CN105980515B - 钝化水泥速凝剂 - Google Patents

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Abstract

实施方案涉及注水泥操作，并且在某些实施方案中，涉及钝化水泥速凝剂以及在地下地层中使用钝化水泥速凝剂的方法。实施方案可包括注水泥的方法，所述方法包括：提供包含水泥、水和钝化水泥速凝剂的水泥组合物；以及使所述水泥组合物凝固。

Description

钝化水泥速凝剂
背景技术
实施方案涉及注水泥操作，并且在某些实施方案中，涉及钝化水泥速凝剂以及在地下地层中使用钝化水泥速凝剂的方法。
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，水泥速凝剂可用来加速水泥的强度发展。例如，水泥速凝剂可被加入水泥组合物中以便在强度发展的早期阶段(例如，在低于160℉的温度下24小时内)向水泥组合物提供可观的强度。除了其他原因之外，水泥速凝剂可适合于井筒应用中，例如，适合于希望减小操作长度(例如，通过缩短水合周期)的情况。水泥速凝剂还可适合于对抗低温的缓凝效果，诸如在靠近表面的操作中或在已经使用可能使水泥缓凝的添加剂的系统中的缓凝效果。
尽管迄今已开发出水泥速凝剂，但是它们在地下注水泥操作中的成功使用也存在挑战。例如，水泥速凝剂可具有不希望的胶凝作用问题，所述问题会限制它们在注水泥操作中的使用和有效性。这些问题可能甚至在存在分散剂的情况下仍然存在。此外，一些水泥速凝剂可诱导瞬时凝固。瞬时凝固会使水泥难以设置，会损坏地层，并且可导致操作延迟以及操作成本的增加。已经研发的传统水泥速凝剂(例如，包含CaCl2的那些水泥速凝剂)在一些操作中可能是有效的，但是在一些类型的水泥或已经利用一些类型的添加剂缓凝的水泥中使用可能受限。例如，CaCl2通常在低至40℉的温度下不可使用，此外已知CaCl2侵蚀井筒设备并且因此增加成本以及地层损坏的风险。
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。
优选实施方案的描述
实施方案涉及注水泥操作，并且在某些实施方案中，涉及钝化水泥速凝剂以及在地下地层中使用钝化水泥速凝剂的方法。包含钝化水泥速凝剂的水泥组合物可用在多种注水泥操作中，包括地面注水泥操作(例如，施工)和地下注水泥操作(例如，初次注水泥和补注水泥)。这些方法和组合物的许多潜在优势的一个是它们可增加早期强度发展，但是不会诱导或促成胶凝作用或瞬时凝固。此外，本文的方法和组合物提供加速早期强度发展的低成本、后勤性手段，并且向水泥组合物增加抗压强度，而典型的速凝剂仅加速水泥的强度发展。
示例性水泥组合物可包含水泥和水。任选地，水泥组合物还可包括石灰、分散剂和/或凝固缓凝剂。如下文更详细描述的，钝化水泥速凝剂可用来例如增加水泥组合物的早期强度发展。水泥组合物可适合用于多种地下注水泥操作，包括具有相对低温的地下地层，所述温度例如范围为约40℉或更低至约200℉的温度；以及具有高达500℉或更高的温度的地下地层。在特定实施方案中，水泥组合物可用在具有约40℉至约240℉的温度范围的地下地层中。
水泥组合物可包含水泥。多种水泥中的任何水泥可以是适合的，包括那些包含钙、铝、硅、氧、铁和/或硫的水泥，这些水泥通过与水反应来凝固并硬化。可能适合的水泥的具体实例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、二氧化硅水泥、矿渣水泥和其任何组合。适合的波特兰水泥的实例可包括根据美国石油学会的APISpecification for Materials and Testing for Well Cements,API规范10,第五版,1990年7月1日被分类为A、B、C、G或H级水泥的那些水泥。适合的波特兰水泥的另外实例可包括被分类为ASTM I、II、III、IV或V型的那些水泥。
水泥的实施方案可包含浮石，一种火山灰胶结材料。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Malvern Instruments,Worcestershire,United Kingdom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25微米范围内的d50粒度分布。在一个特定实施方案中，浮石可具有约15微米或更小的d50粒度分布。适合浮石的实例是可购自Hess Pumice Products,Inc.,Malad,Idaho的DS-325轻骨料，并且具有约15微米或更小的d50粒度分布。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。
水泥的实施方案可包含矿渣。矿渣通常是来自铸铁生产的颗粒状、鼓风炉副产物，所述铸铁包含存在于铁矿石中的氧化杂质。矿渣可以适合于特定应用的量包括在水硬水泥的实施方案中。
水泥的实施方案可包含粉煤灰，一种火山灰胶结材料。多种粉煤灰可能是适合的，包括根据美国石油协会的API Specification for Materials and Testing for WellCements,API规范10,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Halliburton Energy Services,Inc.,Houston,Texas的A水泥添加剂。
水泥的实施方案可包含高铝含量水泥。在一些实施方案中，高铝水泥包含铝酸钙。铝酸钙可以是适合用作水泥的任何铝酸钙。适合的铝酸钙是可购自Lonestar LafargeCompany的60铝酸钙。高铝含量水泥还可包含可溶性磷酸盐。除了其他情况外，据信可溶性磷酸盐与高铝含量水泥发生反应以便形成可对二氧化碳具有抗性的凝固水泥。例如，铝酸钙应与多磷酸钠发生反应以便形成磷酸钙水泥。任何类型的可溶性磷酸盐可包括在高铝含量水泥中，实例包括但不限于玻化磷酸钠、六偏磷酸钠、多磷酸钠、磷酸二氢钠、磷酸一氢钠和其组合。其他可溶性碱金属磷酸盐也可适合使用。适合的可溶性磷酸盐可购自Astaris LLC,St.Louis,Mo。
水泥可以适合用于特定应用的量包括在水泥组合物中。水泥的浓度也可加以选择例如以便在凝固后提供用于水泥组合物的特定抗压强度。在使用时，可以在水泥的约1重量％至约99重量％范围内的量来包括水泥。例如，水泥可以在水泥的约1重量％、约5重量％、约10重量％、约20重量％、约30重量％、约40重量％、约50重量％、约60重量％、约70重量％、约80重量％、约90重量％或约99重量％的任何量之间的范围内和/或包括任何量的量存在。在一个特定实施方案中，水泥可以在水泥的约25重量％至约75重量％范围内并且替代地在约40重量％至约60重量％范围内的量存在。在一些实施方案中，水泥组合物中存在的胶结成分可基本上由水泥构成。例如，水泥组合物可主要包含水泥和水，而没有在水存在下会水硬地凝固的任何另外的成分。受益于本公开的益处的本领域的普通技术人员应会认识到针对选定应用来包括的水泥的适当量。
