CN104114513A - 包含具有改变的粒径的水泥窑粉尘的方法和组合物 - Google Patents
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Abstract
公开了包含具有已经改变的平均粒径的水泥窑粉尘的方法和组合物。一种实施方式公开了地下处理方法，包括：将处理流体引入地下地层，其中，处理流体包括通过研磨、分离或它们的组合而具有由它的原始尺寸已经改变的平均粒径的水泥窑粉尘。另一种实施方式公开了地下处理方法，包括：将处理流体引入地下地层，其中，处理流体包括具有由它的原始尺寸已经减小的平均粒径的水泥窑粉尘。
Description
背景技术
一般而言，井处理包括可以在油井、气井、地热井和/或水井中进行的多种多样的方法，如钻井、完井和修井方法。钻井、完井和修井方法可以包括，但不限于钻孔、压裂、酸化、测井、注水泥、砾石充填、穿孔以及一致性方法。这些井处理中的许多设计用于增强和/或促进来自地下井的期望液体的回收。
在注水泥方法如井构建和补注水泥中，通常使用可固化的组合物。如在本文中使用的，术语“可固化(settable)组合物”是指水凝固化或产生抗压强度的组合物。可固化组合物可以用于初次注水泥操作中，从而管柱如套管和衬管被固定在井孔中。在进行初次注水泥时，可以将可固化组合物泵入地下地层和设置在地下地层中的管柱之间的环中。可固化组合物应该在环中固化，从而形成应当支撑并且将管柱定位在井孔中并且将管柱的外部表面粘结至井孔的壁的硬化水泥的环形护套(例如，水泥环)。可固化组合物还可以用于补注水泥方法如放置水泥塞中，以及用于挤压注水泥用于密封管柱、水泥环、砾石填充、地层等中的空隙。可固化组合物还可以用于表面应用中，例如，建筑胶结。
用于地下地层中的可固化组合物可以进一步包含波特兰水泥。波特兰水泥通常是水泥组合物成本的主要组分。除了或代替波特兰水泥，其他组分可以包括在水泥组合物中。这种组分可以包括飞尘、矿渣、页岩、沸石、偏高岭土、浮石、珍珠岩、石灰、二氧化硅、稻壳灰、超细水泥、石灰窑粉尘等。然而，针对井的操作条件变得更具有挑战性并且要求更加苛刻，从而研究新材料不断满足这些挑战。
发明内容
一种实施方式公开了地下处理方法。该方法可以包括将处理流体引入地下地层，其中，处理流体包括通过研磨、分离或它们的组合而具有已经由它的原始尺寸改变的平均粒径的水泥窑粉尘。
另一种实施方式公开了地下处理方法。该方法可以包括将处理流体引入地下地层，其中，处理流体包括具有已经由它的原始尺寸减小的平均粒径的水泥窑粉尘。
另一种实施方式公开了地下处理方法。该方法可以包括将处理流体引入地下地层，其中，处理流体包括已经磨细的水泥窑粉尘。
另一种实施方式公开了制备水泥窑粉尘的方法。该方法可以包括提供具有原始粒径的水泥窑粉尘。该方法可以进一步包括通过研磨、分离或它们的组合，由原始粒径改变水泥窑粉尘的平均粒径。
另一种实施方式公开了井处理流体。井处理流体可以包含通过研磨、分离或它们的组合，具有已经由它的原始粒径改变的平均粒径的水泥窑粉尘。
另一种实施方式公开了用于可固化组合物的添加剂。添加剂可以包括通过研磨、分离或它们的组合，具有已经由它的原始粒径改变的平均粒径的水泥窑粉尘。
对于本领域技术人员，本发明的特征和优势将易于显而易见。尽管本领域技术人员可以做出许多改变，但这些改变在本发明的精神内。
具体实施方式
本发明的可固化组合物的实施方式包括具有由它的原始尺寸已经改变的平均粒径的水泥窑粉尘。例如，根据所期望的，针对特定应用可以改变水泥窑粉尘的平均粒径以选择性地增加或减小平均粒径。
在本发明的实施方式中，改变水泥窑粉尘的平均粒径可以改善水泥窑粉尘的一种或多种性能，包括空隙填充性能、胶凝时间、以及抗压强度。在一些实施方式中，根据待填充的空隙的尺寸，例如，可以选择性地改变水泥窑粉尘的平均粒径，这在补注水泥方法中可以是有益的。例如，可以优化水泥窑粉尘的平均粒径以更有效地填充管柱、水泥环、砾石填充、地层等中的空隙。在一些实施方式中，可以相信的是：改变水泥窑粉尘的平均粒径可以用于调整包含水泥窑粉尘的组合物的胶凝时间。在一些实施方式中，可以减小水泥窑粉尘的平均粒径以提供抗压强度的增加。例如，尤其是当与使用尺寸减小之前的水泥窑粉尘相比时，已经表明将水泥窑粉尘的平均粒径减小至约15微米为水泥窑粉尘可以添加至其的可固化组合物提供抗压强度出乎意料的增加。
在一些实施方式中，水泥窑粉尘的平均粒径可以由它的原始尺寸减小以提供至少约5％的抗压强度的增加，例如，至少约5％至约100％范围内的量的增加。在具体的实施方式中，水泥窑粉尘的平均粒径可以减小以提供至少约20％、至少约40％、至少约60％、至少约80％、或至少约100％的抗压强度的增加。应当理解的是，如在本文中使用的，对于具有减小的平均粒径的水泥窑粉尘的抗压强度的增加是指包含减小的粒径的水泥窑粉尘的可固化组合物与包含粒径减小之前的初始水泥窑粉尘的可固化组合物的抗压强度的比较。使用破坏性或非破坏性测试方法，可以测定抗压强度。在一些实施方式中，可以根据API RP Practice 10B-2，RecommendedPractice for Testing Well Cements，第一版，2005年7月，进行抗压强度测试。例如，可以使用来自Fann Instruments，Houston，Texas的超声水泥分析仪，同时维持在140°F和8,000磅/平方英寸下，测定针对包含水泥窑粉尘的可固化组合物的24小时抗压强度。在一个具体的实例中，针对具有约12磅/加仑(“lb/gal”)的密度的可固化组合物，可以测定24小时抗压强度。
