CN110177854A

CN110177854A - 反应性映射

Info

Publication number: CN110177854A
Application number: CN201780083388.8A
Authority: CN
Inventors: T·J·皮斯克拉克; 詹姆斯·R·本克雷; 达雷尔·查德·布雷内斯; R·G·摩根; W·奎洛希门尼斯; J·P·辛格
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2017-02-22
Filing date: 2017-02-22
Publication date: 2019-08-27
Also published as: GB201909501D0; AU2017400689B2; BR112019014066A2; GB2572293A; AU2017400689A1; US20200332172A1; RU2728648C1; NO20190868A1; GB2572293B; US20230323184A1; WO2018156124A1; US11702581B2

Abstract

提供了反应性映射方法。一种方法可以包括：对一组无机颗粒中的每种无机颗粒进行分析，以生成关于所述无机颗粒的物理和/或化学性质的数据；以及基于所述数据而生成所述无机颗粒的性质之间的相关性。

Description

反应性映射

背景技术

在固井过程中，例如油井施工和补救固井过程中，通常利用水泥组合物。水泥组合物可以用于多种地下应用。例如，在地下油井施工中，管柱(例如，套管、衬管、可膨胀管件等)可以延伸到井筒中并且被凝结到适当位置。将管柱凝结到适当位置的过程通常称为“初级固井”。在典型的主要固井方法中，可以将水泥组合物泵送到井筒壁与安置在其中的管柱的外表面之间的环形空间中。水泥组合物可以凝固在环形空间中，从而形成硬化的、基本上不可渗透的水泥环形护套(即,水泥护套)，所述环形护套可以支撑管柱并且将其定位在井筒中，并且可以将管柱的外表面粘合到地下地层。除其他作用外，围绕管柱的水泥护套起到防止环形空间中流体迁移和保护管柱免受腐蚀的作用。水泥组合物也可以用于补救性固井方法，例如，密封管柱或水泥护套中的裂缝或孔洞，密封高渗透性地层区或裂缝，放置水泥塞等。

固井过程中的特殊挑战是在放置在地下地层中之后的合理时间段内在水泥组合物中形成令人满意的机械性质。通常，对具有不同添加剂的几种水泥组合物进行测试，以确定它们是否满足特定油井的材料工程设计要求。选择水泥组合物的组分的过程通常通过最佳猜测方法完成，即利用先前的浆料并对其进行改性直至达成满意的方案为止。该过程可能是耗时的并且得到的浆料可能是昂贵的。此外，任何一个特定区域中可用的水泥组分的组合物可能与另一个区域的组合物不同，以至于使选择正确浆料的过程进一步复杂化。

附图说明

这些附图示出了本发明的部分实施方案的某些方面，并且不应被用来限制或限定本发明。

图1是示出有关压缩强度指数计算的模拟结果的图表。

图2是示出有关压缩强度指数计算的模拟结果的图表。

图3是用于分析水泥组分的示例性系统的示意图。

图4是用于生成水泥组合物的示例性系统的示意图。

图5是示出将水泥组合物引入井筒中的示意图。

具体实施方式

本公开总体上会涉及固井方法和系统。本文提供的方法可以包括基于物理化学性质而对硅石源、水泥和其他材料进行识别和分类。在一些实例中，硅石源可以被认为是无机颗粒。无机颗粒可以包括或不包括硅石，并且可以包括诸如氧化铝和其他氧化物的其他矿物质。水泥组合物的每种水泥组分的物理化学性质可以影响浆料的最终凝固机械性质以及基于动态或时间的性质，诸如可混合性、流变性、粘度等。每种水泥组分都可能会影响所提及的性质中的一个或多个，有时是不可预测的。例如，可以将本地来源的飞灰添加到水泥组合物中。添加的飞灰可以增加水泥组合物的压缩强度，并且可能对例如水泥组合物的增稠时间没有影响。在另一区域中，虽然本地来源的飞灰也可以增加水泥组合物的压缩强度，但是也可能增加增稠时间。水泥组合物的不可预测性能可能要在进行多次实验室测试之后才能实现。

