CN105829492A - 火山灰石灰水泥组合物的可调控制 - Google Patents

火山灰石灰水泥组合物的可调控制 Download PDF

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Abstract

本文公开水泥组合物和在地下地层中使用水泥组合物的方法。实施方案公开配制水泥组合物的方法。所述方法可包括测量一组火山灰的表面积，其中所述组的火山灰的所测量最小表面积和所述组的火山灰的所测量最大表面积相差约50％或更大。所述方法还可包括从所述组的火山灰选择一种或多种火山灰。所述方法还可包括将包含石灰和水的组分加入所述所选择的一种或多种火山灰以便形成水泥组合物。

Description

火山灰石灰水泥组合物的可调控制
背景
本发明的实施方案涉及水泥组合物，并且在特定实施方案中，涉及控制包含火山灰和石灰的水泥组合物的特性。
水泥组合物可在多种地下操作中使用。例如，在地下井施工中，管柱(例如，套管、衬管、膨胀管等)可伸入井筒中并且用水泥固定在适当位置。将管柱用水泥固定在适当位置的方法通常称为“初次注水泥”。在典型的初次注水泥方法中，水泥组合物可被泵送入井筒的壁与设置在井筒中的管柱的外表面之间的环带中。水泥组合物可在环状空间中凝固，由此形成具有硬化的、大致上不可透水泥的环状护套(即水泥护套)，所述环状护套可将管柱支撑并定位在井筒中并且可将管柱的外表面粘结到地下地层。除了其他情况之外，围绕管柱的水泥护套防止环带中流体的迁移，并且保护管柱不受腐蚀。水泥组合物还可用于补注水泥方法中，例如，用于密封管柱或水泥护套中的裂痕或孔洞，用于密封高渗透地层区域或断口，或用于放置水泥塞等等。
广泛多种的水泥组合物已用于地下注水泥操作中。在一些情况中，已使用延迟凝固的水泥组合物。延迟凝固的水泥组合物由能够在静止存储时在室温(例如，约80℉)下保持在可泵送流体状态达至少约一天(例如，约7天、约2周、约2年或更久)来表征。当需要使用时，延迟凝固的水泥组合物应能够活化并且由此产生合理的抗压强度。例如，水泥凝固活化剂可被加入延迟凝固的水泥组合物中以诱导所述组合物凝固成硬化块。除了其他情况之外，延迟凝固的水泥组合物可适合用于井筒应用中，如希望提前制备水泥组合物的应用。这可允许水泥组合物在使用之前被存储。此外，这可允许在方便的位置处制备水泥组合物，之后运输到工作地点。因此，由于对现场大容量存储与混合设备的需要的减少，可减少资本支出。这可尤其适用于船载容器的空间可能很有限的海上注水泥操作。
尽管迄今已经开发了水泥组合物和延迟凝固的水泥组合物，但当针对具体应用配制这些组合物时可能存在问题。例如，可能需要具有低反应性的组合物以使得所述组合物可维持低粘度，以便用于需要水泥组合物保持在可泵送流体状态达长时间段的应用。然而，当凝固来实际上成为适合的组合物以用于它们的预期用途时，这类低反应性流体可能不具有足够的抗压强度。通常，水泥组合物可使用添加剂来增强水泥特性(例如，抗压强度)。然而，添加剂可产生另外的成本以及与其他流体或与地层自身的相容性问题。因此，可能需要调整水泥组合物的特性，同时限制对调整水泥组合物的组合物构成的需要。
附图简述
这些图示出本发明方法和组合物的一些实施方案的某些方面，并且不应用来限制或限定所述方法和组合物。
图1示出根据某些实施方案的用于制备水泥组合物并将其输送到井筒的系统。
图2示出根据某些实施方案的可用于将水泥组合物放置在井筒中的地面设备。
图3示出根据某些实施方案将水泥组合物放置到井筒环带中。
详述
本发明的实施方案涉及水泥组合物，并且在特定实施方案中，涉及控制包含火山灰和石灰的水泥组合物的特性。例如，水泥组合物的特性可针对具体应用加以调节。实施方案可包括基于表面积和/或粒度来选择火山灰，并且其他任选的实施方案可包括共混两种或更多种火山灰以便控制水泥组合物的特性。
水泥组合物的实施方案通常可包含水、火山灰和石灰。任选地，水泥组合物还可包含分散剂和/或缓凝剂。包含缓凝剂的水泥组合物的实施方案可被延迟凝固，以使得能够保持在可泵送流体状态达延长时间段。例如，延迟凝固的水泥组合物可保持在可泵送流体状态达至少约1天或更长。水泥组合物可适用于多种注水泥操作；它们可尤其适用于具有相对低的底孔静态温度(例如，约200℉或更小或在约100℉至约200℉范围内的温度)的地下地层中。在替代实施方案中，水泥组合物可用于具有可达约450℉或更高的底孔静态温度的地下地层中。
用于实施方案中的水可来自于任何来源，只要它不含可能不合需要地影响水泥组合物中的其他组分的过量化合物即可。例如，水泥组合物可包含淡水或盐水(saltwater)。盐水中通常可包括一种或多种溶解的盐并且可根据特定应用的需要为饱和或不饱和的。海水或盐水(brine)可适合在实施方案中使用。此外，水可以足以形成可泵送浆液的量存在。在某些实施方案中，水可以在火山灰的约33重量％至约200重量％范围内的量存在于水泥组合物中。在某些实施方案中，水可以在火山灰的约35重量％至约70重量％范围内的量存在于水泥组合物中。受益于本公开的益处，本领域的普通技术人员将会认识到用于选定应用的水的适当量。
水泥组合物的实施方案可包含火山灰。多种不同的火山灰可适用于实施方案。包含火山灰的示例性实施方案可包含粉煤灰、硅粉、偏高岭土、天然火山灰(例如，浮石)或其组合。在一些实施方案中，水泥组合物中存在的胶结组分可基本上由火山灰组成。例如，胶结组分可主要包含火山灰，而没有在水的存在下水硬凝固的任何附加胶结组分(例如，波特兰水泥)。
适合的火山灰的实例可包括粉煤灰。多种粉煤灰可适用于具体实施方案，包括根据美国石油学会的APISpecificationforMaterialsandTestingforWellCements,APISpecification10,第五版,1990年7月1日被分类为C级和F级粉煤灰的粉煤灰。C级粉煤灰包括二氧化硅和石灰，所以它可在与水混合之后凝固来形成硬化块。F级粉煤灰通常不含诱导胶结反应的足量石灰，因此，另外的钙离子源对于包含F级粉煤灰的水泥组合物来说是必需的。在一些实施方案中，石灰可与在粉煤灰的约0.1重量％至约100重量％范围内的量的F级粉煤灰混合。在一些情况中，石灰可以是水合石灰。粉煤灰的适合实例包括但不限于可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,Texas的A水泥添加剂。