水泥窑粉尘，如在本文中使用的该术语，是指在制造水泥过程中从气流中去除并且例如在粉尘收集器中收集的部分煅烧窑进料。水泥窑粉尘通常可以表现出水泥基性能，在于它可以在水的存在下固化和硬化。通常，在生产水泥中，收集大量的通常作为废弃物处理的水泥窑粉尘。水泥窑粉尘的处理可以增加制造水泥的不期望的成本，以及与它的处理有关的环境问题。来自不同水泥制造的水泥窑粉尘的化学分析随大量因素变化，所述因素包括特殊窑进料、水泥生产操作的效率、以及相关的粉尘收集系统。水泥系粉尘通常可以包括各种氧化物如SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3、Na2O和K2O。
根据本实施方式，使用包括但不限于研磨或分离的任何合适的技术可以改变水泥窑粉尘的平均粒径，以提供具有改变的粒径的材料。分离水泥窑粉尘可以包括筛分或用于分离水泥窑粉尘的任何其他合适的技术，以提供由它的原始尺寸已经改变的平均粒径。例如，根据用于具体应用所期望，筛分可以用于生产具有增加或减小的平均粒径的水泥窑粉尘。通过进一步的实施例，研磨可以用于减小水泥窑粉尘的平均粒径。研磨和分离的组合可以用于一些实施方式中。如在本文中使用的，术语“研磨的”或“研磨”是指使用研磨机(例如，球磨机、棒磨机等)减小指定组分的粒径。合适的研磨机的实例是从SPEX Sample Prep可获得的8000球磨机。在一些实施方式中，水泥窑粉尘可以研磨约30分钟至约1小时的范围内的时间段。
水泥窑粉尘的平均粒径可以改变至适合用于注水泥操作的任何尺寸。在一些实施方式中，水泥窑粉尘的平均粒径可以由它的原始粒径改变为具有约1微米至约350微米范围内的平均粒径。平均粒径相应于如通过粒径分析仪如通过Malvem Instruments、乌斯特郡、联合王国制造的那些测定的d50值。
在一些实施方式中，水泥窑粉尘的水泥窑的平均粒径可以由它的原始尺寸增加。例如，水泥窑粉尘的平均粒径可以比它的原始尺寸大至少5％。在一些实施方式中，至少部分的水泥窑粉尘可以增加至比它的原始尺寸大约5％至约100％范围内的尺寸。在一些实施方式中，平均粒径可以增加至比它的原始尺寸大任何以下和/或包含任何以下之间的范围内的尺寸：约5％、约10％、约15％、约20％、约25％、约30％、约35％、约40％、约45％、约50％、约55％、约60％、约65％、约70％、约75％、约80％、约90％、或约95％。
在一些实施方式中，水泥窑粉尘的平均粒径可以由它的原始尺寸减小。例如，平均粒径可以以有效增加水泥窑粉尘的抗压强度的量减小。在一些实施方式中，水泥窑粉尘可以具有比它的原始尺寸小至少5％的平均粒径。在一些实施方式中，至少部分的水泥窑粉尘可以减小以具有约5％至约95％的它的原始尺寸范围内的平均粒径。例如，平均粒径可以减小至任何以下和/或包含任何以下之间的范围内的尺寸：约5％、约10％、约15％、约20％、约25％、约30％、约35％、约40％、约45％、约50％、约55％、约60％、约6％、约70％、约75％、约80％、约90％、或约95％的它的初始尺寸。例如，减小粒径的水泥窑粉尘可以具有小于约15微米的平均粒径。在一些实施方式中，减小粒径的水泥窑粉尘可以具有小于约10微米、小于约5微米、小于约4微米、小于约3微米、小于约2微米、或小于约1微米的平均粒径。在具体的实施方式中，减小粒径的水泥窑粉尘可以具有约0.1微米至约15微米、约0.1微米至约10微米、或约1微米至约10微米的范围内的平均粒径。本领域普通技术人员，在本公开的益处下，应该能够针对适合用于特定应用的水泥窑粉尘选择粒径。
具有已经改变的粒径的水泥窑粉尘可以以足以提供例如期望的抗压强度、胶凝时间等的量包括在可固化组合物中。在一些实施方式中，改变粒径的水泥窑粉尘可以以按重量计约1％至100％的水泥基组分(“％bwoc”)范围内的量存在于本发明的可固化组合物中。术语“水泥基组分”是指水凝固化或硬化以产生抗压强度的可固化组合物的组分、或它们的组合，例如，包括水泥窑粉尘、波特兰水泥、飞尘、天然火山灰(例如，浮岩)、矿渣、石灰、页岩等。改变粒径的水泥窑粉尘可以以例如任何以下和/或包含任何以下之间的范围内的量存在：约5％、约10％、约15％、约20％、约25％、约30％、约35％、约40％、约45％、约50％、约55％、约60％、约65％、约70％、约75％、约80％、约90％、约95％、或100％bwoc。在具体实施方式中，改变粒径的水泥窑粉尘可以以约5％至100％bwoc、约50％至100％bwoc、或约75％至100％bwoc范围内的量存在于可固化组合物中。在本公开的益处下，针对选择应用，本领域普通技术人员将认识到具有已经改变的平均粒径的水泥窑粉尘的待包括的合适量。