水泥组合物通常可以包括水和水泥添加剂。水泥添加剂可以包括两种或更多种水泥组分，所述两种或更多种水泥组分在与水混合之前可以干混以形成水泥添加剂。或者，水泥组分在与水混合之前不得混合。水泥组分通常可以被描述为碱溶性的。

水泥组分也可以是水泥质的。水泥组合物可以包括水和水泥添加剂，诸如水硬性水泥、水泥窑灰和/或天然火山灰等。如本文更详细地描述，水泥组合物可以根据本领域普通技术人员的需要发泡和/或扩展。

水泥组合物可以具有适合特定应用的密度。水泥组合物可具有任何合适的密度，包括但不限于在约8磅/加仑(“ppg”)到约16ppg(1g/cm³到1.9g/cm³)的范围内。在发泡的实例中，水泥组合物可以具有在约8ppg到约13ppg(1g/cm³到1.6g/cm³)的范围内(或甚至更低)的密度。

水泥组合物中使用的水可以包括例如淡水、盐水(例如，含有溶解在其中的一种或多种盐的水)、卤水(例如，由地下地层产生的饱和盐水)、海水或以上各项的组合。通常，水可以来自任何来源，前提是它不含有可能会不利地影响水泥组合物中的其他组分的过量化合物。水的含量可能足以形成可泵送的浆料。水泥组合物中的水的含量可以在任何合适的范围内，包括但不限于在约40％占水泥添加剂重(“bwoc”)到约200％bwoc范围内。在一些实例中，水的含量可以在约40％bwoc到约150％bwoc的范围内。

水泥添加剂可以包括两种或更多种水泥组分。水泥组分中的一个可以包括水硬性水泥。根据本公开可以利用多种水硬性水泥，包括但不限于包括钙、铝、硅、氧、铁和/或硫的水硬性水泥，所述水硬性水泥通过与水反应而凝固和硬化。合适的水硬性水泥可以包括波特兰水泥、石膏和高氧化铝含量的水泥等。适用于本公开的波特兰水泥可以根据美国石油协会有关井用水泥的材料和测试的API规范-1990年7月1日的API规范10第五版分类为A级、C级、G级和H级水泥。另外，在一些实例中，适用于本发明的水泥可以分类为ASTMⅠ型、Ⅱ型或Ⅲ型。可以认为是“低波特兰”的水泥组合物可以通过使用本文公开的技术来设计。

当存在时，水硬性水泥通常可以以足以提供期望的压缩强度、密度和/或成本的量包括在水泥组合物中。水硬性水泥可以以任何合适的量存在于水泥组合物中，所述任何合适的量包括但不限于在约0％bwoc到约99％bwoc范围内。在一些实例中，水硬性水泥可以以在约1％、约5％、约10％、约20％、约40％、约60％、约80％或约90％bwoc中的任何一个之间和/或包括其中任何一个的范围内的量存在。可以使用被认为是“低波特兰”的水泥组合物，因为波特兰水泥(如果使用)可以以约40％或更低的bwoc或者约10％或更低的bwoc存在于水泥组合物中。另外，还可以设计不含(或基本上不含)波特兰水泥的水泥组合物。受益于本公开的本领域普通技术人员应当能够为特定应用选择适当量的水硬性水泥。

除了波特兰水泥外，还可以使用可以被认为是碱溶性的额外水泥成分。当某种水泥成分在pH 7.0或更高的水溶液中至少部分可溶解时，这种水泥成分被认为是碱溶性的。某些碱溶性水泥组分可以包括地质聚合物水泥，所述地质聚合物水泥可以包括硅铝酸盐源、金属硅酸盐源和活化剂。地质聚合物水泥可以反应以形成地质聚合物。地质聚合物是一种形成长距离、共价键合的非晶体网络的无机聚合物。地质聚合物可以通过化学溶解和随后的各种硅铝酸盐和硅酸盐的再冷凝形成，以形成3D网络或三维矿物聚合物。

用于地质聚合物水泥的活化剂可以包括但不限于金属氢氧化物氯化物盐(诸如KCl、CaCl₂、NaCl)、碳酸盐(诸如Na₂CO₃)、硅酸盐(诸如硅酸钠)、铝酸盐(诸如铝酸钠)和氢氧化铵。