用在水泥组合物的实施方案中的水可来自于任何来源，只要所述来源不含可能不合需要地影响水泥组合物中的其他成分的过量化合物即可。例如，水泥组合物可包含淡水或盐水(salt water)。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，水可以在水泥的约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，水可以在水泥的约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。
水泥组合物的实施方案可包含钙离子源。适合的钙离子源可包含任何化合物，诸如含钙的盐或能够离解来提供钙离子的其他物质。在一些实施方案中，钙离子源能够与水泥组合物的任何其他组分反应以便形成胶结材料。例如，适合的钙离子源能够在水的存在下与浮石反应以便形成胶结材料。钙离子源的实例包括：水合石灰(可被替代地称为例如氢氧化钙、熟石灰、建筑工人用石灰和/或消石灰)；生石灰(可被替代地称为例如氧化钙)；以及在氢氧化物离子源存在下的钙盐。根据一些实施方案的钙盐可具有CaX2的形式，其中X是带有-1的形式电荷的阴离子(例如，CaBr2、CaF2、CaI2、CaCl2)。根据其他实施方案的钙盐可具有CaX的形式，其中X是带有-2的形式电荷的阴离子(例如，碳酸根阴离子CO3 -2)。在一些实施方案中，钙离子源可伴随着水泥组合物中的氢氧化物离子源或另外与水泥组合物中的氢氧化物离子源组合。这样的来源可包括碱金属或碱土金属元素的氢氧化物盐。适合的氢氧化物盐包括氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化钙。在某些实施方案中，钙离子源可包括在水泥组合物中并且经受碱性条件(例如，为了支持钙离子源与一些水泥组合物的火山灰之间的火山灰反应)。在一些实施方案中，钙离子源自身可以是碱性的，或可以在离解之后产生碱性条件(例如像将在氢氧化钙的离解之后发生的情况)。
在存在时，钙离子源可以例如在水泥的约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，钙离子源可以在水泥的约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钙离子源的适当量。
水泥组合物的实施方案可包含凝固缓凝剂例如以便延迟凝固和/或缓凝水泥。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，诸如氨基三(亚甲基膦酸)、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Halliburton Energy Services,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，凝固缓凝剂可以在水泥的约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，凝固缓凝剂可以在水泥的约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。水泥组合物的示例性实施方案可包含浮石、水合石灰、水和凝固缓凝剂。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Geo Specialty Chemicals,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BASF Corporation Houston,Texas的5581F或514L分散剂，或可购自Coatex,Genay,France的EthacrylTMG分散剂。适合的可用分散剂的另外实例是可购自Halliburton EnergyServices,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或缓凝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组合物中的胶结材料的凝胶的形成。
在一些实施方案中，分散剂可以在水泥的约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，分散剂可以在水泥的约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。
在一些实施方案中，增粘剂可包括在水泥组合物中。增粘剂可被包括来优化流体流变学并且稳定悬浮液。在无限制的情况下，增粘剂的实例包括可溶胀粘土，诸如膨润土或生物聚合物，诸如纤维素衍生物(例如，羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素)。可商购获得的增粘剂的实例是可购自Halliburton Energy Services,Inc.,Houston,TX的SA-1015TM。增粘剂可以在水泥的约0.01重量％至约0.5重量％范围内的量包括在水泥组合物中。在具体实施方案中，增粘剂可以在水泥的约0.01重量％、约0.05重量％、约0.1重量％、约0.2重量％、约0.3重量％、约0.4重量％或约0.5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增粘剂的适当量。
适合于在注水泥操作中使用的其他添加剂还可以根据特定应用的需要加入水泥组合物中。这类添加剂的实例包括但不限于发泡添加剂、强度衰退添加剂、轻质添加剂、产气添加剂、机械性能增强添加剂、堵漏材料、失液量控制添加剂、消泡添加剂、触变性添加剂和其任何组合。这些添加剂和其他添加剂的具体实例包括结晶二氧化硅、热解二氧化硅、硅酸盐、盐、纤维、可水合粘土、微球体、硅藻土、天然火山灰、沸石、粉煤灰、谷糠灰、可溶胀弹性体、树脂、其任何组合等等。受益于本公开的益处的本领域的普通技术人员将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。
