa)压力下使用Mini MACS静态凝胶强度方法，所述水泥组合物的转变时间小于50min。最优选地，在60℉(15.6℃)温度和5,000psi(34.5MPa)压力下使用Mini MACS静态凝胶强度方法，所述水泥组合物的转变时间小于30min。
所述水泥组合物还可包含其他添加剂。其他添加剂的示例包括但不限于：填料、流体损失添加剂、缓凝剂、减摩剂、强度衰退添加剂、轻量添加剂、消泡剂、高密度添加剂、机械性能增强添加剂、堵漏材料、过滤控制添加剂、触变性添加剂，及其组合。
所述水泥组合物可包含填料。合适的填料的示例包括但不限于飞灰、沙子、粘土和玻璃化页岩。优选地，所述填料的浓度范围是水泥重量(bwc)的约5%-约50%。
所述水泥组合物可包含流体损失添加剂。合适的市售可得的流体损失添加剂的示例包括但不限于由哈里伯顿能源服务公司（Halliburton Energy Services,Inc.）出售的商标为
Figure BDA00003692404200141
和的流体损失添加剂。优选地，所述流体损失添加剂的浓度范围是约0.05%-约10%bwc。
所述水泥组合物可包含缓凝剂。合适的市售可得的缓凝剂的示例包括但不限于由哈里伯顿能源服务公司（Halliburton Energy Services,Inc.）出售的商标为
Figure BDA00003692404200143
Figure BDA00003692404200144
SCR-100TM、和SCR-500TM的缓凝剂。优选地，所述缓凝剂的浓度范围是约0.05%-约10%bwc。
所述水泥组合物可包含减摩剂。合适的市售可得的减摩剂的示例包括但不限于由哈里伯顿能源服务公司（Halliburton Energy Services,Inc.）出售的商标为CFR-2TM、CFR-3TM、CFR-5LETM、CFR-6TM、和CFR-8TM的减摩剂。优选地，所述减摩剂的浓度范围是约0.1%-约10%bwc。
所述水泥组合物可包含强度衰退添加剂。合适的市售可得的强度衰退添加剂的示例包括但不限于由哈里伯顿能源服务公司（Halliburton Energy Services,Inc.）出售的商标为SSA-1TM和SSA-2TM的强度衰退添加剂。优选地，所述强度衰退添加剂的浓度范围是约5%-约50%bwc。
所述水泥组合物可包含轻量添加剂。合适的市售可得的轻量添加剂的示例包括但不限于由哈里伯顿能源服务公司（Halliburton Energy Services,Inc.）出售的商标为SPHERELITE
Figure BDA00003692404200156
和LUBRA-BEADS
Figure BDA00003692404200157
FINE的轻量添加剂；以及获自明尼苏达州圣保罗的3M公司的商标为HGS2000TM、HGS3000TM、HGS4000TM、HGS5000TM、HGS6000TM、HGS10000TM和HGS18000TM的玻璃泡。优选地，所述轻量添加剂的浓度范围是约5%-约50%bwc。
市售可得的其他添加剂的示例包括但不限于由哈里伯顿能源服务公司（Halliburton Energy Services,Inc.）出售的商标为High Dense
Figure BDA000036924042001516
3号、High Dense
Figure BDA000036924042001512
4号、BariteTM、MicromaxTM、SilicaliteTM、WellLife
Figure BDA000036924042001515
665、WellLife
Figure BDA000036924042001513
809、WellLife
Figure BDA000036924042001514
810和Channel SealTM流体的添加剂。
在一个实施方式中，所述水泥组合物的密度是至少8磅/加仑(ppg)(0.96千克/升(kg/l))。在另一个实施方式中，所述水泥组合物的密度是至少15ppg(1.8kg/l)。在另一个实施方式中，所述水泥组合物的密度范围是约8–约15ppg(约0.96-约1.8kg/l)。在另一个实施方式中，所述水泥组合物的密度范围是约15–约20ppg(约1.8-约2.4kg/l)。
根据某些实施方式，地层中灌注水泥的方法包含：在地层中引入水泥组合物，其中所述水泥组合物包含：水泥、水和C-S-H晶种;并凝结所述水泥组合物。