适合的火山灰的实例可包括偏高岭土。通常，偏高岭土是可通过将高岭土加热到在约600℃至约800℃范围内的温度制备的白色火山灰。
适合的火山灰的实例可包括天然火山灰。天然火山灰通常存在于地球表面并且在水合石灰和水的存在下凝固并硬化。例如，浮石是天然火山灰。浮石是可表现出胶结特性的火山岩。适合的浮石的实例可购自HessPumiceProducts,Inc.,Malad,Idaho，如DS-325轻骨料。包含天然火山灰的浮石示例性实施方案可包含浮石、硅藻土、火山灰、乳白色页岩、凝灰岩和其组合。天然火山灰可为研磨或未研磨的。
通常，根据对特定应用的需要，火山灰可具有任何粒度分布。如本文所使用，“粒度”是指与比表面积相关的体积表面平均直径(“DS”)。体积表面平均直径可由下式来定义：DS＝6/(ΦSAwρp)，其中ΦS＝圆球度；Aw＝比表面积并且ρp＝颗粒密度。应理解，粒度可基于测量技术、样本制备和样本条件(例如，温度、浓度等)变化。在某些实施方案中，火山灰可具有在约1微米至约200微米范围内的d50粒度分布。d50值可通过粒度分析器来测量，所述粒度分析器诸如由MalvernInstruments,Worcestershire,UnitedKingdom制造的那些分析器。在具体实施方案中，火山灰可具有约1微米至约200微米、约5微米至约100微米或约10微米至约25微米范围内的d50粒度分布。在特定实施方案中，火山灰可具有约15微米或更小的d50粒度分布。适合火山灰的实例可购自HessPumiceProducts,Inc.,Malad,Idaho，其为DS-325轻骨料浮石，所述DS-325轻骨料具有约12-17微米的d50粒度分布。
通常，根据特定应用的需要，火山灰可具有任何大小的表面积。如本文所使用，“表面积”被定义为颗粒面和曲面的总面积。比表面积可通过在颗粒表面上测量气体吸附的布鲁诺－埃梅特－特勒方法来计算。在某些实施方案中，火山灰可具有在约1m2/g至约500m2/g或甚至更大的范围内的表面积。表面积值可通过Quantachrome2200e表面积分析器来测量，所述表面积分析器诸如QuantachromeInstruments,BoyntonBeach,Florida制造的那些分析器。在具体实施方案中，火山灰可具有约1m2/g至约20m2/g、约5m2/g至约20m2/g或约10m2/g至约15m2/g范围内的表面积。在特定实施方案中，火山灰可具有约20m2/g或更小的表面积。适合的火山灰的实例可购自HessPumiceProducts,Inc.,Malad,Idaho，所述火山灰是DS-325轻骨料浮石，其具有约20m2/g或更小的表面积分布。
应当理解，过小的粒度可能具有可混性问题，而过大的粒度可能不能有效悬浮在水泥组合物中。类似地，过大的表面积可能反应性过大并且过早胶凝或凝固，而过小的表面积可能反应性过低并且不能足够快的凝固或提供足够的抗压强度。因此，实施方案包括基于粒度的尺寸和表面积选择火山灰，以使得储存寿命、流变性和抗压强度可被调节来提供具有特定应用所需的具体特性的水泥组合物。
在实施方案中，火山灰可包括具有不同表面积和/或不同粒度的两种或更多种火山灰。例如，火山灰可包括具有相差多达50％或更大的粒度的火山灰，以使得两种或更多种火山灰的火山灰颗粒可具有相差约10％、约20％、约30％、约40％、约50％或更大的粒度。作为另一实例，火山灰可包括具有相差50％或更大的表面积的火山灰，以使得两种或更多种火山灰的火山灰颗粒可具有相差约10％、约20％、约30％、约40％、约50％或更大的表面积。在特定实施方案中，可使用具有相差约10％或更小的粒度，但是具有相差约10％或更大的表面积的两种或更多种火山灰。例如，两种或更多种火山灰的表面积可相差约10％、约20％、约30％、约40％、约50％或更大，而粒度相差约10％、约5％或更小。两种或更多种火山灰可以是相同类型的火山灰(例如，浮石)，但具有不同的表面积。在实施方案中，需要具有粒度和/或表面积的具体分布的颗粒，因此可能有必要选择并隔离火山灰颗粒。
本发明技术的实施方案可包括测量一组火山灰的粒度和表面积和/或根据那些测量值来将火山灰分类。所述组的火山灰可包括相同类型但具有不同粒度和/或表面积的火山灰。可通过任何充分手段测量粒度和表面积，诸如本文讨论的那些技术。一旦粒度和表面积已被测量，就可根据那些测量值将火山灰分类。火山灰的分类可包括将火山灰隔离并组织成群组或类别，所述群组或类别对粒度和/或表面积分布的预定范围是特定的。替代地，分类可包括过滤。在实施方案中，可通过任何充分手段过滤火山灰，以使得基于粒度、表面积或两者通过过滤将火山灰分类为两个或更多个组。基于粒度和/或表面积隔离和分类火山灰颗粒可允许火山灰特性的调节，所述火山灰特性诸如储存寿命、流变性、抗压强度和总反应性。受益于本公开的益处的本领域的普通技术人员应该能够隔离适用于选定应用的火山灰(或多种火山灰)并选择所述粒度和/或表面积。
在实施方案中，火山灰可包括两种或更多种火山灰的共混物。例如，一种或多种干火山灰可与一种或多种干火山灰共混。替代地，一种或多种湿火山灰可与一种或多种干火山灰共混。此外，一种或多种湿火山灰可与一种或多种湿火山灰共混。火山灰的共混物可包括两种或更多种不同类型的火山灰的共混物，例如，粉煤灰和浮石的共混物，和/或所述共混物可包括两种或更多种相同类型的具有不同表面积和/或粒度的颗粒的火山灰(例如，浮石)的共混物，例如，包括18m2/g的表面积的浮石和包括12m2/g的表面积的浮石的共混物。基于类型和/或粒度和/或表面积的火山灰的共混可允许配制包括适用于具体应用的储存寿命、流变性、抗压强度和总反应性的火山灰泥浆。例如，包括高表面积的火山灰可与足够量的包括低表面积的火山灰的共混，以使得总体共混物具有长储存寿命并维持低粘度，而且还在凝固之后具有足够的抗压强度。受益于本公开的益处的本领域的普通技术人员应该能够共混两种或更多种火山灰以便产生适用于选定应用的水泥组合物。