任选地，发泡添加剂可包括在水泥组合物中以便例如促进和/或稳定利用所述发泡添加剂所形成的所得泡沫。具体来说，水泥组合物可利用发泡添加剂和气体来发泡。发泡添加剂可包括减小水的表面张力的表面活性剂或表面活性剂的组合。例如，发泡剂可包含阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂、两性表面活性剂(包括两性离子表面活性剂)、阳离子表面活性剂或其混合物。适合的发泡添加剂的实例包括但不限于：甜菜碱；阴离子表面活性剂，诸如水解角蛋白；氧化胺，诸如烷基或烯烃二甲基氧化胺；椰油酰氨基丙基二甲基氧化胺；磺酸甲酯；烷基或烯烃酰氨基甜菜碱，诸如椰油酰氨基丙基甜菜碱；α-烯烃磺酸盐；季铵型表面活性剂，诸如氯化三甲基牛脂铵和氯化三甲基可可铵；C8至C22烷基乙氧基化硫酸盐；和其组合。适合的发泡添加剂的具体实例包括但不限于：烷基醚硫酸盐的铵盐、椰油酰氨基丙基甜菜碱表面活性剂、椰油酰氨基丙基二甲基氧化胺表面活性剂、氯化钠和水的混合物；烷基醚硫酸盐表面活性剂的铵盐、椰油酰氨基丙基羟基甜菜碱表面活性剂、椰油酰氨基丙基二甲基氧化胺表面活性剂、氯化钠和水的混合物；水解角蛋白；乙氧基化醇醚硫酸盐表面活性剂、烷基或烯烃酰氨基丙基甜菜碱表面活性剂和烷基或烯烃二甲基氧化胺表面活性剂的混合物；α烯系磺酸酯表面活性剂和甜菜碱表面活性剂的水溶液；和其组合。适合的发泡添加剂的实例是可购自Halliburton Energy Services,Inc的ZONESEALANTTM 2000试剂。
任选地，强度衰退添加剂可包括在水泥组合物中以便例如在已使水泥组合物发展抗压强度后防止在水泥组合物暴露于高温时强度的衰退。这些添加剂可允许水泥组合物按预期来形成，从而防止胶结组合物的裂纹和过早断裂。适合的强度衰退添加剂的实例可包括但不限于无定形二氧化硅、粗晶粒结晶二氧化硅、细晶粒结晶二氧化硅或其组合。
任选地，轻质添加剂可包括在水泥组合物中以便例如降低水泥组合物的密度。适合的轻质添加剂的实例包括但不限于膨润土、煤、硅藻土、膨胀珍珠岩、粉煤灰、黑沥青、中空微球、低密度弹性珠、氮、火山灰膨润土、硅酸钠、其组合或本领域已知的其他轻质添加剂。
任选地，产气添加剂可包括在水泥组合物中以便在预先确定的时间释放气体，这可有益于防止气体在水泥组合物硬化之前从地层迁移穿过水泥组合物。所产生的气体可与水泥组合物结合或抑制水泥组合物由地层气体渗透。适合的产气添加剂的实例包括但不限于金属颗粒(例如，铝粉)，所述金属颗粒与碱性溶液反应以产生气体。
任选地，机械性能增强添加剂可包括在水泥组合物中以便例如确保足够的抗压强度和长期结构完整性。这些特性可受应变、应力、温度、压力以及来自地下环境的撞击效应的影响。机械性能增强添加剂的实例可包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、金属纤维、矿物纤维、二氧化硅纤维、聚合物弹性体、乳胶和其组合。
任选地，堵漏材料可包括在水泥组合物中以便例如有助于防止进入地下地层中的流体循环损失。堵漏材料的实例包括但不限于雪松树皮、碎甘蔗茎、矿物纤维、云母片、赛璐玢、碳酸钙、废胶末、聚合物材料、塑料块、磨碎大理石、木材、坚果壳、胶木(formica)、玉米穗轴、棉壳和其组合。
任选地，失液量控制添加剂可包括在水泥组合物中以便例如降低流失到地下地层中的流体的体积。水泥组合物的特性可受到其含水量的显著影响。流体的损失可使水泥组合物遭受设计特性的降级或完全失效。适合的失液量控制添加剂的实例包括但不限于某些聚合物，诸如羟乙基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸和丙烯酰胺或N,N-二甲基丙烯酰胺的聚合物，以及接枝共聚物，所述接枝共聚物包含木质素或褐煤的主链和侧基，所述侧基包括选自由以下组成的组的至少一个成员：2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸、丙烯腈和N,N-二甲基丙烯酰胺。
任选地，消泡添加剂可包括在水泥组合物中以便例如在水泥组合物的混合和泵送期间降低水泥组合物发泡的趋势。适合的消泡添加剂的实例包括但不限于多元醇有机硅化合物。适合的消泡添加剂可以产品名D-AIRTM消泡剂购自Halliburton Energy Services,Inc。
任选地，触变性添加剂可包括在水泥组合物中以便例如提供可作为稀流体或低粘度流体泵送，但在使之保持静态时获得相对高粘度的水泥组合物。除了其他情况外，触变性添加剂可用来帮助控制游离水，随着浆液凝固而产生快速胶凝作用，抵抗循环量损失，防止环状柱中的“落后”，并且最小化气体迁移。适合的触变性添加剂的实例包括但不限于石膏、水溶性羧基烷基纤维素、羟烷基纤维素、混合羧基烷基羟烷基纤维素、多价金属盐、具有羟乙基纤维素的氯氧化锆或其组合。
水泥组合物的组分可以形成水泥组合物所需的任何顺序来组合，所述水泥组合物可被放置在地面和/或放入地下地层中。此外，水泥组合物的组分可使用可与组合物相容的任何混合装置来组合，所述混合装置包括例如散料混合器(bulk mixer)。在一个特定实例中，水泥组合物可通过将干燥组分(例如，其可以是水泥组分)与水组合来制备。液体添加剂(如果存在)可在水与干燥组分组合之前与水组合。干燥组分可在它们与水组合之前干混。例如，可以制备干混物，所述干混物包含镁金属矿石废料和水泥组分。其他适合的技术可用于水泥组合物的制备，如本领域的普通技术人员根据示例性实施方案将理解的。
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，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。
水泥组合物的实施方案可延迟凝固，因为它们在静态存储时在室温(例如，约80℉下)保持可泵送流体状态一天时间或更长(例如，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可泵送流体状态约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下约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API RP Practice10B-2,Recommended Practice for Testing Well Cements,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。已经延迟凝固的水泥组合物的示例性实施方案可包括浮石、水合石灰、水、凝固缓凝剂和任选地分散剂。
实施方案可通常利用钝化水泥速凝剂来增加早期强度发展。如在本文所使用，钝化水泥速凝剂是指胶结材料的颗粒，所述颗粒在水中稀释时经历水合作用使得它们不会聚结并且凝结成硬化块。在不受理论限制的情况下，据信钝化水泥速凝剂可通常被描述为具有水合反应产物的钝化层(例如，用于波特兰水泥的硅酸钙水合物的钝化层)，所述钝化层包封胶结材料的颗粒使得此类颗粒的芯部由于钝化层对它们的包封而更不可用于扩散，这可产生半透性或完全不可渗透的屏障直到所述钝化层通过将钝化颗粒置于碱性条件下至少部分地去除为止。此外，钝化过程隔离胶结材料的颗粒使得它们不会形成可凝固成硬化块中的互锁连接网状结构，而是替代地作为离散颗粒或少量颗粒(例如，两个、三个、四个颗粒等)的松散定位连接网状结构而存在，所述少量颗粒仅拥有有限的连接性，如果施加另外的搅动，那么所述有限的连接性可被打破。在实施方案中，钝化水泥速凝剂可通常通过以下方式来制备：将胶结材料与足量的水混合，同时以足够的速率并且历时充足的时间搅拌混合物，使得允许胶结材料和水反应，然而胶结材料的颗粒仍保持彼此分离，使得它们不会形成硬化块。添加的水的量以及所需搅拌或搅动的量程度取决于将要钝化的胶结材料的类型。通常，所需水的最小量是保持颗粒不聚结所必需的量；这个量可取决于将要施加的搅动量而变化。类似地，所需搅动的最小量是保持颗粒不沉降所必需的量；这个量可取决于已添加的水的量而变化。