用于地质聚合物水泥的硅铝酸盐源可以包括任何合适的硅铝酸盐。硅铝酸盐是包括铝、硅和氧以及相反阳离子的矿物质。可能存在可能是硅铝酸盐源的几百种矿物质，因为它们可能包括硅铝酸盐矿物质。如果可以知道诸如组分等特定性质，则每种硅铝酸盐源可以潜在地用于特定情况。诸如红柱石、蓝晶石和硅线石等的一些矿物质是天然存在的铝硅酸盐源，其具有相同的组分Al₂SiO₅，但是晶体结构不同。由于晶体结构不同，每种矿物质和红柱石、蓝晶石或硅线石可以在相同的温度和压力下或多或少地快速和不同程度地做出反应。其他合适的硅铝酸盐源可以包括但不限于煅烧粘土、部分煅烧的粘土、高岭石粘土、红土粘土、伊利粘土、火山岩、矿尾料、高炉矿渣和煤飞灰。

金属硅酸盐源可以包括任何合适的金属硅酸盐。硅酸盐是含有阴离子硅化合物的化合物。硅酸盐的一些实例包括正硅酸盐阴离子，也称为四氧化硅阴离子SiO₄ ^4-以及六氟硅酸盐[SiF₆]^2-。其他常见的硅酸盐包括环状和单链硅酸盐，其可以具有通式[SiO_2+n]^2n-和形成片的硅酸盐([SiO_2.5]^-)_n。每种硅酸盐实例可以具有与每种硅酸盐分子相关联的一种或多种金属阳离子。一些合适的金属硅酸盐源可以包括但不限于硅酸钠、硅酸镁和硅酸钾。

当存在时，地质聚合物水泥通常可以以足以提供期望的压缩强度、密度和/或成本的量包括在水泥组合物中。地质聚合物水泥可以以任何合适的量存在于水泥组合物中，所述任何合适的量包括但不限于在约0％bwoc到约99％bwoc范围内的量。在一些实例中，地质聚合物水泥可以以在约1％、约5％、约10％、约20％、约40％、约60％、约80％或约90％bwoc中的任何一个之间和/或包括其中任何一个的范围内的量存在。受益于本公开的本领域普通技术人员应当能够为特定应用选择适当量的地质聚合物水泥。

碱溶性的额外水泥组分可以被认为是硅石源。如本文所用的，硅石具有二氧化硅(SiO₂)的简单而普通的含义。通过包括硅石源，可以使用不同的路径来获得与波特兰水泥相似的产品。例如，可以诱发火山灰反应，其中硅酸(H₄SiO₄)和氢氧钙石(Ca(OH)₂)反应以形成水泥产品(硅酸钙水合物)。如果诸如铝酸盐等其他化合物存在于硅石源中，则可能会发生额外的反应以形成额外的水泥产品，诸如铝酸钙水合物。另外，氧化铝可能存在于硅石源中。如本文所使用的，氧化铝应当被理解成具有氧化铝(Al₂O₃)的简单而普通的含义。反应所需的氢氧化钙可以由诸如波特兰水泥等其他水泥组分提供，或者可以单独添加到水泥组合物中。合适的硅石源的实例可以包括飞灰、矿渣、硅灰、晶体硅、硅砂粉、水泥窑粉(“CKD”)火山岩、珍珠岩、偏高岭土、硅藻土、沸石、页岩和农业废灰(例如，稻壳灰、甘蔗灰和甘蔗渣灰)等。下面将更详细地讨论硅石源的一些具体实例。当存在时，硅石源通常可以以足以提供期望的压缩强度、密度和/或成本的量包括在水泥组合物中。硅石源可以以任何合适的量存在于水泥组合物中，所述任何合适的量包括但不限于在约0％bwoc到约99％bwoc范围内的量。在一些实例中，硅石源可以以在约1％、约5％、约10％、约20％、约40％、约60％、约80％或约90％bwoc中的任何一个之间和/或包括其中任何一个的范围内的量存在。受益于本公开的本领域普通技术人员应当能够为特定应用选择适当量的硅石源。