在实施方案中，可使用任何充分机制或技术来共混火山灰。例如，可通过分批或连续混合器(例如，旋转混合器、带状混合器、桨犁式混合器等等)共混火山灰。共混火山灰的工艺可能需要以不诱导火山灰的粒度或表面积的进一步改变的方式控制混合设备。尽管可通过足以产生共混组合物的任何这类机制或技术共混火山灰，但最小化对颗粒的粒度或表面积的改变的机制或技术是优选的。可以任何比率共混火山灰以便实现针对具体应用所必需的具体范围的特性。例如，变化表面积和粒度的火山灰可被共混来使得所共混的火山灰能够保持在可泵送流体状态大于5天，而一旦火山灰已凝固，对所述火山灰的抗压强度的影响最小或没有影响。作为另一实例，一种火山灰与另一种火山灰的比率可为约10:90、20:80、30:70、40:60、50:50、60:40、70:30、80:20或约90:10。受益于本公开的益处的本领域的普通技术人员应该能够共混两种或更多种火山灰以便产生适合用于选定应用的水泥组合物。
水泥组合物的实施方案可包含石灰。此外，在一些实施方案中石灰可包括水合石灰。如本文所使用，术语“水合石灰”将理解为是指氢氧化钙。在一些实施方案中，石灰可提供为生石灰(氧化钙)，所述生石灰在与水混合时发生水合以形成水合石灰。石灰可包括在水泥组合物的实施方案中例如以便形成具有火山灰的水硬组合物。例如，石灰可以约10:1至约1:1的火山灰对石灰重量比率或约3:1至约5:1的比率被包括。在存在时，石灰可例如以在火山灰的约10重量％至约100重量％范围内的量包括在水泥组合物中。在一些实施方案中，石灰可以在火山灰的约10重量％、约20重量％、约40重量％、约60重量％、约80重量％或约100重量％的任何量之间的范围内和/或包括任何量的量存在。受益于本公开益处的本领域的普通技术人员将会认识到针对所选应用来包括的石灰的量。
水泥组合物的实施方案可包含凝固缓凝剂。宽范围的凝固缓凝剂可适合在水泥组合物中使用。例如，凝固缓凝剂可包括膦酸，诸如乙二胺四(亚甲基膦酸)、二亚乙基三胺五(亚甲基膦酸)等；木质素磺酸盐，诸如木质素磺酸钠、木质素磺酸钙等；盐，诸如硫酸亚锡、乙酸铅、磷酸二氢钙；有机酸，诸如柠檬酸、酒石酸等；纤维素衍生物，诸如羟乙基纤维素(HEC)和羧甲基羟乙基纤维素(CMHEC)；包含磺酸酯基和羧酸基的合成共聚物或三元聚合物，诸如磺酸酯官能化的丙烯酰胺-丙烯酸共聚物；硼酸盐化合物，诸如碱性硼酸盐、偏硼酸钠、四硼酸钠、五硼酸钾；其衍生物或其混合物。适合的凝固缓凝剂的实例包括膦酸衍生物以及其他。适合的凝固缓凝剂的一个实例是可购自HalliburtonEnergyServices,Inc的Micro水泥缓凝剂。通常，凝固缓凝剂可以足够延迟凝固一段所需时间的量存在于水泥组合物中。在一些实施方案中，凝固缓凝剂可以在火山灰的约0.01重量％至约10重量％范围内的量存在于水泥组合物中。在具体实施方案中，凝固缓凝剂可以在火山灰的约0.01重量％、约0.1重量％、约1重量％、约2重量％、约4重量％、约6重量％、约8重量％或约10重量％的任何量之间的范围内和/或包括任何量的量存在。受益于本公开的益处的本领域的普通技术人员将会认识到针对选定应用来包括的凝固缓凝剂的适当量。
如先前所提及，水泥组合物的实施方案可任选地包含分散剂。适合的分散剂的实例包括但不限于基于磺化甲醛的分散剂(例如，磺化丙酮甲醛缩合物)，其实例可包括可购自GeoSpecialtyChemicals,Ambler,Pennsylvania的19分散剂。其他适合的分散剂可以是聚羧酸醚分散剂，诸如可购自BASFCorporationHouston,Texas的5581F和514L分散剂，或可购自Coatex,Genay,France的EthacrylTMG分散剂。适合的可商购分散剂的另外实例是可购自HalliburtonEnergyServices,Inc,Houston,Texas的CFRTM-3分散剂。514L分散剂可包含溶于水中的36重量％的聚羧酸醚。尽管多种分散剂可根据实施方案来使用，聚羧酸醚分散剂可特别适合在一些实施方案中使用。在不受理论限制的情况下，据信聚羧酸醚分散剂可协同地与水泥组合物的其他任选组分相互作用。例如，据信聚羧酸醚分散剂可与某些凝固缓凝剂(例如，膦酸衍生物)反应，从而引起在延长的时间段内悬浮组合物中的火山灰和石灰的凝胶的形成。
在一些实施方案中，分散剂可以在火山灰的约0.01重量％至约5重量％范围内的量包括在水泥组合物中。在具体实施方案中，分散剂可以在火山灰的约0.01重量％、约0.1重量％、约0.5重量％、约1重量％、约2重量％、约3重量％、约4重量％或约5重量％的任何量之间的范围内和/或包括任何量的量范围存在。受益于本公开的益处的本领域的普通技术人员将会认识到针对选定应用来包括的分散剂的适当量。
水泥组合物的一些实施方案可包含除了火山灰之外的二氧化硅源；例如，结晶二氧化硅和/或无定形二氧化硅。结晶二氧化硅是可包括在水泥组合物的实施方案中例如以便防止水泥抗压强度衰退的粉末。无定形二氧化硅是可包括在水泥组合物的实施方案中作为轻型填料和/或以便增加水泥抗压强度的粉末。无定形二氧化硅通常是硅铁合金生产工艺的副产物，其中所述无定形二氧化硅可通过气态低氧化硅即SiO的氧化和冷凝来形成，所述气态低氧化硅是作为工艺中的中间物形成。无定形二氧化硅的适合来源的实例是可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,Texas的SilicaliteTM水泥添加剂。包含另外的二氧化硅来源的实施方案可根据需要利用另外的二氧化硅来源以便增加抗压强度或延长凝固时间。
适合于在注水泥操作中使用的其他添加剂还可包括在水泥组合物的实施方案中。这类添加剂的实例包括但不限于：加重剂、轻质添加剂、产气添加剂、机械性能增强添加剂、堵漏材料、过滤控制添加剂、失液量控制添加剂、消泡剂、发泡剂、触变性添加剂和其组合。在实施方案中，这些添加剂的一种或多种可在存储之后但是在放置水泥组合物之前加入水泥组合物中。受益于本公开的益处的本领域的普通技术人员应很容易能够确定用于特定应用并实现所需结果的添加剂的类型和量。