下文表1示出可根据示例性实施方案使用的钝化水泥速凝剂的X射线衍射(“XRD”)组成分析，所述分析是与未水合波特兰水泥进行对比。表1中示出的钝化水泥速凝剂是根据下文在实施例4中所述的程序制备并且老化127天的钝化波特兰水泥。
表1
钝化水泥速凝剂的XRD
如上文表中所示，钝化水泥速凝剂的这个示例性实施方案可包含呈约50％或更少的量的C3S、呈约20％或更少的量的C2S以及呈约15％或更少的量的C4AF。对比来说，预期典型的未水合波特兰水泥将包括呈约54％的量的C3S、呈约26％的量的C2S以及呈约17％的量的C4AF。如在表1中可见，钝化过程可将胶结材料从完全结晶材料转化为部分地包含结晶相并部分地包含非晶相的材料。甚至在钝化水泥已经与水接触127天以后，仍存在未水合结晶材料的证据，所述未水合结晶材料以组合物的约14％存在。在不受理论限制的情况下，未水合结晶材料的存在可通过钝化过程来解释。理想地，在钝化过程期间，非晶相围绕结晶水泥颗粒形成低扩散屏障(例如，在波特兰水泥中，非晶屏障可由波特兰水泥反应产物硅酸钙水合物“CSH”构成)。这种屏障防止水泥颗粒的总体水合并且提供一种机制，钝化水泥速凝剂通过所述机制在引入胶结浆液时变为活性的。在不受理论限制的情况下，据信钝化水泥速凝剂起作用的机制是当速凝剂被引入碱性胶结浆液时，非晶层溶解或部分溶解，并且剩余结晶胶结材料被水合。结晶胶结材料的水合和已溶解非晶相的内在反应性向在碱性胶结浆液中发生的胶结反应提供显著的加速。
本文讨论的任何胶结材料都可被钝化。例如，钝化水泥速凝剂可包含波特兰水泥、火山灰水泥、石膏水泥、高铝含量水泥、二氧化硅水泥、矿渣水泥和其任何组合。作为实例并且在不受理论限制的情况下，据信已钝化的波特兰水泥将包含由硅酸钙水合物(CHS)凝胶的钝化层包围的波特兰水泥颗粒。在这个实例中，钝化波特兰水泥可能不会形成硬化块直到将所述水泥置于碱性条件下以使得碱性可去除钝化层的至少一部分为止。
制备钝化水泥速凝剂包括将胶结材料加入水中。应使用足量的水，使得胶结材料的颗粒不能够聚结，例如可以胶结材料的约60重量％至胶结材料的500重量％或更多的量使用水。水的量应足以充分稀释混合物使得胶结材料的颗粒通常不应聚结并且彼此粘结，即它们保持离散。出于所有实际目的，对应添加的水的量的仅有限制是由后勤顾虑所确定的那些限制。例如，不应使胶结材料的颗粒沉降，因此，尽管非常大量的水可保持所述颗粒不聚结，但它们还可能需要非常剧烈的搅动或大量的悬浮助剂以便保持所述颗粒不沉降。因此，对于所有系统来说，水的最少量是保持颗粒不聚结所必需的量，并且水的最大量是仍存在切实可行的方式来保持颗粒不沉降的最大量。在已将水加入胶结材料之后，钝化过程将开始。混合物可需要反应一段时间，例如，约4个小时至约12个小时。在反应阶段期间，可能需要连续或间歇地搅拌混合物。可使用任何类型的搅拌或搅动，只要足以保持水泥颗粒不沉降即可(例如，可使用磁性搅拌器和顶置式搅拌器)。此外，如上文所讨论的，悬浮剂可用来帮助使水泥颗粒悬浮。悬浮剂的使用可作为搅动的补充或替代搅动。适合的悬浮助剂的实例可包括增粘剂，诸如上文描述的那些增粘剂，包括可溶胀粘土，诸如膨润土或生物聚合物，诸如纤维素衍生物(例如，羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素)。可商购获得的增粘剂的实例是可购自Halliburton Energy Services,Inc.,Houston,TX的SA-1015TM。
钝化水泥速凝剂应通常被钝化使得钝化颗粒的水硬活性得以减小。例如，钝化水泥速凝剂和水的混合物可通常在延长的时间段内不凝固来形成硬化块，甚至在不存在凝固缓凝剂的情况下也是如此。在一些实施方案中，钝化水泥速凝剂和水的混合物可在延长的时间段内保持可泵送流体状态(即，如上文所讨论的小于70Bc的稠度)。例如，钝化水泥速凝剂和水的混合物可在约1天至约10天或更长的范围内保持为可泵送流体状态。明确来说，钝化水泥速凝剂和水的混合物可在约1天、约3天、约7天、约10天或更长时间保持为可泵送状态。在一些实施方案中，这种混合物可作为液体添加剂加入水泥组合物中。替代地，水可以任何充分方式(例如，过滤、干燥、抽吸等)从钝化水泥速凝剂中去除，并且钝化水泥速凝剂可保持为干粉并存储供随后使用。干燥钝化水泥速凝剂可在使用前存储数周或数月，例如，干燥钝化水泥速凝剂可存储约4个月或更长时间。
在实施方案中，钝化水泥缓凝剂可以在水泥组合物的约0.1重量％至约10重量％范围内的量加入水泥组合物中。在具体实施方案中，钝化水泥缓凝剂可以在水泥组合物中的水泥的约0.1重量％、约0.5重量％、约1重量％、约2重量％、约3重量％、约5重量％、约7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钝化水泥缓凝剂的适当量。
在实施方案中，钝化水泥缓凝剂可用来增加水泥组合物中的早期强度发展。应当理解，钝化水泥缓凝剂无需但可以包括相同或类似类型的水泥，所述水泥是由钝化水泥速凝剂提供的强度增强的对象。例如，包含钝化波特兰水泥的钝化水泥缓凝剂可被加入包含浮石、水合石灰和水的水泥组合物中。在特定实施方案中，水泥组合物可以是延迟凝固的水泥组合物，如上文详细讨论的。作为另一实例，钝化矿渣水泥速凝剂可被加入包含高铝含量水泥的水泥组合物中。
在一些实施方案中，水泥组合物可在钝化水泥速凝剂的添加后凝固来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。抗压强度可在钝化水泥速凝剂已加入水泥组合物中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水泥组合物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Fann Instrument Company,Houston,TX的UCATM超声水泥分析器。抗压强度值可根据API RP 10B-2,Recommended Practice for Testing WellCements,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40℉(或更低)至约500℉(或更高)范围内的温度下测定抗压强度值。