所述方法实施方式包含在地层中引入水泥组合物的步骤。所述引入步骤的目的是至少下列之一：完成井;形成泡沫水泥;初级或次级水泥灌注操作;堵塞井；挤水泥；或充填砾石。在引入到地层之前和引入地层的过程中，所述水泥组合物可以是可泵送的状态。在一个实施方式中，通过井透过地层。井可以是但不限于油井、气井、水井或注入井。根据这个实施方式，所述引入步骤包括把所述水泥组合物引入井。在另一个实施方式中，通过井透过地层，并且所述井包含环状部分。根据这个其他实施方式，所述引入步骤包含把所述水泥组合物引入一部分所述环状部分。
所述方法实施方式可进一步包含在引入步骤前形成所述水泥组合物的步骤。根据这个实施方式，所述形成步骤可包含：至少把水泥、水和所述C-S-H晶种加入到混合设备中；并且混合所述水泥组合物。所述形成步骤可进一步包括加入至少一种添加剂以形成所述水泥组合物。例如，可加入胶乳添加剂以形成所述水泥组合物。所述加入步骤能以任何顺序进行。例如，可把所述C-S-H晶种加入到水泥中，然后可把水加入到水泥和C-S-H晶种。作为另一个示例，可把水加入到水泥中，然后把所述C-S-H晶种加入到水和水泥中。作为另一个示例，可同时把C-S-H晶种和水泥加入到水中。不管加入顺序如何，应理解加入到所述水泥组合物中的C-S-H晶种是算在由水泥的任意相和水之间的水合反应形成的任意的C-S-H之外的。如果所述水泥组合物中包含任意其他的添加剂例如胶乳添加剂，那么其他添加剂能以任意顺序加入到水泥组合物中。可使用合适的混合设备进行所述混合步骤。
所述方法实施方式可进一步包含在引入步骤之前确定最大PVF（填充体积分数）的步骤。如果方法实施方式还包含形成所述水泥组合物的步骤，那么在形成步骤前进行所述确定最大PVF的步骤。所述术语″填充体积分数″指流体中的固体颗粒材料体积除以流体的总体积。选择优选的固体颗粒材料的尺寸范围以及其各自的比例，以提供最大(或尽可能接近最大)填充体积分数，从而所述流体处于阻滞沉降状态。为了获得最大PVF，可利用下面三个特性的组合。第一个是使用至少三种颗粒材料，其中所述至少三种颗粒材料的尺寸范围是彼此“不相交”的。第二个特性是所述至少三种颗粒材料针对混合步骤的比例的选择，使得所述流体在混合时处于阻滞沉降状态。第三个特性是根据其各自的尺寸范围，所述至少三种颗粒材料之间比例的选择，使得对所述流体体系中所有颗粒材料的全部总和而言，至少基本实现了最大PVF。确定最大PVF的步骤还可包含选择所述C-S-H晶种和任意其他添加剂的粒度的步骤，以获得最大PVF。确定最大PVF和如何选择粒度的步骤能在2007年5月8日授予Craig W.Roddy、Ricky L.Covington和Jiten Chatterji的美国专利号7,213,646B2中找到，所述专利通过引用全文纳入本文以用于所有目的。
所述方法实施方式还包含凝结水泥组合物的步骤。所述凝结步骤能在把所述水泥组合物引入到地层的步骤之后。所述方法实施方式可包含在凝结步骤之后的穿孔、断裂或进行酸化处理的其他步骤。
所述地层的井底温度范围可以是约35℉-约300℉(约1.7℃-约148.9℃)。优选地，所述地层的井底温度范围是约40℉-约190℉(约4.4℃-约87.8℃)。更优选地，所述地层的井底温度范围是约60℉-约120℉(约15.6℃-约48.9℃)。
实施例
为了帮助更好地理解优选实施方式，提供了优选实施方式某些方面的下列实施例。所述下列实施例并不是根据优选实施方式提供的仅有的实施例，也不试图限制本发明的范围。
对下列表和图包含的数据而言，水泥组合物中任意成分的浓度能通过水泥重量(简写为″bwc″)或加仑/袋水泥(简写为″gal/sk″)表示。所述C-S-H晶种是获自BASF公司的X-SEED
Figure BDA00003692404200178
100。所述C-S-H晶种是有20%活性固体的浆液。所有C-S-H晶种的浓度根据所述C-S-H晶种的干重表示，并且不考虑浆液连续相的重量。所述干重浓度根据浆液中C-S-H晶种的20%活度计算。
除非另有说明，所述水泥组合物各有16.4磅/加仑(lb/gal)(1.97kg/l)的密度，并且包含至少下列成分：4.92gal/sk去离子水；Joppa H类水泥或Dyckerhoff G类水泥;0.05gal/sk D-AIR3000LTM消泡剂;0.05%bwc CFR-3TM减摩剂;和0.05%bwcHR
Figure BDA00003692404200177
6L缓凝剂。各表包含所述水泥组合物的任意其他成分，并且列举为″其他成分″。
