CN105829642A - 包含浮石的延迟凝固的水泥组合物和相关联方法 - Google Patents
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Abstract
本文公开水泥组合物和在地下地层中使用延迟凝固的水泥组合物的方法。实施方案包括在地下地层中注水泥的方法，所述方法包括：提供包含水、浮石、水合石灰、凝固缓凝剂和强度增强剂的水泥组合物，其中所述强度增强剂包括至少一种材料，所述至少一种材料选自由以下各项组成的组：水泥窑粉尘、矿渣、无定形二氧化硅、火山灰和其任何组合；将所述水泥组合物引入所述地下地层中；和使所述水泥组合物在所述地下地层中凝固。
Description
背景
实施方案涉及地下注水泥操作，并且在某些实施方案中，涉及延迟凝固的水泥组合物以及在地下地层中使用延迟凝固的水泥组合物的方法。
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起作用防止环带中流体的迁移，以及保护管柱不受腐蚀。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，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，至少约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被活化，由此产生合理的抗压强度。例如，水泥凝固速凝剂可被加入延迟凝固的水泥组合物中，由此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，例如，当希望提前制备水泥组合物时的情况。这可允许例如水泥组合物在使用之前被存储。此外，这可允许例如在方便的位置处制备水泥组合物并且接着将其运输到工作地点。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。
尽管延迟凝固的水泥组合物迄今已有所发展，但是它们在地下注水泥操作中的成功使用存在挑战。例如，延迟凝固的水泥组合物可得益于抗压强度发展的增加。明确来说，与较缓慢产生抗压强度或不产生较长期强度的组合物相比，对早期强度发展以及长期强度发展的提升将提供能够用于更广泛多种操作中的组合物。
附图简述
这些图示出本发明方法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。
图1示出根据某些实施方案的用于制备延迟凝固的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延迟凝固的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延迟凝固的水泥组合物放置到井筒环带中。
详述
实施方案涉及地下注水泥操作，并且在某些实施方案中，涉及延迟凝固的水泥组合物以及在地下地层中使用延迟凝固的水泥组合物的方法。在特定实施方案中，延迟凝固的水泥组合物可与强度增强剂一起使用，所述强度增强剂诸如水泥窑粉尘、矿渣和/或二氧化硅源(例如，火山灰)。包含强度增强剂的延迟凝固的水泥组合物的实施方案可加速早期强度发展和/或还可实现合需要的增稠时间和后期抗压强度发展。
延迟凝固的水泥组合物的实施方案通常可包含水、浮石、水合石灰和凝固缓凝剂。任选地，延迟凝固的水泥组合物还可包含分散剂、矿渣、水泥窑粉尘、无定形二氧化硅、火山灰和/或水泥凝固活化剂。延迟凝固的水泥组合物的实施方案可以是发泡的。有利地，延迟凝固的水泥组合物的实施方案可能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、约2周、约2年或更长。有利地，延迟凝固的水泥组合物可在相对低的温度下活化后产生合理的抗压强度。尽管延迟凝固的水泥组合物可适用于多种地下注水泥操作，但它们可尤其适用于具有相对低的底孔静态温度(例如，小于约200℉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，延迟凝固的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。
水可来自于任何来源，只要它不含可能不合需要地影响延迟凝固的水泥组合物中的其他组分的过量化合物即可。例如，延迟凝固的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，水可以在浮石的约33重量％至约200重量％范围内的量存在于延迟凝固的水泥组合物中。在某些实施方案中，水可以在浮石的约35重量％至约70重量％范围内的量存在于延迟凝固的水泥组合物中。受益于本公开的益处的本领域的普通技术人员将会认识到用于选定应用的水的适当量。
浮石可存在于延迟的水泥组合物中。通常，浮石是可展现出胶结特性的火山岩，这是因为它可在水合石灰和水的存在下凝固并硬化。浮石还可被研磨。通常，根据对特定应用的需要，浮石可具有任何粒度分布。在某些实施方案中，浮石可具有在约1微米至约200微米范围内的平均粒度。平均粒度对应于d50值，如可通过粒度分析器所测量的，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，浮石可具有约1微米至约200微米、约5微米至约100微米或约10微米至约50微米范围内的平均粒度。在一个特定实施方案中，浮石可具有小于约15微米的平均粒度。适合浮石的实例可以DS-325轻骨料购自HessPumiceProducts,Inc.,Malad,Idaho，所述DS-325轻骨料具有小于约15微米的平均粒度。应当理解，过小的粒度可能具有可混合性问题，而过大的粒度可能不能有效悬浮在组合物中。受益于本公开益处的本领域的普通技术人员应能够选择适合于所选应用的浮石的粒度。