在一些实施方案中，在钝化水泥速凝剂的添加之后，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API RP Practice 10B-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。
钝化水泥速凝剂的任选实施方案可与水泥凝固活化剂一起使用，使得包含钝化水泥速凝剂和水泥凝固活化剂的添加剂可被加入水泥组合物中。在使用水泥凝固活化剂的实施方案中，可能必需搅拌钝化水泥速凝剂和水泥凝固活化剂的混合物，同时将混合物保持在冰浴中冷却以便减轻任何温度增加。替代地，水泥凝固活化剂可在钝化水泥速凝剂之前、之后或与钝化水泥速凝剂同时直接加入水泥组合物中。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，并且还可在某些系统中加速延迟凝固或缓凝水泥组合物的凝固。例如，延迟凝固和/或缓凝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，延迟凝固和/或缓凝水泥组合物的实施方案可在约1小时、约2小时、约4小时、约6小时、约8小时、约10小时或约12小时的任何时间之间的范围内和/或包括任何时间的时间段内凝固而形成硬化块。
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括一价盐和多磷酸盐的组合。一价盐和多磷酸盐可在被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和/或缓凝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。分散剂的一个实例是可购自Halliburton Energy Services,Inc的CFR-3TM分散剂。适合的聚羧酸醚分散剂的实例包括可购自BASF Corporation,Houston,Texas的514L和5581F分散剂。
液体添加剂可用作水泥凝固活化剂。如上文所讨论，水泥凝固活化剂还可加速延迟凝固和/或缓凝水泥的凝固。加速延迟凝固和/或缓凝水泥的液体添加剂的使用取决于液体添加剂的组合物构成以及延迟凝固和/或缓凝水泥的组合物构成。受益于本公开的益处，本领域的普通技术人员应能够配制液体添加剂以便活化和/或加速延迟凝固和/或缓凝水泥组合物。
水泥凝固活化剂可以足以诱导延迟凝固和/或缓凝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水泥的约0.1重量％至约20重量％范围内的量加入延迟凝固和/或缓凝水泥组合物中。在具体实施方案中，水泥凝固活化剂可以在水泥的约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。
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，诸如地面注水泥操作(例如，施工)和地下注水泥操作(例如，初次注水泥和补注水泥)。作为实例，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水泥组合物。钝化水泥速凝剂可被加入水泥组合物中。接着可使包含钝化水泥速凝剂的水泥组合物凝固。在一些实施方案中，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、浮石、水合石灰、凝固缓凝剂和任选地分散剂的水泥组合物。水泥组合物可被存储在例如器皿或其他适合的容器中。可允许水泥组合物在所需时间段内保持存储。例如，水泥组合物可在约1天或更长的时间段内保持存储。例如，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，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，水泥组合物可通过例如水泥凝固活化剂的添加来活化，所述水泥凝固活化剂可以是钝化水泥速凝剂的组分或与钝化水泥速凝剂结合添加。水泥组合物可接着被引入地下地层中，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，水泥组合物可被放置在井筒中以便堵塞地层中、填砾(gravel pack)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)。
实施方案可包括注水泥的方法，所述方法包括：提供包含水泥、水和钝化水泥速凝剂的水泥组合物；以及使所述水泥组合物凝固。
实施方案可包括水泥组合物，所述水泥组合物包按：钝化水泥速凝剂、水和水泥。
实施方案可包括用于在井筒中注水泥的钝化注水泥系统，所述钝化注水泥系统包括：钝化水泥速凝剂、包含水泥和水的水泥组合物、能够将钝化水泥速凝剂与水泥组合物混合的混合设备，以及用于将混合的钝化水泥速凝剂和水泥组合物输送到井筒的泵送设备。
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，并且钝化水泥速凝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。钝化水泥速凝剂可包含活化剂。替代地，活化剂可在钝化水泥速凝剂之前、之后或与其同时加入再循环混合器和/或分批混合器。
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2，根据示例性实施方案，延迟凝固或非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以下组分的钝化水泥速凝剂和水泥凝固活化剂组合物：
表2
钝化水泥速凝剂和水泥凝固活化剂组合物构成
钝化水泥速凝剂通过将30.0克H级波特兰水泥加入75.0克水中来制备。使混合物反应5小时并且搅拌使得水泥颗粒充分分离并不能形成硬化块。向此混合物中加入56.5克CaCl2并且搅拌到混合物中，同时在冰浴中冷却混合物以便减轻由将CaCl2加入水导致的发热释放。为了证实混合物将保持在可泵送流体状态并且将不凝固成硬化块，将混合物放置在工作台顶部上的密封容器中并且每天一次进行视觉检查。10天以后，混合物仍处于可泵送流体状态中。
接着将包含水泥凝固活化剂的钝化水泥速凝剂加入包含以下组分的延迟凝固的水泥组合物中：
表3
延迟凝固的水泥组合物构成
组分 量 单位*
水 60 ％bwoC
浮石 100 ％bwoC
石灰 20 ％bwoC
加重剂 2 ％bwoC
缓凝剂 1.25 ％bwoC
辅缓凝剂 0.5 ％bwoC
分散剂 0.6 ％bwoC
增粘剂 0.035 ％bwoC
*％bwoC＝水泥重量，对于这个系统来说，水泥为浮石。