本领域的普通技术人员将理解水泥组合物的实施方案应通常具有适合用于特定应用的密度。例如，水泥组合物可具有约4磅每加仑(“lb/gal”)至约20lb/gal范围内的密度。在某些实施方案中，水泥组合物可具有约8lb/gal至约17lb/gal范围内的密度。水泥组合物的实施方案可为发泡的或未发泡的，或者可包含其他方式来降低它们的密度，诸如中空微球、低密度弹性珠或本领域已知的其他降低密度的添加剂。在实施方案中，加重添加剂可用来增加水泥组合物的密度。适合的加重添加剂的实例可包括重晶石、赤铁矿、黑锰矿、碳酸钙、菱铁矿、钛铁矿或其组合。在特定实施方案中，加重添加剂可具有3或更大的比重。受益于本公开的益处的本领域的普通技术人员将会认识到用于特定应用的适当密度。
如先前所提及，已被缓凝使得水泥组合物包括延迟凝固状态的水泥组合物可能能够在静止存放时在室温(例如，约80℉)下保持在可泵送流体状态达至少约一天(例如，至少约1天、约2周、约2年或更长)。例如，延迟凝固的水泥组合物可保持在可泵送流体状态达约1天至约7天或更长的一段时间。在一些实施方案中，延迟凝固的水泥组合物可保持在可泵送流体状态达至少约1天、约7天、约10天、约20天、约30天、约40天、约50天、约60天或更长。组合物可在保持在可泵送流体状态的同时被存储直到被需要。此外，组合物可在保持在可泵送流体状态的同时被运输。在流体具有小于70伯登稠度单位(“Bc”)的稠度的情况下，所述流体被认为处于可泵送流体状态，所述稠度是根据APIRPPractice10B-2,RecommendedPracticeforTestingWellCements,第一版,2005年7月中阐述的用于测定水泥增稠时间的程序在加压稠度计上测量。
如下文在实施例中所示，具有较小表面积的火山灰(例如，浮石)可在一些实施方案中用于延迟凝固的水泥组合物的制备。火山灰的较小表面积可减少更高反应性火山灰胶凝或以其他方式与水泥组合物的其他组分相互作用的趋势。在特定实施方案中，用于延迟凝固的水泥组合物中的火山灰可具有约2m2/g至约10m2/g并且替代地约3m2/g至约7m2/g的表面。在一些实施方案中，具有较高表面积(例如，>10m2/g)的火山灰可与较小表面积的火山灰共混以便提供增大的活性。例如，较小表面积的浮石可与大表面积的浮石共混。
当需要使用时，缓凝/延迟凝固的水泥组合物的实施方案可被活化(例如，通过与活化剂组合或通过热活化)来凝固成硬化块。如在本文所使用，术语“水泥凝固活化剂”或“活化剂”是指一种添加剂，所述添加剂活化延迟凝固和/或缓凝水泥组合物并且还可加速延迟凝固和/或缓凝水泥组合物的凝固。例如，延迟凝固的水泥组合物的实施方案可被活化来在约1小时至约12小时范围内的时间段中形成硬化块。例如，延迟凝固的水泥组合物的实施方案可凝固来在约1天、约2天、约4天、约6天、约8天、约10天或约12天的任何时间之间的范围内和/或包括任何时间的时间段内形成硬化块。
实施方案可包括将水泥凝固活化剂加入缓凝和/或延迟凝固的水泥组合物的实施方案中。适合的水泥凝固活化剂的实例包括但不限于：沸石；胺类，诸如三乙醇胺、二乙醇胺；硅酸盐，诸如硅酸钠；甲酸锌；乙酸钙；IA族和IIA族氢氧化物，诸如氢氧化钠、氢氧化镁和氢氧化钙；一价盐，诸如氯化钠；二价盐，诸如氯化钙；纳米二氧化硅(即，具有小于或等于约100纳米的粒度的二氧化硅)；多磷酸盐；和其组合。在一些实施方案中，多磷酸盐和一价盐的组合可用于活化。一价盐可以是解离来形成一价阳离子的任何盐，诸如钠盐和钾盐。适合的一价盐的具体实例包括硫酸钾和硫酸钠。多种不同的多磷酸盐可与一价盐组合使用以用于缓凝和/或延迟凝固的水泥组合物的活化，包括聚合的偏磷酸盐、磷酸盐和其组合。可以使用的偏磷酸聚合物盐的具体实例包括六偏磷酸钠、三偏磷酸钠、四偏磷酸钠、五偏磷酸钠、七偏磷酸钠、八偏磷酸钠和其组合。适合的水泥凝固活化剂的具体实例包含硫酸钠和六偏磷酸钠的组合。在特定实施方案中，活化剂可作为液体添加剂提供并加入缓凝和/或延迟凝固的水泥组合物中，所述液体添加剂例如包含一价盐、多磷酸盐和任选地分散剂的液体添加剂。
水泥凝固活化剂可以足以诱导延迟凝固的水泥组合物凝固成硬化块的量加入缓凝和/或延迟凝固的水泥组合物的实施方案中。在某些实施方案中，水泥凝固活化剂可以在火山灰的约0.1重量％至约20重量％范围内的量加入缓凝和/或延迟凝固的水泥组合物中。在具体实施方案中，水泥凝固活化剂可以在火山灰的约0.1重量％、约1重量％、约5重量％、约10重量％、约15重量％或约20重量％的任何量之间的范围内和/或包括任何量的量存在。受益于本公开的益处的本领域的普通技术人员将会认识到针对选定应用来包括的水泥凝固活化剂的适当量。
在实施方案中，在活化之后，水泥组合物可凝固来具有合需要的抗压强度。抗压强度通常是材料或结构承受轴向指向的推力的能力。抗压强度可在组合物维持在规定温度和压力条件下一段规定时间时进行测量。可通过破坏性方法或非破坏性方法来测量抗压强度。破坏性方法通过在压缩测试机中压碎样本来物理地测试处理流体样本在各个时间点的强度。抗压强度是根据断裂载荷除以抵抗载荷的横截面积来计算并且以每平方英寸磅力(psi)为单位来报告。非破坏性方法可采用可购自FannInstrumentCompany,Houston,TX的UCATM超声水泥分析器。抗压强度值可根据APIRP10B-2,RecommendedPracticeforTestingWellCements,第一版,2005年7月来测定。
例如，水泥组合物可产生在约50psi至约5000psi、替代地在约100psi至约4500psi或替代地在约500psi至约4000psi范围内的24小时抗压强度。在一些实施方案中，水泥组合物可产生至少约50psi、至少约100psi、至少约500psi或更大的24小时抗压强度。在一些实施方案中，可使用破坏性方法或非破坏性方法在约100℉至约200℉范围内的温度下测定抗压强度值。
在一些实施方案中，水泥组合物可具有合需要的增稠时间。增稠时间通常是指流体(诸如水泥组合物)保持为能够被泵送的流体状态的时间。多种不同的实验室技术可用来测量增稠时间。根据上述APIRPPractice10B-2中阐述的程序操作的加压稠度计可用来测量流体是否处于可泵送流体状态。增稠时间可以是处理流体达到70Bc的时间并且可作为达到70Bc的时间来报告。在一些实施方案中，在3,000psi下和在约50℉至约400℉范围内、替代地约80℉至约250℉范围内的温度下并替代地在约140℉的温度下，水泥组合物可具有大于约1小时、替代地大于约2小时、替代地大于约5小时的增稠时间。