可固化组合物的实施方式可以进一步包括一种或多种添加剂，包括但不限于水凝水泥、飞尘、矿渣、页岩、沸石、偏高岭土、浮石、珍珠岩、石灰、二氧化硅、稻壳灰、超细水泥、石灰窑粉尘、以及它们的组合等。根据本实施方式，可以通过包括使水泥窑粉尘和一种或更多种额外的添加剂相互研磨至特定期望尺寸的方法制备具有已经改变的平均粒径的水泥窑粉尘。例如，水泥窑粉尘和一种或更多种额外的添加剂可以相互研磨至小于约15微米的平均粒径。在一些实施方式中，水泥窑粉尘和一种或更多种额外的添加剂可以相互研磨至小于约10微米、小于约5微米、小于约4微米、小于约3微米、小于约2微米、或小于约1微米的平均粒径。在具体的实施方式中，水泥窑粉尘和一种或更多种额外的添加剂可以相互研磨至约0.1微米至约15微米、约0.1微米至约10微米、或约1微米至约10微米的范围内的平均粒径。在本公开的益处下，本领域普通技术人员应该能够选择适合用于特定应用的相互研磨水泥窑粉尘和一种或更多种额外的添加剂的粒径。
水凝水泥可以包括在本发明的可固化组合物的实施方式中。根据本发明可以使用多种水凝水泥，包括但不限于通过与水的反应而固化和硬化的包括钙、铝、硅、氧、铁、和/或硫的那些。合适的水凝水泥包括但不限于，波特兰水泥、火山灰水泥、石膏水泥、高铝含量水泥、矿渣水泥、二氧化硅水泥、以及它们的组合。在某些实施方式中，水凝水泥可以包括波特兰水泥，包括根据美国石油学会，API Specification for Materials and Testingfor Well Cements，API Specification 10，第五版，1990年7月1日的分类为类别A、C、G和H水泥的波特兰水泥。此外，适合用于本发明的实施方式中的波特兰水泥还可以包括分类为ASTM类型I、II、III、IV或V的那些。在一些实施方式中，水泥可以以约0.1％至约99％bwoc范围内的量存在于可固化组合物中。例如，水泥可以以任何以下和/或包含任何以下之间的范围内的量存在：约5％、约10％、约15％、约20％、约25％、约30％、约35％、约40％、约45％、约50％、约55％、约60％、约65％、约70％、约75％、约80％、约85％、约90％、或95％bwoc。在本公开的益处下，针对选择应用，本领域普通技术人员将认识到待包括的水泥的合适量。
飞尘可以包括在本发明的可固化组合物的实施方式中。多种飞尘可以是适合的，包括根据美国石油学会，API Specification for Materials andTesting for Well Cements，API Specification 10，第五版，1990年7月1日的分类为类别C和类别F飞尘的飞尘。类别C飞尘包括二氧化硅和石灰，使得当与水混合时，它固化形成硬化块。类别F飞尘通常不包含充足的石灰，使得对于类别F飞尘可能需要额外来源的钙离子以与水形成可固化组合物。在一些实施方式中，石灰可以以按重量计约0.1％至约25％的飞尘的范围内的量与类别F飞尘混合。在一些实例中，石灰可以是熟石灰。飞尘的合适实例包括但不限于，从Halliburton Energy Services，Inc.，Duncan，Oklahoma可获得的水泥添加剂。当存在时，飞尘通常可以以足以提供期望的抗压强度、密度、和/或成本的量包括在可固化组合物中。在一些实施方式中，飞尘可以以约0.1％至约75％bwoc范围内的量存在于本发明的可固化组合物中。在一些实施方式中，飞尘可以以任何以下和/或包含任何以下之间的范围内的量存在：约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％、或约70％bwoc。在本公开的益处下，针对选择应用，本领域普通技术人员将认识到待包括的飞尘的合适量。
矿渣可以包括在本发明的可固化组合物的实施方式中。矿渣通常不包含充足的碱性材料，使得矿渣可以与碱使用以生产可以与水反应以固化形成硬化块的可固化组合物。碱的合适来源的实例包括但不限于，氢氧化钠、碳酸氢钠、碳酸钠、石灰、以及它们的组合。当存在时，矿渣通常可以以足以提供期望的抗压强度、密度、和/或成本的量包括在可固化组合物中。在一些实施方式中，矿渣可以以约0.1％至约75％bwoc范围内的量存在于本发明的可固化组合物中。在一些实施方式中，矿渣可以以任何以下和/或包含任何以下之间的范围内的量存在：约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％、或约70％bwoc。在本公开的益处下，针对选择应用，本领域普通技术人员将认识到待包括的矿渣的合适量。
页岩可以包括在本发明的可固化组合物的实施方式中。多种页岩可以是合适的，包括含有硅、铝、钙、和/或镁的那些。合适的页岩的实例包括玻璃化的页岩。玻璃化页岩的合适实例包括但不限于，从TXI EnergyServices，Inc.，Houston，Texas可获得的PRESSUR-SEAL FINE LCM材料和PRESSUR-SEAL COARSE LCM材料。通常，根据所期望的，针对特定应用，页岩可以具有任何粒径分布。在某些实施方式中，页岩可以具有约37微米至约4,750微米范围内的粒径分布。当存在时，页岩可以以足以提供期望的抗压强度、密度、和/或成本的量包括在本发明的可固化组合物中。在一些实施方式中，矿渣可以以约0.1％至约75％bwoc范围内的量存在于本发明的可固化组合物中。在一些实施方式中，矿渣可以以任何以下和/或包含任何以下之间的范围内的量存在：约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％、或约70％bwoc。在本公开的益处下，针对选择应用，本领域普通技术人员将认识到待包括的页岩的合适量。