水合石灰可存在于延迟凝固的水泥组合物中。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，水合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。水合石灰可包括在延迟凝固的水泥组合物的实施方案中例如以便形成具有浮石的水硬组合物。例如，水合石灰可以约10:1至约1:1或3:1至约5:1的浮石对水合石灰重量比率被包括。在存在时，水合石灰可例如以在浮石的约10重量％至约100重量％范围内的量包括在延迟凝固的水泥组合物中。在一些实施方案中，水合石灰可以在浮石的约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。在一些实施方案中，延迟凝固的水泥组合物中存在的胶结组分可基本上由浮石和水合石灰组成。例如，胶结组分可主要包含浮石和水合石灰，而没有在水的存在下水硬地凝固的任何另外组分(例如，波特兰水泥、粉煤灰、矿渣水泥)。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水合石灰的量。
凝固缓凝剂可存在于延迟凝固的水泥组合物中。广泛多种的凝固缓凝剂可适合在延迟凝固的水泥组合物中使用。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延迟凝固的水泥组合物中。在一些实施方案中，凝固缓凝剂可以在浮石的约0.01重量％至约10重量％范围内的量存在于延迟凝固的水泥组合物中。在具体实施方案中，凝固缓凝剂可以在浮石的约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。
强度增强剂可包括在延迟凝固的水泥组合物中。强度增强剂可包括水泥窑粉尘、矿渣或其组合。水泥窑粉尘或矿渣可在活化之前、与活化同时或在活化之后加入延迟凝固的水泥组合物中。如在本文中使用的术语水泥窑粉尘(“CKD”)是指在水泥的制造过程中从气流移除并且被收集在集尘器中的部分煅烧的窑进料。来自各种水泥制造商的CKD的化学分析取决于多种因素而变化，包括特定的窑进料、水泥生产操作的效率和相关联的集尘系统。CKD通常可包含多种氧化物，诸如SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3、Na2O和K2O。如在本文所使用的矿渣是指在从金属的对应矿石生产各种金属中所形成的成颗粒的鼓风炉副产物。例如，铸铁的生产可产生作为成颗粒的、鼓风炉副产物的矿渣，其中所述矿渣通常包含在铁矿中所发现的氧化杂质。矿渣可提供易溶的硅酸钙和铝酸钙源，所述硅酸钙和铝酸钙源可有助于延迟凝固的水泥组合物的强度发展。如特定应用所需的，强度增强剂可在任何适合的时间包括在延迟凝固的水泥组合物中。例如，强度增强剂可在延迟凝固的水泥组合物的活化之前或之后被包括。
CKD和/或矿渣可以适合于特定应用的量包括在延迟凝固的水泥组合物的实施方案中。在一些实施方案中，CKD和/或矿渣可以浮石的约1重量％至约400重量％的量存在，所述量例如约1％、约10％、约50％、约100％、约250％或约400％。CKD和/或矿渣可用来增强24小时抗压强度约100％或更大。例如，CKD或矿渣可用增强24小时抗压强度约100％、约125％、约150％、约200％或更大。此外，CKD和/或矿渣可用来增强72小时抗压强度约50％或更大。例如，CKD或矿渣可用增强72小时抗压强度约50％、约60％、约75％、约100％或更大。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强度增强剂的适当量。
如先前所提及，延迟凝固的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延迟凝固的水泥组合物的其他组分相互作用。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延迟凝固的水泥组合物中的浮石和水合石灰的凝胶的形成。
在一些实施方案中，分散剂可以在浮石的约0.01重量％至约5重量％范围内的量包括在延迟凝固的水泥组合物中。在具体实施方案中，分散剂可以在浮石的约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。
适合于在地下注水泥操作中使用的其他添加剂还可包括在延迟凝固的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将延迟凝固的水泥组合物放置到地下地层中之前加入延迟凝固的水泥组合物中。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延迟凝固的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，延迟凝固的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，延迟凝固的水泥组合物可具有约8lb/gal至约17lb/gal范围内的密度。延迟凝固的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，密度可在存储组合物之后，但在放置在地下地层之前被降低。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，延迟凝固的水泥组合物可具有延迟的凝固，因为它们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，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。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。
当需要使用时，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)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或严重缓凝水泥组合物并且还可加速延迟凝固、严重缓凝或其他水泥组合物的凝固。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。