如本领域的普通技术人员将理解的，水泥组合物的实施方案可用在多种注水泥操作中，包括初次注水泥和补注水泥。在一些实施方案中，可提供包含水、火山灰和水合石灰的水泥组合物。水泥组合物可被引入地下地层中并且在所述地下地层中使之凝固。如在本文所使用，将水泥组合物引入地下地层中包括引入地下地层的任何部分中，包括但不限于引入钻入地下地层中的井筒中，引入围绕井筒的附近井筒区域中或引入上述两者中。
在一些实施方案中，可提供包含水、火山灰、石灰、凝固缓凝剂和任选地分散剂的延迟凝固的水泥组合物。延迟凝固的水泥组合物可被存储在例如器皿或其他适合的容器中。可允许延迟凝固的水泥组合物在所需时间段内保持存储。例如，延迟凝固的水泥组合物可在约1天或更长的时间段内保持存储。例如，延迟凝固的水泥组合物可在约1天、约2天、约5天、约7天、约10天、约20天、约30天、约40天、约50天、约60天或更长的时间段内保持存储。在一些实施方案中，延迟凝固的水泥组合物可在约1天至约7天或更长范围内的时间段内保持存储。然后，延迟凝固的水泥组合物可例如通过水泥凝固活化剂的添加来活化，引入地下地层中，并且在所述地下地层中使之凝固。
在初次注水泥实施方案中，例如，水泥组合物的实施方案可被引入到位于井筒中的管道与井筒的壁(和/或井筒中的较大管道)之间的环状空间中，其中所述井筒穿透地下地层。可使水泥组合物在环状空间中凝固以便形成硬化水泥的环状护套。水泥组合物可形成防止流体在井筒中迁移的屏障。水泥组合物还可以例如将管道支撑在井筒中。
在补注水泥实施方案中，水泥组合物可用在例如挤压注水泥操作中或替代水泥塞。例如，组合物可被放置在井筒中以便堵塞地层中、填砾(gravelpack)中、管道中、水泥护套中和/或水泥护套与管道之间(例如，微环带)的开口(例如，空隙或裂纹)。
实施方案公开配制水泥组合物的方法。方法可包括测量一组火山灰的表面积，其中所述组的火山灰的所测量最小表面积和所述组的火山灰的所测量最大表面积相差约50％或更大。方法还可包括从所述组的火山灰选择一种或多种火山灰。方法还可包括将包含石灰和水的组分加入所选择的一种或多种火山灰以便形成水泥组合物。
实施方案公开在地下地层中注水泥的方法。方法可包括提供第一火山灰。方法还可包括提供第二火山灰，其中所述第二火山灰包含具有与第一火山灰的火山灰颗粒相差约50％或更大的表面积的火山灰颗粒。方法还可包括共混第一火山灰和第二火山灰以便形成共混的火山灰。方法还可包括将组分石灰和水加入共混的火山灰以便形成水泥组合物。方法还可包括将水泥组合物引入地下地层中。方法还可包括使水泥组合物在地下地层中凝固。
现在参考图1，现在将描述根据示例性实施方案的水泥组合物(可以是延迟凝固或非延迟凝固的水泥组合物)的制备。图1示出根据某些实施方案的用于水泥组合物的制备并向井筒输送的系统2。如图所示，水泥组合物可在混合设备4(例如像喷射混合器、再循环混合器或分批混合器)中混合，并且接着通过泵送设备6泵送到井筒。在一些实施方案中，如本领域的普通技术人员将会明白的，混合设备4和泵送设备6可被设置在一辆或多辆水泥卡车上。在一些实施方案中，喷射混合器可用来例如随着石灰/可凝固材料与水被泵送到井筒连续地将所述石灰/可凝固材料与水混合。在延迟凝固实施方案中，再循环混合器和/或分批混合器可用来混合延迟凝固的水泥组合物，并且活化剂可在将水泥组合物向井下泵送之前作为粉末加入混合器中。
现在将参考图2和图3描述用于将水泥组合物放置到地下地层中的示例性技术。图2示出根据某些实施方案的可用于水泥组合物的放置中的地面设备10。应注意，尽管图2大体上示出陆上操作，但是本领域的技术人员将容易认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，本文描述的原理可同等地适用于水下操作，所述水下操作采用浮动或海上平台和钻机。如由图2所示，地面设备10可包括注水泥单元12，所述注水泥单元12可包括一辆或多辆水泥卡车。如本领域的普通技术人员将明白的，注水泥单元12可包括混合设备4和泵送设备6(例如，图1)。注水泥单元12可泵送水泥组合物14通过进料管16并且到达注水泥头18，所述注水泥头18将水泥组合物14向井下运送。
现在转向图3，根据示例性实施方案，延迟凝固或非延迟凝固的火山灰水泥组合物14可被放置到地下地层20中。如图所示，可将井筒22钻入地下地层20中。尽管井筒22被示出为大体上垂直地延伸到地下地层20中，但是本文描述的原理还适用于以一个角度延伸通过地下地层20的井筒，诸如水平或倾斜井筒。如图所示，井筒22包括壁24。在所示出的实施方案中，地面套管26已被插入井筒22中。地面套管26可由水泥护套28用水泥固定到井筒22的壁24。在所示出的实施方案中，这里被示出为套管30的一个或多个另外的管道(例如，中间套管、生产套管、衬管等)还可被设置在井筒22中。如图所示，存在形成于套管30与井筒22的壁24和/或地面套管26之间的井筒环带32。一个或多个定心器34可被附接到套管30例如以便在注水泥操作之前和期间使套管30位于井筒22的中心。
继续参考图3，可沿套管30的内部向下泵送水泥组合物14。可使水泥组合物14沿套管30的内部向下流动通过位于套管30的底部处的套管鞋42，并且围绕套管30向上流动到井筒环带32中。可使水泥组合物14在井筒环带32中凝固例如以便形成将套管30支撑并定位在井筒22中的水泥护套。尽管未示出，但是其他技术也可用于火山灰水泥组合物14的引入。例如，可使用反向循环技术，所述反向循环技术包括借助于井筒环带32而不是通过套管30来将水泥组合物14引入地下地层20中。
在引入水泥组合物14时，所述水泥组合物可使其他流体36位移，所述其他流体诸如可存在于套管30和/或井筒环带32的内部中的钻井液和/或隔离液。位移流体36的至少一部分可通过流动管线38退出井筒环带32并且沉积在例如一个或多个保持坑40(例如，泥坑)中，如在图2中示出。再次参考图3，底部塞44可在水泥组合物14之前引入井筒22中，例如，以便使水泥组合物14与可在注水泥之前位于套管30内部的流体36分离。在底部塞44到达碰压箍46之后，隔膜或其他适合的装置应破裂以便允许火山灰水泥组合物14通过底部塞44。在图3中，底部塞44被示出为处于碰压箍46上。在所示出的实施方案中，顶部塞48可在水泥组合物14之后引入井筒22中。顶部塞48可将水泥组合物14与位移流体50分离并且还推动水泥组合物14通过底部塞44。