沸石可以包括在本发明的可固化组合物的实施方式中。适合于使用的沸石通常可以包括可以是天然或合成材料的多孔铝硅酸盐矿物质。合成沸石基于与天然沸石相同类型的结构单元，并且可以包括硅铝酸盐水合物。如在本文中使用的，术语“沸石”是指所有天然和合成形式的沸石。美国专利号7,445,669中更详细地描述了合适沸石的实例。沸石的合适来源的实例可获得自加拿大卡尔加里的C2C沸石公司。在一些实施方式中，沸石可以以约0.1％至约75％bwoc范围内的量存在于本发明的可固化组合物中。在一些实施方式中，沸石可以以任何以下和/或包含任何以下之间的范围内的量存在：约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％、或约70％bwoc。在本公开的益处下，针对选择应用，本领域普通技术人员将认识到待包括的沸石的合适量。
偏高岭土可以包括在本发明的可固化组合物的实施方式中。通常，偏高岭土是可以通过将高岭土加热至例如约600℃至约800℃的范围内的温度而制备的白色火山灰。在一些实施方式中，偏高岭土可以以约0.1％至约75％bwoc范围内的量存在于本发明的可固化组合物中。在一些实施方式中，偏高岭土可以以任何以下和/或包含任何以下之间的范围内的量存在：约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％、或约70％bwoc。在本公开的益处下，针对选择应用，本领域普通技术人员将认识到待包括的偏高岭土的合适量。
浮石(轻石，pumice)可以包括在本发明的可固化组合物的实施方式中。通常，浮石是表现出水泥基性能的火山岩，在于在熟石灰和水的存在下，浮石可以固化和硬化。熟石灰可以与浮石组合使用，例如，以为浮石提供足够的钙离子以固化。在一些实施方式中，浮石可以以约0.1％至约75％bwoc范围内的量存在于本发明的可固化组合物中。在一些实施方式中，浮石可以以任何以下和/或包含任何以下之间的范围内的量存在：约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％、或约70％bwoc。在本公开的益处下，针对选择应用，本领域普通技术人员将认识到待包括的浮石的合适量。
珍珠岩可以包括在本发明的可固化组合物的实施方式中。珍珠岩是矿石并且通常是指主要包括二氧化硅和氧化铝的天然存在的火山的无定形硅质岩。适合用于本发明的实施方式中的珍珠岩包括膨胀珍珠岩和非膨胀珍珠岩。在一些实施方式中，珍珠岩可以包括非膨胀珍珠岩。例如，珍珠岩还可以是研磨的。在一些实施方式中，珍珠岩可以以约0.1％至约75％bwoc范围内的量存在于本发明的可固化组合物中。在一些实施方式中，珍珠岩可以以任何以下和/或包含任何以下之间的范围内的量存在：约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％、或约70％bwoc。在本公开的益处下，针对选择应用，本领域普通技术人员将认识到待包括的珍珠岩的合适量。
石灰可以包括在本发明的可固化组合物的实施方式中。在某些实施方式中，石灰可以是熟石灰。石灰可以包括在可固化组合物的实施方式中，例如以与可固化组合物的其他组分如浮石、飞尘、矿渣、和/或页岩形成水凝组合物。当存在时，例如，石灰可以以约0.1％至约25％bwoc范围内的量包括在可固化组合物中。在一些实施方式中，石灰可以以任何以下和/或包含任何以下之间的范围内的量存在：约5％、约10％、约15％、约20％、或约25％bwoc。在本公开的益处下，针对选择应用，本领域普通技术人员将认识到待包括的石灰的合适量。
二氧化硅可以包括在本发明的可固化组合物的实施方式中。适合使用的二氧化硅通常可以包括无定形二氧化硅、晶体二氧化硅、或它们的组合。晶体二氧化硅是可以包括在可固化组合物的实施方式中例如以阻止水泥抗压强度衰退的粉末。无定形二氧化硅是可以包括在可固化组合物的实施方式中作为轻质填料和/或增加水泥抗压强度的粉末。在一些实施方式中，二氧化硅可以以约0.1％至约75％bwoc范围内的量存在于本发明的可固化组合物中。在一些实施方式中，二氧化硅可以以任何以下和/或包含任何以下之间的范围内的量存在：约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％、或约70％bwoc。在本公开的益处下，针对选择应用，本领域普通技术人员将认识到待包括的二氧化硅的合适量。
稻壳灰(rice-hull ash)可以包括在本发明的可固化组合物的实施方式中。一般而言，稻壳灰是由稻壳燃烧产生的灰，稻壳是稻谷谷物的硬覆盖物并且可以主要包括二氧化硅和碳。在一些实施方式中，稻壳灰可以以约0.1％至约75％bwoc范围内的量存在于本发明的可固化组合物中。在一些实施方式中，稻壳灰可以以任何以下和/或包含任何以下之间的范围内的量存在：约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％、或约70％bwoc。在本公开的益处下，针对选择应用，本领域普通技术人员将认识到待包括的稻壳灰的合适量。