除非另外说明，所有水泥组合物混合，并且根据如上面“具体实施方式”部分中所述的特定测试方法来测试。在多种温度和3,000psi(21MPa)压力下测试所述水泥组合物的起始凝结时间。在各种温度和3,000psi(21MPa)压力下进行达到500psi(3.5MPa)的时间的测试。在24或48小时、各种温度和3,000psi(21MPa)压力下进行所述抗压强度的测试。各种温度和5,000psi(34.5MPa)压力下进行所述增厚时间测试。
表1包含了对数种水泥组合物而言，达到500psi(3.5MPa)的时间、24小时抗压强度、抗压强度形成速率和增厚时间数据。所述水泥组合物还包含下列其他成分：不同浓度的C-S-H晶种(%bwc);和1gal/sk(0.089升/kg)浓度的LATEX
Figure BDA00003692404200179
2000或LATEX
Figure BDA000036924042001710
3000。所述包含LATEX
Figure BDA000036924042001711
2000的水泥组合物还包含0.2gal/sk(0.018升/kg)434BTM胶乳稳定剂。如表1所示，相较于不包含C-S-H晶种的水泥组合物，所述包含0.5%或1%bwc C-S-H晶种的水泥组合物显示了提高的物理属性。表1中的数据显示，对给定的水泥组合物而言，温度增加时，所述水泥组合物的物理属性提高。例如，当温度增加时，所述增厚时间减少，所述抗压强度增加，并且所述强度形成速率增加。从表1还可看出，所述水泥组合物的物理属性随着C-S-H晶种浓度的增加而提高。所述数据还显示C-S-H晶种不仅与两种不同的胶乳添加剂相容，也提高了含有所述胶乳添加剂的水泥组合物的物理属性。
Figure BDA00003692404200181
表2包含了数种水泥组合物的转变时间数据。所述水泥组合物在155℉(68.3℃)温度和4,500psi(31MPa)压力下使用SGSA静态凝胶强度方法测试。所述水泥组合物还包含下列其他成分：不同浓度的C-S-H晶种(%bwc);和1gal/sk(0.089升/kg)的LATEX
Figure BDA00003692404200185
2000或LATEX
Figure BDA00003692404200186
3000。如表2所示，包含常用胶乳添加剂以帮助控制气体迁移的水泥组合物的转变时间是至少3小时。加入C-S-H晶种，所述转变时间能显著减少。从表2还可以看出，所述转变时间随着C-S-H晶种浓度的增加而减少。
表2
Figure BDA00003692404200184
表3包含对数种水泥组合物的增厚时间、起始凝结时间、达到500psi(3.5MPa)的时间和24小时抗压强度数据。所述水泥组合物的密度是15.8ppg(1.9kg/l)，并且包含下列成分：4.92gal/sk去离子水;Dyckerhoff G类水泥;和不同浓度的C-S-H晶种(%bwc)。如表3所示，对给定温度而言，当C-S-H晶种的浓度增加时，所述增厚时间、起始凝结时间、达到500psi(3.5MPa)的时间减少，并且所述抗压强度增加。从表3还可以看出，对给定的C-S-H晶种浓度而言，温度在水泥组合物的物理/机械属性中起重要作用。例如，当温度增加时，所述增厚时间减少，并且抗压强度增加。
表3
Figure BDA00003692404200191
表4包含对两种不同水泥组合物的零凝胶时间和转变时间数据。测试表4中包含的数据以评价低密度水泥组合物中C-S-H晶种的有效性。在60℉(15.6℃)温度和5,000psi(34.5MPa)压力下使用所述″Mini MACS静态凝胶强度″方法在搅拌4小时的情况下进行零凝胶时间和转变时间的测试。1号水泥组合物的密度是15.8ppg(1.9kg/l)，并且包含：4.90gal/sk(0.435升/kg)去离子水;Dyckerhoff G类水泥;和0.35%bwc C-S-H晶种。2号水泥组合物的密度是12.5ppg(1.5kg/l)，并且包含：7.10gal/sk(0.630升/kg)去离子水;Dyckerhoff G类水泥;3%bwc C-S-H晶种；和可获自哈里伯顿能源服务公司（Halliburton Energy Services,Inc.）的30%bwc SPHERELITE
Figure BDA00003692404200192
轻量添加剂。如表4所示，所述两种水泥组合物有可比较的零凝胶时间和转变时间。表4中数据显示，当水泥组合物密度降低时，可能需要增加C-S-H晶种浓度。
表4
水泥组合物 零凝胶时间(时:分) 转变时间(时:分)
#1 4:02 0:06
#2 4:03 0:03