本文公开的示例性水泥组合物可直接或间接影响与所公开水泥组合物的制备、输送、取回(recapture)、再循环、重复使用和/或处置相关联的一种或多种组分或设备零件。例如，所公开的水泥组合物可直接或间接影响用来产生、存储、监测、调节和/或再调示例性水泥组合物的一个或多个混合器、相关混合设备、泥坑、存储设施或单元、组合物分离器、换热器、传感器、计量器具、泵、压缩机等等。所公开的水泥组合物还可直接或间接影响用来将水泥组合物运送到井场或井下的运输或输送设备，例如像用来在组成上将水泥组合物从一个位置移动到另一位置的任何运输器皿、管道、管路、卡车、管式器具和/或管件，用来驱动水泥组合物运动的任何泵、压缩机或马达(例如位于顶侧或井下)，用来调节水泥组合物的压力或流率的任何阀门或相关接头，以及任何传感器(即，压力传感器和温度传感器)、计量器具和/或其组合等等。所公开的水泥组合物还可直接或间接影响可与水泥组合物发生接触的各种井下设备和工具，诸如但不限于井筒套管、井筒衬管、完井管柱、插入管柱、钻柱、连续油管、平直管线(slickline)、钢丝、钻杆、钻铤、泥浆马达、井下马达和/或泵、水泥泵、地面安装马达和/或泵、定心器、涡流器(turbolizer)、刮泥器、浮体(例如，浮靴、浮箍、浮阀等)、测井工具以及相关遥测设备、致动器(例如，机电装置、液力学装置等)、滑动套筒、生产套筒、塞子、筛、过滤器、流量控制装置(例如，流入控制装置、自动流入控制装置、流出控制装置等)、联轴器(例如，电动液压湿连接件、干连接件、电感耦合器)、控制线路(例如，电线、光纤线路、液压线路等)、监视线路、钻头和扩孔器、传感器或分布式传感器、井下换热器、阀门和对应的致动装置、工具密封件、封隔器(packer)、水泥塞、桥式塞以及其他井筒隔离装置或部件等等。
为了便于更好地理解实施方案，给出一些实施方案的特定方面的以下实施例。以下实施例决不应解读成是限制或限定本公开的全部范围。
实施例
实施例1
获得四个浮石样本，其中每个样本具有类似的粒度但具有不同的表面积。浮石样本是可购自HessPumiceProducts,Inc.,Malad,Idaho的DS-325级。DS-325级是325目轻骨料浮石，根据网目测量值，DS-325级浮石通常应具有约12-17微米的d50粒度分布。下文表1中说明样本特性的细节。
表1
浮石样本分析
样品 浮石等级 密度(g/mL) 表面积(m2/g) D50(μm)
1 DS-325 2.28 4.09 14.0
2 DS-325 2.30 10.28 15.4
3 DS-325 2.46 5.90 14.2
4 DS-325 2.51 17.90 12.3
粒度的测量值表明：网目估计近似为实验测定的粒度。使用可购自MalvernInstruments,Worcestershire,UnitedKingdom的MalvernMastersizer3000来测量粒度。浮石样本3和浮石样本4用来产生两种水泥组合物浆液，实验样本1和实验样本2分别如在下文表2中示出。
表2
实验样本说明
实验样本 浮石等级 密度(g/mL) 表面积(m2/g) D50(μm)
1 DS-325 2.46 5.90 14.2
2 DS-325 2.51 17.90 12.3
除了加入实验样本1以辅助颗粒悬浮的悬浮剂之外，以完全相同的方式制备水泥组合物浆液，以使得两个样本之间的唯一主要差异是浮石的表面积。实验样本的组合物呈现于下文表3中。
表3
实验样本组合物构成
*浮石的重量百分比；**仅用于实验样本1
组合物具有13.5磅/加仑的密度。分散剂是可购自BASF,FlorhamPark,NewJersey的5581F分散剂。水泥缓凝剂是可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,TX的Micro水泥缓凝剂。水泥辅缓凝剂是可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,TX的-5水泥缓凝剂。加重剂是可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,TX的FF重量添加剂。悬浮剂是可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,TX的SA-1015TM悬浮剂。
在制备之后，通过将每个样本的一部分放入密封容器中并且将它们留在周围温度和压力条件下来测量实验样本1和实验样本2的储存寿命。每天检查样本以便测量并观察变化。实验样本2胶凝并且在12天变得过度粘稠并需要另外的分散剂以便降低粘度。实验样本1保持在可泵送流体状态大于40天。
接着，根据在APIRPPractice10B-2,RecommendedPracticeforTestingWellCements中阐述的程序，使用35A型范氏粘度计和带有范氏屈服应力适配器(FYSA)的二号弹簧测量实验样本的流变特性。使用转矩刻度盘读数和校准因子计算体积平均粘度(VAV)，所述校准因子将RPM转换成剪切速率并且将刻度盘读数转换成剪切应力。表4将100rpm下的组合物的表观粘度对比组合物老化制成表格。
表4
100RPM下的体积平均粘度(厘泊)
老化 实验样本1 实验样本2
第0天 351 975
第3天 273 1566
第11天 234 2795
第12天 -- >3000
第21天 247 --*
第30天 273 --
第42天 429 --
*--是指未在当天测量的粘度。
如由数据所示，大表面积浆液(实验样本2)一致地表现出比较小表面积浆液更高的体积平均粘度。在11天内，实验样本2的VAV100rpm平均为1779cP，而实验样本1的VAV100rpm平均值仅为286cP。