在一些实施方案中，延迟凝固的水泥组合物可在活化之后具有合需要的抗压强度。抗压强度通常为材料或结构承受轴向导向推力的容量。抗压强度可在延迟凝固的水泥组合物已被活化并且使所得组合物维持在规定温度和压力条件下之后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荷载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，延迟凝固的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，延迟凝固的水泥组合物可在24小时内产生至少约50psi、至少约100psi、至少约500psi或更大的抗压强度。在一些实施方案中，可使用破坏性方法或非破坏性方法在100℉至200℉范围内的温度下测定抗压强度值。
在一些实施方案中，在活化之后，延迟凝固的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(诸如延迟凝固的水泥组合物)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。
实施方案可包括将水泥凝固活化剂加入延迟凝固的水泥组合物中。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。
一些实施方案可包括水泥凝固活化剂，所述水泥凝固活化剂包含纳米二氧化硅。如本文所使用，术语“纳米二氧化硅”是指具有小于或等于约100纳米(“nm”)的粒度的二氧化硅。可使用任何适合的技术测量纳米二氧化硅的大小。应理解，纳米二氧化硅的所测量大小可基于测量技术、样本制备和样本条件(诸如温度、浓度等)而变化。用于测量纳米二氧化硅的粒度的一种技术是透射电子显微镜(TEM)。基于激光衍射可商购产品的实例是由MalvernInstruments,Worcerstershire,UK供应的ZETASIZERNanoZS粒度分析器。在一些实施方案中，纳米二氧化硅可包括胶态纳米二氧化硅。可使用任何适合的技术稳定纳米二氧化硅。在一些实施方案中，可使用金属氧化物来稳定纳米二氧化硅，诸如氧化锂、氧化钠、氧化钾和/或其组合。此外，可使用上文提及的胺和/或金属氧化物稳定纳米二氧化硅。纳米二氧化硅的实施方案具有另外优势，因为已知它们填充水泥中的孔隙空间，这可在水泥已凝固之后在水泥中产生优异机械特性。
一些实施方案可包括水泥凝固活化剂，所述水泥凝固活化剂包括一价盐和多磷酸盐的组合。一价盐和多磷酸盐可在加入延迟凝固的水泥组合物之前组合或可单独地加入延迟凝固的水泥组合物中。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延迟凝固的水泥组合物的活化，所述多磷酸盐包括例如偏磷酸聚合物盐、磷酸盐和其组合。可以使用的聚合的偏磷酸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。有趣的是，六偏磷酸钠还在本领域中已知为波特兰水泥的强缓凝剂。由于多磷酸盐的独特化学性质，多磷酸盐可用作水泥凝固活化剂以用于本文公开的延迟凝固的水泥组合物的实施方案。一价盐与多磷酸盐的比率可在例如约5:1至约1:25或约1:1至约1:10的范围中。水泥凝固活化剂的实施方案可包含呈约5:1、2:1、约1:1、约1:2、约1:5、约1:10、约1:20或约1:25的任何比率(一价盐与多磷酸盐的比率)之间的范围内和/或包括任何比率的比率的一价盐和多磷酸盐。
在一些实施方案中，一价盐和多磷酸盐的组合可与分散剂和水混合以便形成用于延迟凝固的水泥组合物的活化的液体添加物。适合的分散剂的实例包括但不限于先前描述的分散剂，诸如基于磺化甲醛的分散剂和聚羧酸醚分散剂。适合的基于磺化甲醛的分散剂的一个实例是可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.的磺化丙酮甲醛缩合物，如CFR-3TM分散剂。适合的聚羧酸醚分散剂的一个实例是可购自BASFCorporation,Houston,Texas的514L或5581F分散剂。
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浮石的约0.1重量％至约20重量％范围内的量加入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浮石的约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。
水泥凝固活化剂(包括液体添加剂水泥凝固活化剂)的一些实施方案可包含二氧化硅源；例如，无定形二氧化硅和/或用作强化增强剂的火山灰。例如，水泥凝固活化剂可包含氯化钙和二氧化硅源。包含二氧化硅源的强度增强剂可以类似于先前描述的水泥窑粉尘和/或矿渣强度增强剂的方式用于增强早期强度增强。然而，包含二氧化硅源的强度增强剂可被加入水泥凝固活化剂中，而不是直接加入延迟凝固的水泥组合物中。在一些实施方案中，将包含二氧化硅源的强度增强剂直接加入延迟凝固的水泥组合物中可诱导胶凝作用或瞬时凝固。然而，包含水泥凝固活化剂的实施方案可不诱导胶凝作用或瞬时凝固，所述水泥凝固活化剂包含二氧化硅源强度增强剂。
在实施方案中，包含二氧化硅源的强度增强剂可包含无定形二氧化硅。无定形二氧化硅是可包括在水泥凝固活化剂的实施方案中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。包含强度增强剂的实施方案可根据需要利用另外的二氧化硅源来增加抗压强度。
在实施方案中，包含二氧化硅源的强度增强剂可包含火山灰。火山灰的实例包括硅藻土、偏高岭土、沸石、粉煤灰、火山灰、乳白色页岩、凝灰岩和其组合。包含强度增强剂的实施方案可根据需要利用另外的二氧化硅源以便增强抗压强度。
多种粉煤灰可适合用作二氧化硅源以用于包含强度增强剂的实施方案。粉煤灰可包括根据美国石油协会测定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。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。
偏高岭土可适合用作二氧化硅源以用于包含强度增强剂的实施方案。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。