组合物具有13.2磅每加仑的密度。加重剂是可购自Halliburton EnergyServices,Inc.,Houston,TX的FF重量添加剂。水泥缓凝剂是可购自Halliburton Energy Services,Inc.,Houston,TX的Micro水泥缓凝剂。水泥辅缓凝剂是可购自Halliburton Energy Services,Inc.,Houston,TX的-5水泥缓凝剂。分散剂是可购自BASF,Florham Park,New Jersey的Liquiment 5581F分散剂。增粘剂是可购自Halliburton Energy Services,Inc.,Houston,TX的SA-1015TM悬浮剂。在制备水泥组合物之后，水泥组合物的实验样本与钝化水泥速凝剂和水泥凝固活化剂组合物混合。此外，水泥组合物的对照样本仅与水泥凝固活化剂混合。在混合之后，根据以下参数在大气压调节器中进一步调节两种水泥组合物样本：在183℉下70分钟，接着在151℉下60分钟。接着将样本倾注到1”乘2”黄铜圆筒中并且在160℉和3000psi下在高压釜中固化24小时。在固化样本之后，根据在API RP Practice 10B-2,Recommended Practice for Testing WellCements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4中呈现。
表4
抗压强度测量
水泥凝固活化剂 钝化水泥速凝剂 密度(ppg) 抗压强度(psi)
5％* 2.65％* 13.2 2082
5％* -- 13.2 95
*水泥的重量％，对于这个系统来说，水泥为浮石。
结果为三次实验的平均值。结果显示：添加钝化水泥速凝剂比单独添加水泥凝固活化剂使24小时抗压强度增加得更多。
实施例2
以下实施例描述包含以下组分的钝化水泥速凝剂和水泥凝固活化剂组合物：
表5
钝化水泥速凝剂和水泥凝固活化剂组合物构成
组分 重量(g) 重量(％)
水 75.0 46.4
胶结材料 30.0 18.6
活化剂 56.5 35.0
钝化水泥速凝剂通过将30.0克的磨粉粒状高炉渣加入75.0克水中来制备。使混合物反应5小时并且搅拌使得水泥颗粒充分分离并不能形成硬化块。向此混合物中加入56.5克CaCl2并且搅拌到混合物中，同时在冰浴中冷却混合物以便减轻由将CaCl2加入水导致的发热释放。为了证实混合物将保持在可泵送流体状态并且将不凝固成硬化块，将混合物放置在工作台顶部上的密封容器中并且每天一次进行视觉检查。2天以后，混合物仍处于可泵送流体状态中。
接着将包含水泥凝固活化剂的钝化水泥速凝剂加入包含以下组分的延迟凝固的水泥组合物中：
表6
延迟凝固的水泥组合物构成
组分 量 单位*
水 60 ％bwoC
浮石 100 ％bwoC
石灰 20 ％bwoC
加重剂 2 ％bwoC
缓凝剂 1.25 ％bwoC
辅缓凝剂 0.5 ％bwoC
分散剂 0.6 ％bwoC
增粘剂 0.035 ％bwoC
*％bwoC＝水泥重量，对于这个系统来说，水泥为浮石。
组合物具有13.2磅每加仑(ppg)的密度。加重剂是可购自Halliburton EnergyServices,Inc.,Houston,TX的FF重量添加剂。水泥缓凝剂是可购自Halliburton Energy Services,Inc.,Houston,TX的Micro水泥缓凝剂。水泥辅缓凝剂是可购自Halliburton Energy Services,Inc.,Houston,TX的-5水泥缓凝剂。分散剂是可购自BASF,Florham Park,New Jersey的Liquiment 5581F分散剂。增粘剂是可购自Halliburton Energy Services,Inc.,Houston,TX的SA-1015TM悬浮剂。在制备水泥组合物之后，水泥组合物的实验样本与钝化水泥速凝剂和水泥凝固活化剂组合物混合。此外，水泥组合物的对照样本仅与水泥凝固活化剂混合。在混合之后，根据以下参数在大气压调节器中进一步调节两种水泥组合物样本：在183℉下70分钟，接着在151℉下60分钟。接着将样本倾注到1”乘2”黄铜圆筒中并且在160℉和3000psi下在高压釜中固化24小时。在固化样本之后，根据在API RP Practice 10B-2,Recommended Practice for Testing WellCements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7中呈现。
表7
抗压强度测量
水泥凝固活化剂 钝化水泥速凝剂 密度(ppg) 抗压强度(psi)
5％* 2.65％* 13.2 1324
5％* -- 13.2 95
*胶结材料的重量％，对于这个系统来说，水泥为浮石。
结果为三次实验的平均值。结果显示：用作水泥速凝剂的钝化矿渣比单独添加水泥凝固活化剂使24小时抗压强度增加得更多。
实施例3
以下实施例描述包含以下组分的钝化水泥速凝剂和水泥凝固活化剂组合物：
表8
钝化水泥速凝剂和水泥凝固活化剂组合物构成
组分 重量(g) 重量(％)
水 75.0 46.4
胶结材料 30.0 18.6
活化剂 56.5 35.0
增粘剂 0.03 0.02
钝化水泥速凝剂通过将30.0克H级波特兰水泥加入75.0克水和0.03克增粘剂中来制备，所述增粘剂是可购自Halliburton Energy Services,Inc.,Houston,TX的SA-1015TM悬浮剂。使混合物反应5小时并且搅拌使得水泥颗粒充分分离并不能形成硬化块。向此混合物加入56.5克CaCl2中并且搅拌到混合物中，同时在冰浴中冷却混合物以便减轻由将CaCl2加入水导致的发热释放。
接着将包含水泥凝固活化剂的钝化水泥速凝剂加入包含以下组分的三种不同的H级波特兰水泥组合物中：
表9
水泥组合物组成
组分* 样本1 样本2 样本3
水 38.1 37.9 37.7
水泥 100.0 100.0 100.0
缓凝剂 0.0 0.5 1.0
*水泥的重量％，对于这个系统来说，水泥为H级波特兰水泥。
每个样本具有16.5磅每加仑的密度。水泥缓凝剂是可购自Halliburton EnergyServices,Inc.,Houston,TX的-5水泥缓凝剂。在每种水泥组合物的制备之后，将每种组合物分成实验样本和对照样本。水泥组合物的实验样本与钝化水泥速凝剂和水泥凝固活化剂组合物混合。水泥组合物的对照样本仅与水泥凝固活化剂混合。在混合之后，接着将水泥组合物样本倾注到2”乘4”黄铜圆筒中并且在80℉下在水浴中固化24小时。在固化样本之后，根据在API RP Practice 10B-2,Recommended Practice for Testing Well Cements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10中呈现。
表10
抗压强度测量
*水泥的重量％，对于这个系统来说，水泥为H级波特兰水泥；**DNS＝未凝固。