超细水泥可以包括在本发明的可固化组合物的实施方式中。如在本文中使用的，术语“超细水泥”是指具有不超过约5微米，例如在约1微米至约5微米的范围内的平均粒径的水泥。在一些实施方式中，超细水泥可以以约0.1％至约75％bwoc范围内的量存在于本发明的可固化组合物中。在一些实施方式中，超细水泥可以以任何以下和/或包含任何以下之间的范围内的量存在：约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％、或约70％bwoc。在本公开的益处下，针对选择应用，本领域普通技术人员将认识到待包括的超细水泥的合适量。
石灰窑粉尘可以包括在本发明的可固化组合物的实施方式中。石灰窑粉尘，如在本文中使用的该术语，是指在石灰的制造中产生的产物。可以通过例如石灰石煅烧中的粉尘控制系统收集石灰窑粉尘。在一些实施方式中，石灰窑粉尘可以以约0.1％至约75％bwoc范围内的量存在于本发明的可固化组合物中。在一些实施方式中，石灰窑粉尘可以以任何以下和/或包含任何以下之间的范围内的量存在：约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％、或约70％bwoc。在本公开的益处下，针对选择应用，本领域普通技术人员将认识到待包括的石灰窑粉尘的合适量。
可固化组合物的实施方式进一步可以包括水。可以用于可固化组合物的实施方式中的水包括，例如淡水、咸水(例如，包含一种或多种溶解在其中的盐的水)、盐水(例如，由地下地层生产的饱和咸水)、海水、或它们的组合。通常，水可以来自任何来源，条件是水不包含可以不期望地影响可固化组合物中的其他组分的过量的化合物。在一些实施方式中，可以以足以形成可泵送浆料的量包括水。在一些实施方式中，水可以以约40％至约200％bwoc范围内的量包括在本发明的可固化组合物中。例如，水可以以任何以下和/或包含任何以下之间的范围内的量存在：约50％、约75％、约100％、约125％、约150％、或约175％bwoc。在具体实施方式中，可以以约40％至约150％bwoc范围内的量包括水。在本公开的益处下，针对选择应用，本领域普通技术人员将认识到待包括的水的合适量。
可选地，在本公开的益处下，根据本领域技术人员认为合适的，可以将其他额外的添加剂加入到本发明的可固化组合物中。这种添加剂的实例包括但不限于，强度衰减添加剂、促凝剂、增重剂、轻质添加剂(lightweightadditive)、气体发生添加剂、机械性能增强添加剂、堵漏材料(lost-circulationmaterial)、过滤控制添加剂、分散剂、流体损失控制添加剂、消泡剂、发泡剂、油溶胀性颗粒、水溶胀性颗粒、触变添加剂、以及它们的组合。这些的具体实例以及其他添加剂包括盐、纤维、水凝粘土、微球、弹性体、弹性体颗粒、树脂、乳液(胶乳，latex)、它们的组合等。在本公开的益处下，本领域普通技术人员将易于能够确定可用于特定应用和期望结果的添加剂的类型和量。根据本领域普通技术人员所期望的，可以发泡和/或扩展可固化组合物的实施方式。
根据本领域普通技术人员所期望的，在本公开的益处下，本发明的可固化组合物应当具有适合用于特定应用的密度。在一些实施方式中，可固化组合物可以具有约8lb/gal至约16lb/gal范围内的密度。在其他实施方式中，可以发泡可固化组合物以具有约8lb/gal至约13lb/gal范围内的密度。
当可固化组合物可以适合用于许多不同的注水泥操作时，它们可以尤其适用于地下地层中注水泥的方法。例如，可固化组合物可以用于其中可以将可固化组合物引入地下地层中并且允许其固化的初次注水泥和补注水泥操作中。如在本文中使用的，将可固化组合物引入地下地层包括引入地下地层的任何部分，包括但不限于引入钻入地下地层中的井孔、引入围绕井孔的近井孔区域、或引入两者。
在初次注水泥实施方式中，例如，可以将可固化组合物引入井孔壁和位于井口中的导管(例如，管柱、内衬管)之间的空间，井孔穿透地下地层。可以允许可固化组合物固化以形成井孔壁和导管之间的空间中硬化水泥的环形护套。除其他事项之外，固化可固化组合物可以形成阻止井孔中的液体迁移的屏障。例如，固化可固化组合物还可以支撑井孔中的导管。
在补注水泥实施方式中，例如，在挤压注水泥操作或在放置水泥塞中，可以使用可固化组合物。例如，可以将可固化组合物放置在井孔以插塞地层、砾石填充、导管、水泥护套、和/或水泥护套和导管之间的微环中的开口如空隙或裂缝。
尽管之前的描述旨在在地下注水泥方法中使用具有已经改变的平均粒径的水泥窑粉尘，应当理解的是，本技术的实施方式还包括在任何多种不同的地下处理中使用改变粒径的水泥窑粉尘。例如，地下处理方法可以包括提供含有改变粒径的水泥窑粉尘的处理流体，以及将处理流体引入地下地层中。具有已经改变的平均粒径的水泥窑粉尘可以包括在可以用于地下处理中的任何许多井处理流体中，包括钻井液、完井液、间隔液、刺激液、以及洗井液。例如，钻井液可以包括减小粒径的水泥窑粉尘，其中，钻井液可以通过钻杆和钻头向下流通，然后通过井孔向上流通至表面。使用的钻井液可以是任何数量的流体(气体或液体)以及流体和固体的混合物(例如，固体悬浮液、混合物、以及乳液)。
在一些实施方式中，隔离液可以包括具有已经改变的平均粒径的水泥窑粉尘。例如，在移位来自井孔的流体中可以使用隔离液。在一种实施方式中，通过隔离液移位的流体包括钻井液。通过实例，隔离液可以用于移位来自井孔的钻井液。钻井液可以包括，例如，任何数量的流体，如固体悬浮液、混合物、以及乳液。本方法的实施方式中的额外的步骤可以包括将管柱引入井孔中，将水泥组合物引入井孔中，隔离液将水泥组合物和第一流体分开。在一种实施方式中，可以允许水泥组合物在井孔中固化。水泥组合物可以包括，例如水泥和水。