最后，两个实验样本均被活化。每个实验样本分成两份并且将活化剂加入每一份中。一种活化剂是六偏磷酸钠(SHMP)和硫酸钠的2％活性液体添加剂组合，另一种活化剂是10％活性氯化钙。在活化之后，将样本倾注到2”×4”黄铜圆筒中并且在140℉下在水浴中固化24小时。在固化样本以后，根据在APIRPPractice10B-2,RecommendedPracticeforTestingWellCements中阐述的程序，使用机械压机以压碎样本来测量破坏性抗压强度。结果呈现在下文表5中。
表5
抗压强度测量值
这些结果为三个实验的平均值。结果指示：具有较大表面积的浮石颗粒比具有较小表面积的浮石颗粒反应性更大。实验样本2因此具有比实验样本1更高的抗压强度。然而，实验样本2也表现出比实验样本1更快的胶凝作用和更高的粘度，所述实验样本1可在延迟凝固的实施方案或需要水泥组合物保持在可泵送流体状态达延长时间段的任何实施方案中具有负面影响。
实施例2
实验样本3和实验样本4被制备来产生两种水泥组合物浆液。实验样本3和实验样本4利用不仅包括不同的表面积，而且包括不同的粒度的浮石以便证明相对于水泥特性来说粒度可具有的分布。样本的特性示出在下文表6中。
表6
实验样本说明
实验样本 浮石等级 密度(g/mL) 表面积(m2/g) D50(μm)
3 DS-200 2.39 4.32 23.0
4 DS-325 2.51 17.90 12.3
以完全相同的方式制备水泥组合物浆液使得两个样本之间的唯一主要差异是浮石的表面积和粒度。实验样本的组合物呈现于下文表7中。
表7
实验样本组合物构成
组分 量(％bwoP)*
水 60.0
浮石 100.0
水合石灰 20.0
分散剂 0.60
缓凝剂 1.25
辅缓凝剂 0.50
加重剂 2.0
*浮石的重量百分比
组合物具有13.5磅/加仑的密度。分散剂是可购自BASF,FlorhamPark,NewJersey的5581F分散剂。水泥缓凝剂是可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,TX的Micro水泥缓凝剂。水泥辅缓凝剂是可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,TX的-5水泥缓凝剂。加重剂是可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,TX的FF重量添加剂。
在制备之后，通过将每个样本的一部分放入密封容器中并且将它们留在周围温度和压力条件下来测量实验样本3和实验样本4的储存寿命。每天检查样本以便测量以观察变化。实验样本4胶凝并且在10天内变得过度粘稠并需要另外的分散剂以便降低粘度。实验样本3保持在可泵送流体状态大于17天。
接着，根据在APIRPPractice10B-2,RecommendedPracticeforTestingWellCements中阐述的程序，使用35A型范氏粘度计和带有范氏屈服应力适配器(FYSA)的二号弹簧测量实验样本的流变特性。使用转矩刻度盘读数和校准因子计算体积平均粘度(VAV)，所述校准因子将RPM转化成剪切速率并且将刻度盘读数转化成剪切应力。表8将100rpm下的组合物的表观粘度对比组合物老化制成表格。
表8
100RPM下的体积平均粘度(厘泊)
老化 实验样本3 实验样本4
第0天 364 975
第5天 568 1859
第11天 546 2795
第18天 754 --*
*--是指未在当天测量的粘度。
如由数据所示，小表面积–大粒度浆液(实验样本3)一致地表现出比大表面积–小粒度浆料更低的体积平均粘度。在11天内，实验样本3的VAV100rpm平均为493cP，而实验样本4的VAV100rpm平均值为1876cP。
最终，两个实验样本均被活化。每个实验样本分成两份并且将活化剂加入每一份中。一种活化剂是六偏磷酸钠(SHMP)和硫酸钠的2％活性液体添加剂组合，另一种活化剂是10％活性氯化钙。在活化之后，将样本倾注到2”×4”黄铜圆筒中并且在140℉下在水浴中固化24小时。在固化样本之后，根据在APIRPPractice10B-2,RecommendedPracticeforTestingWellCements中阐述的程序，通过使用机械压机以压碎样本来测量破坏性抗压强度。结果在以下表9中呈现。
表9
抗压强度测量
这些结果为三个实验的平均值。结果指示：具有较小粒度和较大表面积的浮石颗粒比具有较大粒度和较小表面积的浮石颗粒反应性更高。实验样本4因此具有比实验样本3更高的抗压强度。然而，实验样本4也表现出比实验样本3更快的胶凝作用和更高的粘度，所述实验样本3可在延迟凝固的实施方案或需要水泥组合物保持在可泵送流体状态达延长时间段的任何实施方案中具有负面影响。
应当理解，组合物和方法是就“包含”、“含有”或“包括”各种组分或步骤而言来描述，但是组合物和方法还可“基本上由各种组分和步骤组成”或“由各种组分和步骤组成”。此外，如权利要求书中所用的不定冠词“一个/种(a/an)”在本文中定义为意指引入的一个或一个以上的要素。
为简洁起见，本文仅明确公开某些范围。然而，从任何下限起的范围可与任何上限结合来列举未明确列举的范围，并且从任何下限起的范围可与任何其他下限结合来列举未明确列举的范围，以相同的方式，从任何上限起的范围可与任何其他上限结合来列举未明确列举的范围。此外，每当公开具有下限和上限的数字范围时，就明确公开了落在范围内的任何数字和任何所包括的范围。具体地说，本文公开的值的每个范围(形式为“约a至约b”，或等效地“大致a至b”，或等效地“大致a-b”)应理解为阐述涵盖在值的较宽范围内的每个数字和范围，即使未明确列举也是如此。因此，每个点或单个值可用作其自身的下限或上限来与任何其他点或单个值或者任何其他下限或上限结合，以便列举未明确列举的范围。
因此，本发明的实施方案非常适于达到所提到的目标和优势以及本文固有的那些目标和优势。上文所公开的特定实施方案仅仅是说明性的，并且所述实施方案可以对受益于本文教义的本领域的技术人员来说明显的不同但等效的方式进行修改和实践。尽管讨论了个别实施方案，但是本公开涵盖所有那些实施方案的所有组合。此外，并不意图对本文示出的构造或设计的细节存在限制，而所附权利要求书中描述的除外。另外，除非专利权人另外明确并清楚地定义，否则权利要求书中的术语具有其平常、普通的含义。因此，明显的是，上文公开的特定说明性实施方案可加以改变或修改，并且所有这些变化都视为处于那些实施方案的范围和精神内。如果在本说明书与可以引用方式并入本文的一个或多个专利或其他文件中的措词或术语的使用上存在任何冲突，那么应采用与本说明书一致的定义。