硅藻土可适合用作二氧化硅源以用于包含强度增强剂的实施方案。硅藻土是主要由二氧化硅构成的柔软大体积固体材料。通常，硅藻土来源于被称为硅藻的较小史前水生植物的骨架的化石残留物。它通常作为粉末获得。硅藻土的适合来源的实例是可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,Texas的DiacelDTM水泥添加剂。
沸石可适合用作二氧化硅源以用于包含强度增强剂的实施方案。沸石通常是多孔硅酸铝材料，所述多孔硅酸铝材料可以是天然的或合成的。合成沸石是基于与天然沸石相同的结构单元类型并且可包含硅铝酸水合物。如本文所使用，术语“沸石”是指沸石的所有天然和合成形式。沸石的适合来源的实例是可购自PQCorporation,Malvern,Pennsylvania的沸石或401沸石。
二氧化硅源强度增强剂可以足以增加延迟凝固的水泥组合物的抗压强度的量加入水泥凝固活化剂的实施方案中。在某些实施方案中，二氧化硅源可以在浮石的约0.1重量％至约20重量％范围内的量加入水泥凝固活化剂中。在具体实施方案中，二氧化硅源强度增强剂可以在浮石的约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于水泥凝固活化剂中。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二氧化硅源强度增强剂的适当量。
如本领域的普通技术人员将理解的，延迟凝固的水泥组合物的实施方案可用在多种地下操作中，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、浮石、水合石灰、凝固缓凝剂和任选地分散剂的延迟凝固的水泥组合物。强度增强剂可包括在延迟凝固的水泥组合物中。延迟凝固的水泥组合物可被引入地下地层中并且使其在地下地层中凝固。如在本文所使用，将延迟凝固的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。实施方案还可包括延迟凝固的水泥组合物的活化。延迟凝固的水泥组合物的活化可包括例如将水泥凝固活化剂加入延迟凝固的水泥组合物中。二氧化硅源强度增强剂可包括在水泥凝固活化剂中。
在一些实施方案中，可提供包含水、浮石、水合石灰、凝固缓凝剂和任选地分散剂和/或强度增强剂的延迟凝固的水泥组合物。延迟凝固的水泥组合物可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保持存储达所需时间段。例如，延迟凝固的水泥组合物可保持存储达约1天或更长的时间段。例如，延迟凝固的水泥组合物可保持存储达约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。在一些实施方案中，延迟凝固的水泥组合物可保持存储达约1天至约7天或更长范围的时间段。然后，延迟凝固的水泥组合物可例如通过添加可包含强度增强剂的水泥凝固活化剂而活化，引入地下地层中并且使其在地下地层中凝固。
在初次注水泥实施方案中，例如，延迟凝固的水泥组合物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。可使延迟凝固的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。延迟凝固的水泥组合物可形成防止流体在井筒中迁移的屏障。延迟凝固的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，延迟凝固的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，延迟凝固的水泥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)。
实施方案包括在地下地层中注水泥的方法，所述方法包括：提供包含水、浮石、水合石灰、凝固缓凝剂和强度增强剂的水泥组合物，其中所述强度增强剂包含至少一种材料，所述材料选自由以下各项组成的组：水泥窑粉尘、矿渣、无定形二氧化硅、火山灰和其任何组合；将水泥组合物引入地下地层中；和使水泥组合物在地下地层中凝固。下文结合上文讨论的实施方案更详细地描述包括强度增强剂的水泥组合物的成分。水泥组合物可以是延迟凝固的，如在上文讨论的实施方案中所述。诸如先前描述的那些活化剂的水泥凝固活化剂可用于水泥组合物的活化。
实施方案包括水泥组合物，所述水泥组合物包含：水；浮石；水合石灰；凝固缓凝剂；和强度增强剂，其中所述强度增强剂选自由以下各项组成的组：水泥窑粉尘、矿渣、无定形二氧化硅和火山灰。下文结合上文讨论的实施方案更详细地描述包括强度增强剂的水泥组合物的成分。水泥组合物可以是延迟凝固的，如在上文讨论的实施方案中所述。诸如先前描述的那些活化剂的水泥凝固活化剂可用于水泥组合物的活化。
实施方案包括注水泥系统，所述注水泥系统包括水泥组合物，所述水泥组合物包含：水、浮石、水合石灰、凝固缓凝剂和强度增强剂，其中所述强度增强剂选自由以下各项组成的组：水泥窑粉尘、矿渣、无定形二氧化硅和火山灰。系统还可包括能够混合水泥组合物的混合设备。系统还可包括能够泵送水泥组合物的泵送设备。下文结合上文讨论的实施方案更详细地描述包括强度增强剂的水泥组合物的成分。水泥组合物可以是延迟凝固的，如在上文讨论的实施方案中所述。诸如先前描述的那些活化剂的水泥凝固活化剂可用于水泥组合物的活化。
现在参考图1，现在将描述根据示例性实施方案的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延迟凝固的水泥组合物的制备并随后向井筒输送所述组合物的系统2。如图所示，延迟凝固的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液体或粉末加入混合器中。此外，用于浆液的分批搅拌器类型单元可与含有水泥凝固活化剂的单独储槽用管件一致地连接。水泥凝固活化剂接着可随着浆液被泵送出混合单元而随所述浆液一致地进料。