因此，本发明的实施方式公开了包含具有已经改变的平均粒径的水泥窑粉尘的方法和组合物。对于本发明的方法和组合物，可以存在一些潜在的优势，本文中仅可能提到其中的一些。本发明的实施方式的许多潜在的优势之一是减小水泥窑粉尘的粒径可以导致固化之后可固化组合物的抗压强度的增加。例如，已经显示：与使用尺寸减小之前的水泥窑粉尘相比，具有减小的粒径的水泥窑粉尘的组合物具有增加的抗压强度。另一个潜在的优势是：改变水泥窑粉尘的平均粒径可以影响包含水泥窑粉尘的组合物的胶凝时间。又一个潜在的优势是：例如，基于空隙的尺寸可以选择性地改变水泥窑粉尘的平均粒径。由于已经优化水泥窑粉尘的粒径，这可以潜在地产生更有效的补注水泥方法。
为了便于更好地理解本发明，给出了以下一些实施方式的某些方面的实施例。决不应该将以下实施例理解为限制或限定本发明的范围。
实施例1
进行以下系列测试以评估包含具有已经减小的平均粒径的水泥窑粉尘的可固化组合物的耐力性能。通过将250g的水泥窑粉尘加入至267.3g的自来水，同时对于各试样以4,000rpm在韦林氏混合器中混合15秒，随后以12,000rpm混合35秒制备两种不同的试样可固化组合物，称为试样1和2。试样1包含未研磨的水泥窑粉尘，而研磨包含在试样2中的水泥窑粉尘以减小粒径。然后，将试样1和2中的每一个置于密封的圆柱形容器中，2英寸直径×4英寸高度。将每一个容器置于140°F下的水浴中并且允许固化96小时。然后，从水浴中移出每一个容器，允许冷却，并且将圆柱形试样脱模。然后，将圆柱形试样置于Tinius Olsen测试仪中，并且测定抗压强度。根据API RP Practice 10B-2，Recommended Practice forTesting Well Cements，进行抗压强度测试。
试样1包括水(106.93％bwoc)和水泥窑粉尘(100％bwoc)。水泥窑粉尘未被研磨并且具有约18.7微米的平均粒径。试样1具有12lb/gal的密度。
试样2包括水(106.93％bwoc)和研磨的水泥窑粉尘(100％bwoc)。使用从SPEX Sample Prep可获得的8000球磨机，将试样2中的水泥窑粉尘由18.7微米的平均粒径研磨至5.9微米的平均粒径。试样2具有68.45％的平均粒径减小。在研磨器中将水泥窑粉尘研磨约30分钟至约1小时的时间段。试样2具有12lb/gal的密度。
以下表1中提供了抗压强度测试的结果。以下表格中记录的数据是针对各试样可固化组合物的3次测试的平均。
表1
抗压强度测试
因此，实施例1表明：与未研磨的水泥窑粉尘相比，减小水泥窑粉尘的粒径可以增加可固化组合物的抗压强度。例如，在140°F下，与具有未研磨的水泥窑粉尘的试样1的64.3psi的96小时抗压强度相比，具有研磨至5.9微米的平均粒径的水泥窑粉尘的试样2具有169.5psi的96小时抗压强度。
实施例2
进行另外系列测试以进一步评估包含具有已经减小的平均粒径的水泥窑粉尘的可固化组合物的耐力性能。通过将200g的水泥窑粉尘加入至213.9g的自来水，同时对于各试样以4,000rpm在韦林氏混合器中混合15秒，随后以12,000rpm混合35秒制备两种不同的试样可固化组合物，称为试样3和4。试样3包含未研磨的水泥窑粉尘，而研磨试样4中的水泥窑粉尘以减小颗粒。然后，将各试样置于来自Fann Instruments，Houston，TX的超声水泥分析仪(“UCA”)中。在UCA中，在140°F和8,000psi下，随着时间的推移测定各试样的抗压强度。根据API RP Practice 10B-2，Recommended Practice for Testing Well Cements，进行抗压强度测试。
试样3包括水(106.93％bwoc)和水泥窑粉尘(100％bwoc)。水泥窑粉尘未被研磨并且具有约18.7微米的平均粒径。试样3具有12lb/gal的密度。
试样4包括水(106.93％bwoc)和研磨的水泥窑粉尘(100％bwoc)。使用从SPEX Sample Prep可获得的8000球磨机，将试样4中的水泥窑粉尘由18.7微米的平均粒径研磨至9.7微米的平均粒径。试样4具有48.13％的平均粒径减小。在研磨器中将水泥窑粉尘研磨约30分钟至约1小时的时间段。试样4具有12lb/gal的密度。
以下表2中提供了抗压强度测试的结果。以下表中记录的数据是通过UCA在12小时和24小时下记录的抗压强度。
表2
UCA抗压强度测试
因此，实施例2表明：与未研磨的水泥窑粉尘相比，减小水泥窑粉尘的粒径可以增加可固化组合物的抗压强度。例如，在140°F下，与具有未研磨的水泥窑粉尘的试样3的153psi的12小时抗压强度相比，具有研磨至9.7微米的平均粒径的水泥窑粉尘的试样4具有298psi的12小时抗压强度。
应当理解，以术语“包含”、“包括”、或“含有”各组分或步骤描述组合物和方法，组合物和方法还可以“基本上由各组分和步骤组成”或“由各组分和步骤组成”。此外，如在权利要求中使用的不定冠词“一个”或“一种”在本文中定义为指其引进的元素(元件)中的一种或多于一种。