Claims (23)

1.一种配制水泥组合物的方法：
测量一组火山灰的表面积，其中所述组的火山灰的所测量最小表面积和所述组的火山灰的所测量最大表面积相差约50％或更大；
从所述组的火山灰选择一种或多种火山灰；
将包含石灰和水的组分加入所述所选择的一种或多种火山灰以便形成水泥组合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述组的火山灰选自由以下各项组成的组：粉煤灰、硅粉、偏高岭土、浮石和其任何组合。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述水泥组合物还包含凝固缓凝剂，其中所述凝固缓凝剂包括至少一种缓凝剂，所述缓凝剂选自由以下各项组成的组：膦酸、膦酸衍生物、木质素磺酸盐、盐、有机酸、纤维素衍生物、包含磺酸酯基和羧酸基的合成共聚物或三元聚合物、硼酸盐化合物和其任何混合物。
4.根据任何前述权利要求所述的方法，其中所述水泥组合物还包含至少一种分散剂，所述分散剂选自由以下各项组成的组：基于磺化甲醛的分散剂、聚羧酸醚分散剂和其任何组合。
5.根据任何前述权利要求所述的方法，其中所述水泥组合物还包含水泥凝固活化剂，所述水泥凝固活化剂选自由以下各项组成的组：氯化钙、三乙醇胺、硅酸钠、甲酸锌、乙酸钙、氢氧化钠、硫酸钠、纳米二氧化硅、六偏磷酸钠和其任何组合。
6.根据任何前述权利要求所述的方法，其中所述所选择的一种或多种火山灰包含具有约1m2/g至约20m2/g的表面积的火山灰颗粒。
7.根据任何前述权利要求1所述的方法，其还包括测量所述组的火山灰的粒度分布，其中所述组的火山灰具有在约10微米至约25微米范围内的d50粒度分布。
8.根据任何前述权利要求所述的方法，其中所述水泥组合物是延迟凝固的水泥组合物，所述延迟凝固的水泥组合物在室温下具有约7天或更长的增稠时间。
9.根据任何前述权利要求所述的方法，其中所述所选择的一种或多种火山灰包含具有约3m2/g至约7m2/g的表面积的浮石。
10.根据任何前述权利要求所述的方法，其中所述组的火山灰包含第一浮石和第二浮石，其中所述第一浮石和所述第二浮石的粒度相差约10％或更小，而所述第一浮石和所述第二浮石的表面积相差约50％或更大。
11.一种在地下地层中注水泥的方法，其包括：
提供第一火山灰；
提供第二火山灰，其中所述第二火山灰包含具有与所述第一火山灰的火山灰颗粒相差约50％或更大的表面积的火山灰颗粒；
共混所述第一火山灰和所述第二火山灰以便形成共混火山灰；
将包含石灰和水的组分加入所述共混火山灰以便形成水泥组合物；
将所述水泥组合物引入所述地下地层中；和
允许所述水泥组合物在所述地下地层中凝固。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一火山灰和所述第二火山灰分别选自由以下各项组成的组：粉煤灰、硅粉、偏高岭土、浮石和其任何组合。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，其中所述水泥组合物还包含凝固缓凝剂，其中所述凝固缓凝剂包括至少一种缓凝剂，所述缓凝剂选自由以下各项组成的组：膦酸、膦酸衍生物、木质素磺酸盐、盐、有机酸、纤维素衍生物、包含磺酸酯基和羧酸基的合成共聚物或三元聚合物、硼酸盐化合物和其任何混合物。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中所述水泥组合物还包含至少一种分散剂，所述分散剂选自由以下各项组成的组：基于磺化甲醛的分散剂、聚羧酸醚分散剂和其任何组合。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中所述水泥组合物还包含水泥凝固活化剂，所述水泥凝固活化剂选自由以下各项组成的组：氯化钙、三乙醇胺、硅酸钠、甲酸锌、乙酸钙、氢氧化钠、硫酸钠、纳米二氧化硅、六偏磷酸钠和其任何组合
16.根据权利要求11至15中任一项所述的方法，其中在将所述水泥组合物引入所述地下地层之前，所述水泥组合物保持在可泵送流体状态达至少约7天。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，其中所述水泥组合物通过包括将所述水泥组合物泵送通过管道并且泵送到井筒环带中的工艺引入到所述地下地层中。
18.根据权利要求11至17中任一项所述的方法，其中所述共混火山灰中所述第一火山灰与所述第二火山灰的比率为约80:20至约20:80。
19.根据权利要求11至18中任一项所述的方法，其中所述第二火山灰具有与所述第一火山灰的粒度相差约10％或更小的粒度。
20.根据权利要求11至19中任一项所述的方法，其中所述第一火山灰和所述第二火山灰各自分别具有从约10微米至约25微米的粒度。
21.一种用于在地下地层中注水泥的系统，其包括：
第一火山灰，
第二火山灰；其中所述第二火山灰包含具有与所述第一火山灰的火山灰颗粒相差约50％或更大的表面积的火山灰颗粒，
石灰，
和水；
能够混合所述第一火山灰、所述第二火山灰、所述石灰和所述水的混合设备；和
能够泵送通过混合所述第一火山灰、所述第二火山灰、所述石灰和所述水形成的所述水泥组合物的泵送设备。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述第一火山灰和所述第二火山灰单独地选自由以下各项组成的组：粉煤灰、硅粉、偏高岭土、浮石和其任何组合。
23.根据权利要求21或权利要求22所述的系统，其还包括凝固缓凝剂，其中所述凝固缓凝剂包括至少一种缓凝剂，所述缓凝剂选自由以下各项组成的组：膦酸、膦酸衍生物、木质素磺酸盐、盐、有机酸、纤维素衍生物、包含磺酸酯基和羧酸基的合成共聚物或三元聚合物、硼酸盐化合物和其任何混合物。
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