也可以存在无定形二氧化硅。无定形二氧化硅可以防止强度倒退。通常而言，无定形二氧化硅可能不需要高于235℉的温度来参与水泥水化。无定形二氧化硅可以通过消除不同温度下的多种设计需要来防止强度倒退并且使设计效率最大化。在一些应用中，无定形二氧化硅也可以代替晶体硅。

合适的硅石源的实例可以包括飞灰。多种飞灰可以是合适的，包括根据美国石油协会有关井用水泥的材料和测试的API规范-1990年7月1日的API规范10第五版分类为C级和F级飞灰的飞灰。C级飞灰包括硅石和石灰二者，因此它可以在与水混合时凝固以形成硬化物质。F级飞灰通常不含足够量的石灰以诱发水泥反应，因此对于包括F级飞灰的凝固延迟水泥组合物而言，额外的钙离子源是必要的。在一些实施方案中，石灰可以以在约0.1％飞灰重量到约100％飞灰重量的范围内的量与F级飞灰混合。在一些情况下，石灰可以是熟石灰。飞灰的合适实例包括但不限于所述是可从位于德克萨斯州休斯顿的Halliburton Energy Services公司购得的水泥添加剂。

合适的硅石源的另一个实例可以包括矿渣。矿渣通常是从各种金属的相应矿石生产各种金属过程中的副产品。举例来说，铸铁的生产可以产生作为粒状高炉副产品的矿渣，其中矿渣通常包括在铁矿石中发现的氧化杂质。矿渣通常不会含有足够的基础材料，因此可以使用还可能包括基料的矿渣水泥以产生可凝固组合物，所述可凝固组合物可以与水反应以凝固从而形成硬化物质。合适的基料源的实例包括但不限于氢氧化钠、碳酸氢钠、碳酸钠、石灰和以上各项的组合。

合适的硅石源的另一实例可以包括CKD。如本文所使用的术语水泥同族粉尘或“CKD”指代部分煅烧的窑进料，其在水泥制造过程中被从气流中移除并且收集在例如集尘器中。通常来说，在水泥生产中收集了大量CKD，所述CKD通常作为废物处理。作为废物处理CKD会增加水泥制造的不期望的成本，以及与其处理相关联的环境问题。CKD是可以包括在水泥组合物的实例中的另一组分。

合适的硅石源的另一实例可以包括火山岩。某些火山岩可能具有水泥性质，因为它可以在存在熟石灰和水的情况下凝固和硬化。例如，火山岩也可以被研磨。一般来说，火山岩可能具有特定应用所需的任何粒度分布。在某些实施方案中，火山岩的平均粒度可以在约1微米到约200微米的范围内。平均粒度对应于由诸如英国伍斯特郡MalvernInstruments公司制造的那些分析仪测量的d50值。受益于本公开的本领域普通技术人员应当能够选择适用于所选应用的火山岩。

合适的硅石源的另一实例可以包括偏高岭土。一般而言，偏高岭土是白色火山灰，其可以通过将高岭土例如加热到在约600℃到约800℃的温度来制备。

合适的硅石源的另一实例可以包括页岩。尤其是，包括在水泥组合物中的页岩可与过量的石灰反应以形成合适的胶结材料，例如硅酸钙水合物。多种页岩是合适的，包括那些包括硅、铝、钙和/或镁的页岩。合适的页岩的实例包括玻璃化页岩。一般而言，页岩可以具有特定应用所需的任何粒度分布。在某些实施方案中，页岩的粒度分布可以在约37微米到约4750微米的范围内。

合适的硅石源的另一实例可以包括沸石。沸石通常是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。如本文所使用的，术语“沸石”指代所有天然和合成形式的沸石。沸石的实例可以包括但不限于丝光沸石、zsm-5、沸石x、沸石y、沸石a等。此外，包括沸石的实例可以包括沸石与诸如Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等阳离子的组合等。包括诸如钠等阳离子的沸石也可以在沸石溶解时为水泥组合物提供额外的阳离子源。