现在将参考图2和图3描述用于将延迟凝固的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延迟凝固的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可泵送延迟凝固的水泥组合物14通过进料管16并且到达注水泥头18，所述注水泥头18将延迟凝固的水泥组合物14向井下运送。
现在转向图3，根据示例性实施方案，延迟凝固的水泥组合物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的内部向下泵送延迟凝固的水泥组合物14。可使延迟凝固的水泥组合物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。可使延迟凝固的水泥组合物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延迟凝固的水泥组合物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来将延迟凝固的水泥组合物14引入地下地层20中。
在引入延迟凝固的水泥组合物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可在延迟凝固的水泥组合物14之前引入井筒22中，例如，以便使延迟凝固的水泥组合物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延迟凝固的水泥组合物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可在延迟凝固的水泥组合物14之后引入井筒22中。顶部塞48可将延迟凝固的水泥组合物14与位移流体50分离并且还推动延迟凝固的水泥组合物14通过底部塞44。
本文公开的示例性延迟凝固的水泥组合物可直接或间接影响与所公开的延迟凝固的水泥组合物的制备、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，所公开的延迟凝固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/或再调示例性延迟凝固的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。所公开的延迟凝固的水泥组合物还可直接或间接影响用来将延迟凝固的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延迟凝固的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)，用来调节延迟凝固的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。所公开的延迟凝固的水泥组合物还可直接或间接影响可与延迟凝固的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本发明的实施方案，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实施方案的全部范围。
实施例
实施例1
以下实施例描述包含水泥窑粉尘强度增强剂的延迟凝固的水泥组合物。制备三种示例性延迟凝固的水泥组合物。三种组合物包含水；可购自HessPumiceProducts,Inc.,Malad,Idaho的DS-325轻骨料浮石；水合石灰；可购自BASFCorporation,Houston,Texas的Liquiment分散剂；可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,Texas的Micro水泥缓凝剂(MMCR)；可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,Texas的辅缓凝剂水泥缓凝剂；可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,Texas的重量添加剂；可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,Texas的增粘剂SA-1015TM悬浮剂；和任选地强度增强剂水泥窑粉尘。所有三种样本的组合物构成呈现在下文表1中。
表1
示例性延迟凝固的水泥组合物
| 组分 | 样本1(g) | 样本2(g) | 样本3(g) |
| 水 | 600.0 | 600.0 | 600.0 |
| 浮石 | 1000.0 | 800.0 | 200.0 |
| 水合石灰 | 200.0 | 200.0 | 200.0 |
| 分散剂 | 6.0 | 6.0 | 6.0 |
| 缓凝剂 | 12.5 | 12.5 | 12.5 |
| 辅缓凝剂 | 5.0 | 5.0 | 5.0 |
| 加重剂 | 20.0 | 20.0 | 20.0 |
| 增粘剂 | 0.35 | 0.35 | 0.35 |
| 水泥窑粉尘 | 0.0 | 200.0 | 800.0 |
使每种浆液老化超过1周。在第0天(在初始混合之后)、第4天和第7天获取流变性测量值。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的1号弹簧测量流变性。数据呈现在下文表2中。
表2
样本流变性
*添加的1.6g另外的分散剂，**添加的5.7g另外的添加剂，***添加的2.0g另外的添加剂。
接下来制备包含水、多磷酸盐(六偏磷酸钠)、一价盐(硫酸钠)和可购自BASFCorporation,Houston,Texas的Liquiment分散剂的液体添加剂水泥凝固活化剂。将118.9g水泥凝固活化剂加入每个样本中。用于液体添加剂水泥凝固活化剂的组合物呈现在下文表3中。
表3
水泥凝固活化剂组分
| 组分 | 量(g) |
| 水 | 600.0 |
| 多磷酸盐 | 62.7 |
| 一价盐 | 62.7 |
| 分散剂 | 20.0 |