测试表5中列举的数据以评价相较于一些常用的凝结促进剂(即盐和触变添加剂)，C-S-H晶种的有效性。所述水泥组合物包含：Dyckerhoff G类水泥;用于密度为15.8ppg的水泥组合物的4.9gal/sk(0.435升/kg)去离子水;用于密度为12.5ppg(1.5kg/l)的水泥组合物的7.63gal/sk去离子水;不同浓度的C-S-H晶种;和不同浓度的氯化钙(CaCl2)或VersaSet触变添加剂。表5包含对数种水泥组合物的增厚时间、起始凝结时间、达到500psi(3.5MPa)的时间以及24小时和48小时抗压强度数据。如表5所示，C-S-H晶种提供了相较于包含CaCl2或VersaSet的水泥组合物，水泥组合物可比较的或轻微提高的属性。相较于包含CaCl2的水泥组合物，尽管所述C-S-H晶种浓度比盐浓度小得多，但是所述C-S-H晶种提供了稍长的增厚时间，而且提供了更高的24小时抗压强度。包含C-S-H晶种的水泥组合物也显示了比包含VersaSet的水泥组合物更高的24和48小时抗压强度。从表5还可以看出，所述C-S-H晶种能为密度约12ppg(约1.4kg/l)和约16ppg(约1.9kg/l)的水泥组合物提供提高的属性。这显示了C-S-H晶种在密度范围很宽的水泥组合物中的相容性和有用性。
表5
Figure BDA00003692404200201
图1是四种不同水泥组合物的稠度(Bc)与时间(时:分:秒)的图。在5,000psi(34.5MPa)压力下，在60℉(15.6℃)温度对三种水泥组合物进行稠度测试，在50℉(10℃)对其他水泥组合物进行稠度测试。各水泥组合物的密度是15.8ppg(1.89kg/l)，并且包含去离子水、G类水泥、0.05gal/sk(4.439x10-3升/kg)D-AIR3000LTM消泡剂，和不同浓度的C-S-H晶种(%bwc)。如图1所示，C-S-H晶种浓度增加时，增厚时间减少。从图1还可以看出，对给定的C-S-H晶种浓度而言，温度降低时，增厚时间增加。
因此，本发明良好适应于达到所述以及原来固有的目的和优势。以上所述的具体实施方式仅仅是示例性的，本领域技术人员通过阅读本发明的教导，可以了解可通过许多不同的等价形式对本发明进行改良和实施。另外，除非在所附权利要求书中有具体的说明，否则本发明不限于本文所示的具体结构或设计。因此显然，可以对上文所述的具体示例性的实施方式进行改变或改良，所有这些变化都包括在本发明的范围之内。当组合物和方法用术语“包含”、“包括”或“含有”多种成分或步骤描述时，所述组合物和方法也能“基本由所述多种成分或步骤组成”或“由所述多种成分或步骤组成”。每当揭示具有下限和上限的数值范围时，具体揭示了在所述范围内的任意数值和任意包含的范围。特别地，本文公开的数值的各个范围(形式“从约a到约b”，或等同地“从约a到b”，或等同地“从约a到b”)应理解为列举了包含在数值更广泛范围内的各个数字和范围。再者，除非本专利权人另有明确和清晰地说明，权利要求中的术语有其普遍的、通常的含义。再者，本文定义的权利要求中使用的不定冠词“一个”或“一种”指其介绍的一种或多于一种的元素。如果本说明书与可以通过引用纳入的一个或多个专利或其他文档中的词汇或术语的使用有任何冲突，应该采用与本说明书一致的定义。

Claims (20)

1.一种在地层中灌注水泥的方法，所述方法包含：
在地层中引入水泥组合物，其中所述水泥组合物包含：
水泥；
水；和
水合硅酸钙(C-S-H)晶种，
其中，主要由所述水泥、所述水和所述C-S-H晶种按照与所述水泥组合物相同比例组成的测试水泥组合物，当在24小时、60℉(15.6℃)温度和3,000psi(20.7MPa)压力下测试时，形成至少1,200psi(8.3MPa)的抗压强度；并且
凝结所述水泥组合物。
2.一种在地层中灌注水泥的方法，所述方法包含：
在地层中引入水泥组合物，其中所述水泥组合物包含：
水泥；
水；和
水合硅酸钙(C-S-H)晶种，其中，所述C-S-H晶种的浓度至少足以使所述水泥组合物在24小时、60℉(15.6℃)温度和3,000psi(20.7MPa)压力下测试时形成至少1,200psi(8.3MPa)抗压强度，而当在24小时、60℉(15.6℃)温度和3,000psi(20.7MPa)压力下测试时，没有C-S-H晶种的基本相同的水泥组合物形成小于1,200psi(8.3MPa)的抗压强度；并且
凝结所述水泥组合物。
3.一种在地层中灌注水泥的方法，所述方法包含：
在地层中引入水泥组合物，其中所述水泥组合物包含：
水泥；
水；和
水合硅酸钙(C-S-H)晶种，其中所述C-S-H晶种是中观颗粒、纳米颗粒，或其组合，并且其中所述C-S-H晶种的浓度范围是水泥重量的约1%-约5%；并且