结果为三次实验的平均值。结果显示：添加钝化水泥速凝剂比单独添加水泥凝固活化剂使24小时抗压强度增加得更多。
实施例4
以下实施例描述包含以下组分的钝化水泥速凝剂组合物：
表11
钝化水泥速凝剂组合物构成
组分 重量(g) 重量(％)
水 750.0 70.7
胶结材料 300.0 28.3
增粘剂 10.6 1
钝化水泥速凝剂通过将300.0克H级波特兰水泥加入750.0克水和10.6克增粘剂中来制备，所述增粘剂是可购自Halliburton Energy Services,Inc.,Houston,TX的SA-1015TM悬浮剂。使混合物反应5小时并且搅拌使得水泥颗粒充分分离并且不能形成硬化块。接着将钝化水泥速凝剂加入缓凝铝酸钙磷酸盐水泥中：
表12
水泥组合物构成
组分* 重量(g) ％bwoC*
水 311 39
水泥 800 100
缓凝剂 8 1
辅缓凝剂 4 0.5
*水泥的重量％，对于这个系统来说，水泥为铝酸钙磷酸盐水泥。
水泥缓凝剂是可购自Halliburton Energy Services,Inc.,Houston,TX的FE-2TM水泥缓凝剂。辅缓凝剂是有机酸。在组合物的制备之后，将1123克水泥组合物加入39.7克钝化水泥速凝剂中。随后在瓦氏高速捣碎器(Warring Blender)中以4000rpm将混合物搅拌1分钟。
根据在API RP Practice 10B-2,Recommended Practice for Testing WellCements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)的二号弹簧测量样本的流变特性。结果在以下表13中呈现。
表13
流变测量值
将波特兰水泥引入铝酸钙磷酸盐水泥中可导致胶凝作用和/或瞬时凝固。然而，结果显示：钝化波特兰水泥的引入不会在混合后立即或在两个小时内导致胶凝作用和/或瞬时凝固。
接着将组合物分成实验样本和对照样本。水泥组合物的实验样本与钝化水泥速凝剂混合。水泥组合物的对照样本不与钝化水泥速凝剂混合。接着将水泥组合物样本倾注到1”乘2”黄铜圆筒中并且在室温下固化72小时。在固化样本之后，根据在API RP Practice10B-2,Recommended Practice for Testing Well Cements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14中呈现。
表14
抗压强度测量值
组合物 钝化水泥速凝剂* 抗压强度(psi)
对照 0.0％ DNS**
实验 1％ 236.2
*水泥的重量％，对于这个系统来说，水泥为铝酸钙磷酸盐水泥；**DNS＝未凝固。
结果为三次实验的平均值。结果显示：添加钝化水泥速凝剂甚至在不存在水泥凝固活化剂的情况下增加72小时抗压强度。
实施例5
以下实施例描述包含以下组分的钝化水泥速凝剂组合物：
表15
钝化水泥速凝剂和水泥凝固活化剂组合物构成
组分 重量(g) 重量(％)
水 750.0 70.7
胶结材料 300.0 28.3
增粘剂 10.6 1
钝化水泥速凝剂通过将300.0克H级波特兰水泥加入750.0克水和10.6克增粘剂中来制备，所述增粘剂是可购自Halliburton Energy Services,Inc.,Houston,TX的SA-1015TM悬浮剂。使混合物反应5小时并且搅拌使得水泥颗粒充分分离并不能形成硬化块。接着将钝化水泥速凝剂加入未缓凝的铝酸钙磷酸盐水泥中：
表16
水泥组合物构成
组分* 重量(g) ％bwoC*
水 311 39
水泥 800 100
*水泥的重量％，对于这个系统来说，水泥为铝酸钙磷酸盐水泥。
在组合物的制备之后，将861克水泥组合物加入30.4克钝化水泥速凝剂中。随后在瓦氏高速捣碎器中以4000rpm将混合物搅拌1分钟。
根据在API RP Practice 10B-2,Recommended Practice for Testing WellCements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)的二号弹簧测量样本的流变特性。结果在以下表17中呈现。
表17
流变测量
钝化水泥速凝剂不会导致胶凝作用或瞬时凝固。混合物比实施例4中的缓凝水泥组合物更具粘性，而组合物仍为流体并且流变性测量值甚至在一个小时之后很大程度上无变化。
接着将组合物分成实验样本和对照样本。水泥组合物的实验样本与钝化水泥速凝剂混合。水泥组合物的对照样本不与钝化水泥速凝剂混合。接着将水泥组合物样本倾注到1”乘2”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API RPPractice 10B-2,Recommended Practice for Testing Well Cements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18中呈现。
表18
抗压强度测量值
组合物 钝化水泥速凝剂* 抗压强度(psi)
对照 0.0％ DNS**
实验 1％ 244.66
*水泥的重量％，对于这个系统来说，水泥为铝酸钙磷酸盐水泥；**DNS＝未凝固。
结果为三次实验的平均值。结果显示：添加钝化水泥速凝剂甚至在不存在水泥凝固活化剂的情况下增加24小时抗压强度。
实施例6
为展示钝化水泥速凝剂中的胶结材料的颗粒已不能钝化，执行以下实验。制备包含以下组分的钝化水泥速凝剂组合物：
表19
钝化水泥速凝剂组合物构成
组分 重量(g) 重量(％)
水 750.0 70.7
胶结材料 300.0 28.3
增粘剂 10.6 1
钝化水泥速凝剂通过将300.0克H级波特兰水泥加入750.0克水和10.6克增粘剂中来制备，所述增粘剂是可购自Halliburton Energy Services,Inc.,Houston,TX的SA-1015TM悬浮剂。使混合物反应5小时并且搅拌使得水泥颗粒充分分离并不能形成硬化块。
在制备之后，使样本老化5小时并且接着进行视觉检查。观察到样本为可流动并且可泵送的。接着根据在API RP Practice 10B-2,Recommended Practice for TestingWell Cements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)的二号弹簧测量样本的流变特性。结果在以下表20中呈现。
表20
用于钝化水泥速凝剂的5小时流变性测量值
*VAV100rpm＝在100rpm下的体积平均粘度，以厘泊为单位。
接着使浆液在间歇(一周少于3次)搅动(即搅拌)下老化127天。在此之后，视觉检查浆液并且观察到所述浆液仍为可流动并且可泵送的。使用与上文所述相同的方案和参数再次测定流变性测量值。结果在以下表21中呈现。
表21