为了测定水泥窑粉尘对所活化样本的抗压强度的影响，在固化二十四小时和七十二小时后测量每个样本的抗压强度。通过使样本在2”×4”塑料圆筒中固化来测量破坏性抗压强度，所述塑料圆筒被放置在140℉的水浴中以便形成凝固圆筒。在从水浴中移除之后，立即根据APIRP10B-2,RecommendedPracticeforTestingWellCements，使用机械压机来测定破坏性抗压强度。这项测试的结果以psi为单位在下文表4中阐明。所报告的抗压强度是每个样本的三个圆筒的平均值。
表4
抗压强度测试
| 样本 | 24小时CS(psi) | 72小时CS(psi) |
| 1 | 828 | 1678 |
| 2 | 1888 | 2875 |
| 3 | 2335 | 2562 |
实施例1说明水泥窑粉尘可用作延迟凝固的水泥组合物的强度增强剂。
实施例2
以下实施例描述包含矿渣强度增强剂的延迟凝固的水泥组合物。制备三种示例性活化延迟凝固的水泥组合物。三种组合物包含水；可购自HessPumiceProducts,Inc.,Malad,Idaho的DS-325轻骨料浮石；水合石灰；可购自BASFCorporation,Houston,Texas的Liquiment分散剂；可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,Texas的Micro水泥缓凝剂(MMCR)；可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,Texas的辅缓凝剂水泥缓凝剂；可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,Texas的重量添加剂；可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,Texas的增粘剂SA-1015TM悬浮剂；和任选地强度增强剂矿渣。此外，使用CaCl2的溶液活化样本。所有三种样本的组合物构成呈现在下文表5中。
表5
示例性延迟凝固的水泥组合物
*浮石的重量百分比。
为了测定矿渣对所活化样本的抗压强度的影响，在固化二十四小时后测量每个样本的抗压强度。通过使样本在2”×4”塑料圆筒中固化来测量破坏性抗压强度，所述塑料圆筒被放置在140℉的水浴中以便形成凝固圆筒。在从水浴中移除之后，立即根据APIRP10B-2,RecommendedPracticeforTestingWellCements，使用机械压机来测定破坏性抗压强度。这项测试的结果以psi为单位在下文表6中阐明。所报告的抗压强度是每个样本的三个圆筒的平均值。
表6
抗压强度测试
| 样品 | 24小时CS |
| 4 | 124 |
| 5 | 460 |
| 6 | 837 |
实施例2说明矿渣可用作延迟凝固的水泥组合物的强度增强剂。
实施例3
以下实施例利用包含由不同二氧化硅源构成的强度增强剂的水泥凝固活化剂以便证实不同二氧化硅源对延迟凝固的水泥组合物的强度增强的影响。制备仅包含CaCl2(总体水泥凝固活化剂溶液的43％)和水的对照样本。每个实验水泥凝固活化剂溶液包含水、氯化钙和二氧化硅源。实验水泥凝固活化剂的构成在下文表7中说明。
表7
水泥凝固活化剂组合物
| 组分 | 量(g) | Wt.％ |
| 水 | 200.0 | 46.4 |
| CaCl2 | 150.9 | 35.0 |
| 二氧化硅源 | 80.0 | 18.6 |
二氧化硅源选自无定形二氧化硅、硅藻土、偏高岭土、研磨D50浮石、沸石和F级粉煤灰。每个二氧化硅源以用于延迟凝固的水泥组合物中的浮石的重量(“bwoP”)的5％的量存在，并且CaCl2以10％bwoP的量存在。
延迟凝固的水泥组合物包含水；可购自HessPumiceProducts,Inc.,Malad,Idaho的DS-325轻骨料浮石；水合石灰；可购自BASFCorporation,Houston,Texas的Liquiment分散剂；可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,Texas的Micro水泥缓凝剂(MMCR)；可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,Texas的辅缓凝剂水泥缓凝剂；可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,Texas的重量添加剂；可购自HalliburtonEnergyServices,Inc.,Houston,Texas的增粘剂SA-1015TM悬浮剂；和任选地强度增强剂水泥窑粉尘。所有三种样本的组合物构成呈现在下文表8中。
表8
示例性延迟凝固的水泥组合物
在活化后，通过使样本在2”×4”塑料圆筒中固化24小时来测量每个样本的破坏性抗压强度，所述塑料圆筒被放置在140℉的水浴中以便形成凝固圆筒。在从水浴中移除之后，立即根据APIRP10B-2,RecommendedPracticeforTestingWellCements，使用机械压机来测定破坏性抗压强度。这项测试的结果以psi为单位在下文表9中阐明。所报告的抗压强度是每个样本的三个圆筒的平均值。
表9
抗压强度测试
| 活化剂组分 | 密度(ppg) | 24小时CS(psi) |
| 对照 | 13.6 | 124 |
| 无定形二氧化硅 | 13.6 | 502 |
| 硅藻土 | 13.6 | 775 |
| 偏高岭土 | 13.6 | 659 |
| D50浮石 | 13.6 | 597 |
| 沸石 | 13.6 | 589 |
| F级粉煤灰 | 13.6 | 422 |
结果指示：将包含二氧化硅源的强度增强剂加入水泥凝固活化剂中增加延迟凝固的水泥组合物的24小时抗压强度。
实施例4
在这个实施例中，使用包含不同火山灰浓度的水泥凝固活化剂活化与实施例3相同的延迟凝固的水泥组合物。使CaCl2保持恒定并且通过变化水的量使所有样本的密度保持恒定，使得每个样本中唯一的差别是火山灰的量。选用于实验的火山灰是硅藻土。
在延迟凝固的水泥组合物暴露于水泥凝固活化剂之后，通过使样本在2”×4”塑料圆筒中固化24小时来测量每个样本的破坏性抗压强度，所述塑料圆筒被放置在160℉的水浴中以便形成凝固圆筒。在从水浴中移除之后，立即根据APIRP10B-2,RecommendedPracticeforTestingWellCements，使用机械压机来测定破坏性抗压强度。这项测试的结果以psi为单位在下文表10中阐明。所报告的抗压强度是每个样本的三个圆筒的平均值。