凝结所述水泥组合物。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述C-S-H晶种浓度范围是水泥重量的约0.05%-约7%。
5.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，当在24小时、60℉(15.6℃)温度和3,000psi(20.7MPa)压力下测试时，所述水泥组合物的抗压强度范围是约1,000-约5,000psi(约6.9-约34.5MPa)。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述水泥包含至少一种选自下组的水硬性水泥：波特兰(Portland)水泥、火山灰水泥、石膏水泥、高氧化铝水泥、矿渣水泥、氧化硅水泥，及其组合。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述水选自：淡水、稍带咸味的水、盐水，及其任意组合。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述C-S-H晶种具有粒度分布，使得至少90%的C-S-H晶种的粒度范围是1微米-0.1微米。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述水泥组合物还包含胶乳添加剂。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述胶乳添加剂是包含作为分散相的固体橡胶颗粒和作为连续相的液体的浆液。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述橡胶颗粒选自：顺-l,4-聚异戊二烯橡胶;苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、高苯乙烯树脂;丁基橡胶;乙烯-丙烯橡胶(EPM和EPDM);氯丁橡胶;腈橡胶;硅橡胶;氯磺化聚乙烯橡胶;交联化聚乙烯橡胶;表氯醇橡胶;氟碳橡胶;氟硅氧烷橡胶;聚氨酯橡胶;聚丙烯酸橡胶;聚硫橡胶;AMPS-苯乙烯-丁二烯橡胶;任意前述橡胶的改良种类;及其组合。
12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述水泥组合物在60℉(15.6℃)温度和5,000psi(34.5MPa)压力下的增厚时间范围是约4-约15小时。
13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述水泥组合物在60℉ (15.6℃)温度和3,000psi(20.7MPa)压力下的起始凝结时间小于24小时。
14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述水泥组合物在60℉(15.6℃)温度下的凝结时间小于48小时。
15.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述水泥组合物在155℉(68.3℃)温度和4,500psi(31MPa)压力下使用SGSA静态凝胶强度方法的转变时间小于1小时。
16.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述水泥组合物在60℉(15.6℃)温度和5,000psi(34.5MPa)压力下使用Mini MACS静态凝胶强度方法的转变时间小于50分钟。
17.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述水泥组合物还包含至少一种添加剂。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述至少一种添加剂选自：填料、流体损失添加剂、缓凝剂、减摩剂、强度衰退添加剂、轻量添加剂、消泡剂、高密度添加剂、机械性能增强添加剂、堵漏材料、过滤控制添加剂、触变性添加剂，及其组合。
19.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述地层的井底温度范围是约60℉–约120℉(约15.6℃–约48.9℃)。
20.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包含在引入步骤之前确定最大填充体积分数的步骤。
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