用于钝化水泥速凝剂的127天流变性测量值
*VAV100rpm＝在100rpm下的体积平均粘度，以厘泊为单位。
尽管127天后粘度有轻微增加，但是样本不会凝固成硬化块并且已观察到成功钝化。
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 (25)

1.一种注水泥方法，其包括：
提供包含水泥、水和钝化水泥速凝剂的水泥组合物；以及
使所述水泥组合物凝固；
其中，所述钝化水泥速凝剂通过包括以下的工艺来制备：将胶结材料与水混合并且搅动所述胶结材料和水的所述混合物使得在所述胶结材料的至少一部分上形成钝化层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述水泥组合物还包含至少一种凝固缓凝剂，所述凝固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、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、硼酸盐化合物和其任何混合物。
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括至少一种水泥凝固活化剂，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。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述水泥组合物还包括至少一种分散剂，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.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述钝化水泥速凝剂选自由以下各项组成的组：钝化波特兰水泥、钝化火山灰水泥、钝化石膏水泥、钝化高铝含量水泥、钝化二氧化硅水泥、钝化矿渣水泥、其任何组合。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述水泥选自由以下各项组成的组：波特兰水泥、火山灰水泥、石膏水泥、高铝含量水泥、二氧化硅水泥、矿渣水泥和其任何组合。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述钝化水泥速凝剂以液体添加剂形式提供，所述液体添加剂还包含增粘剂。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述钝化水泥速凝剂包含钝化波特兰水泥，其中所述水泥包含浮石，并且其中所述水泥组合物还包含水合石灰、木质素磺酸盐和氯化钙。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其还包括通过将钝化水泥速凝剂与至少所述水泥和所述水混合来制备所述水泥组合物。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其还包括将所述水泥组合物引入地下底层中，其中所述水泥组合物在所述地下底层中凝固。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述水泥组合物用于初次注水泥操作中。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述凝固缓凝剂是包含磺酸酯基和羧酸基的三元聚合物。
13.一种水泥组合物，其包含：
钝化水泥速凝剂，该钝化水泥速凝剂通过包括以下的工艺来制备：将胶结材料与水混合并且搅动所述胶结材料和水的所述混合物使得在所述胶结材料的至少一部分上形成钝化层，
水，以及
水泥。
14.根据权利要求13所述的组合物，其还包含至少一种凝固缓凝剂，所述凝固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、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、硼酸盐化合物和其任何混合物。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的组合物，其还包含至少一种水泥凝固活化剂，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13至14中任一项所述的组合物，其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。
17.根据权利要求13至14中任一项所述的组合物，其中所述钝化水泥速凝剂选自由以下各项组成的组：钝化波特兰水泥、钝化火山灰水泥、钝化石膏水泥、钝化高铝含量水泥、钝化二氧化硅水泥、钝化矿渣水泥、其任何组合。
18.根据权利要求13至14中任一项所述的组合物，其中所述水泥选自由以下各项组成的组：波特兰水泥、火山灰水泥、石膏水泥、高铝含量水泥、二氧化硅水泥、矿渣水泥和其任何组合。
19.根据权利要求13至14中任一项所述的组合物，其中所述钝化水泥速凝剂包含钝化波特兰水泥，其中所述水泥包含浮石，并且其中所述水泥组合物还包含水合石灰、木质素磺酸盐和氯化钙。
20.根据权利要求13所述的组合物，其中所述凝固缓凝剂是包含磺酸酯基和羧酸基的三元聚合物。
21.一种用于在井筒中注水泥的钝化注水泥系统，其包括：
钝化水泥速凝剂，该钝化水泥速凝剂通过包括以下的工艺来制备：将胶结材料与水混合并且搅动所述胶结材料和水的所述混合物使得在所述胶结材料的至少一部分上形成钝化层，
包含水泥和水的水泥组合物，
能够使所述钝化水泥速凝剂和所述水泥组合物混合的混合设备，以及
用于将所述混合的钝化水泥速凝剂和所述水泥组合物输送到井筒的泵送设备。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述水泥组合物还包含至少一种凝固缓凝剂，所述凝固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、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、硼酸盐化合物和其任何混合物。
23.根据权利要求21或权利要求22所述中任一项所述的系统，其中所述钝化水泥速凝剂以液体添加剂形式存在，所述液体添加剂还包含至少一种水泥凝固活化剂，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。
24.根据权利要求21至22中任一项所述的系统，其中所述系统还包括权利要求16至权利要求19中任一项定义的特征中的一个或多个。
25.根据权利要求22所述的系统，其中所述凝固缓凝剂是包含磺酸酯基和羧酸基的三元聚合物。
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