表10
抗压强度测试
| 硅藻土量(浮石的重量百分比) | 密度(ppg) | 24小时CS(psi) |
| 0 | 13.6 | 53 |
| 2 | 13.6 | 271 |
| 3 | 13.6 | 265 |
| 4 | 13.6 | 371 |
| 5 | 13.6 | 876 |
结果指示：增加强度增强剂的量增加了延迟凝固的水泥组合物的24小时抗压强度。
实施例5
以下实施例证实非缓凝火山灰的溶解是用于利用包含火山灰的二氧化硅源强度增强剂的实施方案的抗压强度发展的原因。与实施例3相同的延迟凝固的水泥组合物分成两个单独的样本。将样本7在不存在水泥凝固活化剂的情况下调节，并且接着在固化之前添加包含5％CaCl2bwoP和5％硅藻土bwoP的水泥凝固活化剂。将样本8在存在包含5％CaCl2bwoP和5％硅藻土bwoP的水泥凝固活化剂的情况下调节。将两个样本在183℉下调节60分钟并且接着在151℉下调节70分钟。结果呈现于下文表11中。
在样本7和样本8被调节和活化后，通过使样本在1”×1”塑料圆筒中固化24小时来测量每个样本的破坏性抗压强度，所述塑料圆筒被放置在160℉和3000psi下的高压釜中以便形成凝固圆筒。在从高压釜中移除之后，立即根据APIRP10B-2,RecommendedPracticeforTestingWellCements，使用机械压机来测定破坏性抗压强度。这项测试的结果以psi为单位在下文表11中列出。所报告的抗压强度是每个样本的三个圆筒的平均值。
表11
抗压强度测试
利用相同的参数重复实验，只不过将CaCl2浓度降低到4.5％bwoP。结果呈现于表12中。
表12
抗压强度测试
利用相同的参数再次重复实验，只不过没有火山灰被加入水泥凝固活化剂中。结果呈现于表13中。
表13
抗压强度测试
结果指示：使延迟凝固的水泥组合物经受调节序列，即使没有强度增强剂，仍可提供抗压强度的一些提供，尽管这种影响与针对包含强度增强剂的水泥凝固活化剂所观察到影响相比不那么明显。总的来说，结果证明增大的温度随时间的推移增强强度增强剂的溶解，但是自身对延迟凝固的水泥组合物具有很小的影响。
实施例6
对这个实施例来说，使用包含强度增强剂和一价盐和多磷酸盐的水泥凝固活化剂活化与实施例3相同的延迟凝固的水泥组合物。使强度增强剂保持恒定并且通过变化水的量使所有样本的密度保持恒定，使得每个样本中唯一的差别是CaCl2的量。选用于实验的火山灰是硅藻土。
在延迟凝固的水泥组合物暴露于水泥凝固活化剂之后，通过使样本在1”×2”塑料圆筒中固化24小时来测量每个样本的破坏性抗压强度，所述塑料圆筒被放置在160℉的高压釜中以便形成凝固圆筒。在从高压釜中移除之后，立即根据APIRP10B-2,RecommendedPracticeforTestingWellCements，使用机械压机来确定破坏性抗压强度。根据在APIRPPractice10B-2,RecommendedPracticeforTestingWellCements,第一版,2005年7月阐述的用于测定水泥增稠时间的程序，通过在52分钟内从室温(例如，约80℉)和周围压力匀变至183℉和3000psi在高温高压稠度计上测量增稠时间。这项测试的结果在下文表14中阐明。所报告的结果是每个样本的三个圆筒的平均值。
表14
抗压强度和增稠时间测试
结果指示：强度增强剂的添加减少延迟凝固的水泥组合物的增稠时间并且还显著地增加了抗压强度。结果还指示：在强度增强剂的存在下CaCl2浓度对增稠时间具有最小影响。
实施例7
对这个实施例来说，使用包含一价盐(硫酸钠)和多磷酸盐(六偏磷酸钠)的对照水泥凝固活化剂(样本13和样本15)或包含一价盐(硫酸钠)和多磷酸盐(六偏磷酸钠)以及强度增强剂的实验水泥凝固活化剂(样本14和样本16)活化与实施例3相同的延迟凝固的水泥组合物。一价盐和多磷酸盐以1:1比率用于所有实验。水泥凝固活化剂的浓度变化超过两个数据点，而强度增强剂保持恒定。
在延迟凝固的水泥组合物暴露于对照或实验水泥凝固活化剂之后，通过使样本在1”×2”塑料圆筒中固化24小时来测量每个样本的破坏性抗压强度，所述塑料圆筒被放置在160℉和3000psi下的高压釜中以便形成凝固圆筒。在从高压釜中移除之后，立即根据APIRP10B-2,RecommendedPracticeforTestingWellCements，使用机械压机来测定破坏性抗压强度。这项测试的结果在下文表15中阐明。所报告的结果是每个样本的三个圆筒的平均值。
表15
抗压强度测试
结果指示：强度增强剂的添加增加了样本的抗压强度。
在每个样本固化用于抗压强度测试之前，还对每个样本的一部分进行增稠时间测量。将样本在183℉下调节60分钟并且接着在151℉下调节70分钟。接着根据在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，通过在52分钟内从室温(例如，约80℉)和周围压力匀变至183℉和3000psi在高温高压稠度计上测量增稠时间。这项测试的结果在下文表16中阐明。
表16
增稠时间测试
对这个特定系统来说，当与抗压强度数据并置时，增稠时间数据证实加入水泥凝固活化剂中的二氧化硅源强度增强剂不会改变延迟凝固的水泥组合物的增稠时间，但是会增加抗压强度。通常，增稠时间和抗压强度以直接关系关联，以使得一个的降低导致另一个的降低。然而，对于这个系统来说，显然增稠时间和抗压强度已脱离关系。
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，因为本发明的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，但是本公开预期并涵盖每个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本公开的范围和精神内。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)