为了简洁，本文中仅明确公开了某些范围。然而，来自任何下限的范围可以与任何上限结合以列举没有明确列举的范围，以及来自任何下限的范围可以与任何其他下限结合以列举没有明确列举的范围，以同样的方式，来自任何上限的范围可以与任何其他上限结合以列举没有明确列举的范围。此外，每当公开具有下限和上限的数值范围时，具体公开了任何数值和任何包括的范围落入该范围内。特别地，即使没有明确列举，本文中公开的每一个数值范围(形式，“从约a至约b”，或相当于“从约a至b”，或相当于“从约a-b”)也应理解为给出包括在较宽数值范围内的每一个数值和范围。因此，每一个点或单个值可以作为与任何其他点或单个值或任何其他下限或上限结合的它自己的下限或上限，以列举没有明确列举的范围。
因此，本发明很好地适于获得所提及的目的和优点以及其中固有的那些。由于可以以对于本领域技术人员显而易见并且在本文中具有启示利益的不同但等同的方式修改并且实践本发明，使得以上公开的特定实施方式仅是示例性的。尽管公开了单个的实施方式，本发明覆盖所有那些实施方式的所述组合。此外，除了如在以下权利要求中所描述的之外，没有旨在限制本文中示出的构造或设计的细节。同样，除了专利权人另外明确并且清楚地定义之外，权利要求中的术语具有它们明白的、普通的含义。因此，显而易见的是：可以改变或修改以上公开的特定示例性实施方式，并且所有这些变体考虑在本发明的范围和精神内。如果该说明书以及通过引用可以合并在本文中的一种或多种专利或其他文献中的词语或术语的用法中存在任何冲突，应当采用与该说明书一致的定义。
Claims (44)
1.一种地下处理方法，包括：
将处理流体引入地下地层，其中，所述处理流体包括通过研磨、分离或它们的组合具有已经改变的平均粒径的水泥窑粉尘。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述水泥窑粉尘的平均粒径比它的原始尺寸大至少5％。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述水泥窑粉尘的平均粒径比它的原始尺寸小至少5％。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述水泥窑粉尘的平均粒径在约1微米至约350微米的范围内。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述处理流体是可固化组合物。
6.一种地下处理方法，包括：
将处理流体引入地下地层，其中，所述处理流体包括具有由它的原始尺寸已经减小的平均粒径的水泥窑粉尘。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述水泥窑粉尘的平均粒径小于约15微米。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述水泥窑粉尘的平均粒径在它的原始尺寸的约5％至约95％的范围内。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述水泥窑粉尘的平均粒径已经通过研磨、分离或它们的组合而减小。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述处理流体包括选自由以下所组成的组的液体：钻井液、完井液、隔离液、刺激液、洗井液、以及它们的任意组合。
11.根据权利要求6所述的方法，其中，所述处理流体是可固化组合物，并且其中，所述方法进一步包括允许可固化组合物在地下地层中固化。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述水泥窑粉尘的平均粒径已经以足以提供使用超声水泥分析仪同时维持在140°F和3,000psi下测定的至少约5％的24小时抗压强度的增加的量而减小。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述水泥窑粉尘的所述平均粒径已经以足以提供使用超声水泥分析仪同时维持在140°F和3,000psi下测定的至少约50％的24小时抗压强度的增加的量减小。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述水泥窑粉尘以按重量计约1％至100％的所述可固化组合物中的水泥基组分的范围内的量存在于所述可固化组合物中。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，通过包括将水泥窑粉尘与额外的添加剂相互研磨的方法制备所述水泥窑粉尘。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述额外的添加剂包括选自由以下所组成的组的添加剂：水凝水泥、飞尘、矿渣、页岩、沸石、偏高岭土、浮石、珍珠岩、石灰、石灰窑灰、二氧化硅、稻壳灰、超细水泥、以及它们的任何组合。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，水以足以形成可泵送浆料的量存在于所述可固化组合物中。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述可固化组合物进一步包含选自由以下所组成的组的添加剂：缓凝添加剂、强度衰减添加剂、促凝剂、增重剂、轻质添加剂、气体发生添加剂、机械性能增强添加剂、堵漏材料、过滤控制添加剂、分散剂、流体损失控制添加剂、消泡剂、发泡剂、油溶胀性颗粒、水溶胀性颗粒、触变添加剂、以及它们的任何组合。