1.一种在地下地层中注水泥的方法，其包括：
提供包含水、浮石、水合石灰、凝固缓凝剂和强度增强剂的水泥组合物，其中所述强度增强剂包含选自由以下各项组成的组的至少一种材料：水泥窑粉尘、矿渣、无定形二氧化硅、火山灰和其任何组合；
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。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述强度增强剂包括所述水泥窑粉尘并且其中所述水泥窑粉尘以在所述浮石的约50重量％至约100重量％的量存在。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述强度增强剂包括所述矿渣并且其中所述矿渣以在所述浮石的约50重量％至约100重量％的量存在。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述强度增强剂包括所述火山灰并且其中所述火山灰选自由以下各项组成的组：硅藻土、偏高岭土、粉煤灰、沸石和其任何组合；并且其中所述火山灰以在所述浮石的约0.1重量％至约20重量％的量存在。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述强度增强剂包括所述火山灰，其中所述方法还包括制备所述水泥组合物，所述制备包括将包含水泥凝固活化剂和所述火山灰的添加剂与延迟凝固的水泥组合物组合。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述强度增强剂包括所述无定形二氧化硅并且其中所述无定形二氧化硅以在所述浮石的约0.1重量％至约20重量％的量存在。
7.如权利要求1所述的方法，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：磷酸盐、膦酸盐、膦酸、膦酸衍生物、木质素磺酸盐、盐、有机酸、羧甲基化羟乙基化纤维素、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。
8.如权利要求1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：沸石、胺类、硅酸盐、IA族和IIA族氢氧化物、一价盐、二价盐、纳米二氧化硅、多磷酸盐和其任何组合。
9.如权利要求1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包括一价盐和所述多磷酸盐的组合。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述水泥组合物还包含一种分散剂，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。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述水泥组合物被引入到设置在井筒中的管道与所述井筒的壁或另一管道之间的环带中。
12.如权利要求1所述的方法，其还包含在所述引入步骤之前，将所述水泥组合物存储约7天的时间段并且接着将水泥凝固活化剂加入所述水泥组合物中。
13.一种水泥组合物，其包含：
水；
浮石；
水合石灰；
凝固缓凝剂；和
强度增强剂，其中所述强度增强剂选自由以下各项组成的组：水泥窑粉尘、矿渣、无定形二氧化硅和火山灰。
14.如权利要求13所述的组合物，其中所述强度增强剂包括所述水泥窑粉尘并且其中所述水泥窑粉尘以在所述浮石的约50重量％至约100重量％的量存在。
15.如权利要求13所述的组合物，其中所述强度增强剂包括所述矿渣并且其中所述矿渣以在所述浮石的约50重量％至约100重量％的量存在。
16.如权利要求13所述的组合物，其中所述强度增强剂包括所述火山灰并且其中所述火山灰选自由以下各项组成的组：硅藻土、偏高岭土、粉煤灰、沸石或其任何组合；并且其中所述火山灰以在所述浮石的约0.1重量％至约20重量％的量存在。
17.如权利要求13所述的组合物，其中所述强度增强剂包括无定形二氧化硅并且其中所述无定形二氧化硅以在所述浮石的约0.1重量％至约20重量％的量存在。
18.如权利要求13所述的组合物，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：磷酸盐、膦酸盐、膦酸、膦酸衍生物、木质素磺酸盐、盐、有机酸、羧甲基化羟乙基化纤维素、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。
19.如权利要求13所述的组合物，其还包含添加剂，所述添加剂包括水泥凝固活化剂和所述火山灰。
20.如权利要求13所述的组合物，其还包含水泥凝固活化剂，所述水泥凝固活化剂包括至少一种凝固活化剂，所述凝固活化剂选自由以下各项组成的组：沸石、胺类、硅酸盐、IA族和IIA族氢氧化物、一价盐、二价盐、纳米二氧化硅、多磷酸盐和其任何组合。
21.如权利要求13所述的组合物，其中所述水泥组合物能够保持在可泵送流体状态达约1天或更长的时间段。
22.一种注水泥系统，其包括：
水泥组合物，所述水泥组合物包含：
水，
浮石，
水合石灰，
凝固缓凝剂，以及
强度增强剂，其中所述强度增强剂选自由以下各项组成的组：水泥窑粉尘、矿渣、无定形二氧化硅和火山灰；和
能够混合所述水泥组合物的混合设备；和
能够泵送所述水泥组合物的泵送设备。
23.如权利要求22所述的注水泥系统，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：磷酸盐、膦酸盐、膦酸、膦酸衍生物、木质素磺酸盐、盐、有机酸、羧甲基化羟乙基化纤维素、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；并且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：沸石、胺类、硅酸盐、IA族和IIA族氢氧化物、一价盐、二价盐、纳米二氧化硅、多磷酸盐和其任何组合。
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