19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述可固化组合物进一步包含选自由以下所组成的组的添加剂：水凝水泥、飞尘、矿渣、页岩、沸石、偏高岭土、浮石、珍珠岩、石灰、石灰窑灰、二氧化硅、稻壳灰、超细水泥、盐、纤维、水凝粘土、微球、弹性体、弹性体颗粒、树脂、乳液、以及它们的任何组合。
20.根据权利要求11所述的方法，其中，所述可固化组合物被引入管柱和井孔壁之间的空间。
21.一种地下处理方法，包括：
将处理流体引入地下地层，其中，所述处理流体包括已经磨细的水泥窑粉尘。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述水泥窑粉尘具有小于约15微米的平均粒径。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述水泥窑粉尘具有约5％至约95％的它的原始尺寸的范围内的平均粒径。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，所述处理流体包括选自由以下所组成的组的液体：钻井液、完井液、隔离液、刺激液、洗井液、以及它们的任意组合。
25.根据权利要求21所述的方法，其中，所述处理流体是可固化组合物，并且其中，所述方法进一步包括允许所述可固化组合物在地下地层中固化。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述水泥窑粉尘的平均粒径已经以足以提供使用超声水泥分析仪同时维持在140°F和3,000psi下测定的至少约5％的24小时抗压强度的增加的量而减小。
27.根据权利要求25所述的方法，其中，所述水泥窑粉尘的平均粒径已经以足以提供使用超声水泥分析仪同时维持在140°F和3,000psi下测定的至少约50％的24小时抗压强度的增加的量而减小。
28.根据权利要求25所述的方法，其中，所述水泥窑粉尘以按重量计约1％至约50％的所述可固化组合物中的水泥基组分的范围内的量存在于所述可固化组合物中。
29.根据权利要求25所述的方法，其中，所述水泥窑粉尘以按重量计约50％至100％的所述可固化组合物中的水泥基组分的范围内的量存在于所述可固化组合物中。
30.根据权利要求25所述的方法，其中，通过包括将水泥窑粉尘与额外的添加剂相互研磨的方法制备所述水泥窑粉尘。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述额外的添加剂包括选自由以下所组成的组的添加剂：水凝水泥、飞尘、矿渣、页岩、沸石、偏高岭土、浮石、珍珠岩、石灰、石灰窑灰、二氧化硅、稻壳灰、超细水泥、以及它们的任何组合。
32.根据权利要求25所述的方法，其中，水以足以形成可泵送浆料的量存在于所述可固化组合物中。
33.根据权利要求25所述的方法，其中，所述可固化组合物进一步包含选自由以下所组成的组的添加剂：缓凝添加剂、强度衰减添加剂、促凝剂、增重剂、轻质添加剂、气体发生添加剂、机械性能增强添加剂、堵漏材料、过滤控制添加剂、分散剂、流体损失控制添加剂、消泡剂、发泡剂、油溶胀性颗粒、水溶胀性颗粒、触变添加剂、以及它们的任何组合。
34.根据权利要求25所述的方法，其中，所述可固化组合物进一步包含选自由以下所组成的组的添加剂：水凝水泥、飞尘、矿渣、页岩、沸石、偏高岭土、浮石、珍珠岩、石灰、石灰窑灰、二氧化硅、稻壳灰、超细水泥、盐、纤维、水凝粘土、微球、弹性体、弹性体颗粒、树脂、乳液、以及它们的任何组合。
35.根据权利要求25所述的方法，其中，所述可固化组合物被引入管柱和井孔壁之间的空间。
36.一种制备水泥窑粉尘的方法，包括：
提供具有原始粒径的水泥窑粉尘；以及
通过研磨、分离或它们的组合，将所述水泥窑粉尘的平均粒径由原始尺寸改变。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，将所述水泥窑粉尘的平均粒径改变为比它的原始尺寸大至少5％。
38.根据权利要求36所述的方法，其中，将所述水泥窑粉尘的平均粒径改变为比它的原始尺寸小至少5％。
39.一种井处理流体，包含：
通过研磨、分离或它们的组合，具有已经由它的原始尺寸改变的平均粒径的水泥窑粉尘。
40.根据权利要求39所述的井处理流体，其中，已经将所述水泥窑粉尘的平均粒径改变为比它的原始尺寸大至少5％。
41.根据权利要求39所述的井处理流体，其中，已经将所述水泥窑粉尘的平均粒径改变为比它的原始尺寸小至少5％。
42.一种用于可固化组合物的添加剂，包含：
通过研磨、分离或它们的组合，具有已经由它的原始尺寸改变的平均粒径的水泥窑粉尘。
43.根据权利要求42所述的添加剂，其中，已经将所述水泥窑粉尘的平均粒径改变为比它的原始尺寸大至少5％。
44.根据权利要求42所述的添加剂，其中，已经将所述水泥窑粉尘的平均粒径改变为比它的原始尺寸小至少5％。
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