水泥组合物还可以包括熟石灰。如本文所使用的，术语“熟石灰”应当理解成表示氢氧化钙。在一些实例中，熟石灰可以以生石灰(氧化钙)来提供，所述生石灰在与水混合时水合以形成熟石灰。熟石灰可以包括在水泥组合物的实例中，例如以与硅石源形成水硬性组合物。例如，熟石灰可以以约10:1到约1:1或以约3:1到约5:1的硅石源-熟石灰重量比存在。当存在时，例如，熟石灰可以以在从约10％到约100％的硅石源重量的范围内的量存在于水泥组成物中。在一些实例中，熟石灰可以以在约10％、约20％、约40％、约60％、约80％或约100％硅石源重量中的任何一个之间和/或包括其中任何一个的范围内的量存在。受益于本公开的本领域普通技术人员应当认识到适用于所选应用的适量的熟石灰。

在一些实例中，水泥组合物可以包括除熟石灰之外的钙源。一般而言，可能需要钙和高pH(例如7.0或更高的pH)以进行某些水泥反应。熟石灰的潜在优点可以在于在同一分子中提供钙离子和氢氧根离子。在另一实例中，钙源可以是Ca(NO₃)₂或CaCl₂，其中氢氧化物例如由NaOH或KOH供应。本领域普通技术人员将理解，替代钙源和氢氧化物源可以以与熟石灰相同的方式包括在水泥组合物中。例如，钙源和氢氧化物源可以以约10:1到约1:1或以约3:1到约5:1的硅石源-熟石灰重量比存在。当存在时，替代钙源和氢氧化物源可以以例如在从约10％到约100％的范围内的量存在于水泥组成物中。在一些实例中，替代钙源和氢氧化物源可以以在约10％、约20％、约40％、约60％、约80％或约100％硅石源重量中的任何一个之间和/或包括其中任何一个的范围内的量存在。受益于本公开的本领域普通技术人员应当认识到适用于所选应用的适量的替代钙源和氢氧化物源。

可以限定目标硅石石灰比，并且可以识别满足硅石石灰比的包括两种或更多种水泥组分的水泥添加剂。在一些实例中，目标硅石石灰比可以在从约80/20硅石和游离石灰重量到约60/40硅石和游离石灰重量的范围内(例如，为约80/20硅石和游离石灰重量，约70/30硅石和游离石灰重量，或约60/40硅石和游离石灰重量)。可以通过测量给定水泥组分的可用硅石和石灰来确定硅石石灰比。

适用于凝结操作的其他添加剂也可以包括在水泥组合物的实施方案中。这些添加剂的实例包括但不限于：增重剂、缓凝剂、促进剂、活化剂、气体控制添加剂、轻质添加剂、产气添加剂、机械性能增强添加剂、堵漏材料、过滤控制添加剂、流体损失控制添加剂、消泡剂、发泡剂、分散剂、触变添加剂、悬浮剂和以上各项的组合。受益于本公开的本领域普通技术人员应当能够为特定应用选择合适的添加剂。

如先前所提及的，为了确定前面提及的水泥组分中两种或更多种是否相容，可以进行几次实验室测试。另外，除非执行了几个实验室测试，否则可能无法了解水泥组分的任何潜在的协同效应。通常来说，可以首先配制已知的水泥组合物并测试其性质，诸如24小时压缩强度、流体损失和增稠时间。然后，可以将不同量的添加剂添加到新批次的水泥组合物中并重新进行测试。从每次测试中收集结果并进行比较。然后可以用新浓度的添加剂进行一组新的测试，例如，以调整水泥组合物的性质。测试不同浓度的各种添加剂的过程可以进行几次试验，直到配制出一个或多个可接受的水泥组合物为止。可接受的水泥组合物可以是满足诸如压缩强度、流体损失和增稠时间等某些设计要求的水泥组合物。水泥组合物设计过程可以以启发式方式进行，从而引起具有所需的工程设计性质但是可能不会针对成本进行优化的水泥组分。另外，诸如CKD等硅石源先前已用作波特兰基水泥组合物中的纯填料或在一些实例中用作反应性组分。CKD会贡献一部分硅石，所述一部分硅石需要一部分石灰才能反应。在上述水泥组合物配制方法中，启发式过程没有将组合物的硅石和石灰比纳入考虑。

本文描述的方法可以通过测量和分类被称为反应性映射的多种水泥组分的过程来减少或消除通过识别水泥添加剂的过程的启发式搜索。反应性映射可以在无机颗粒的性质之间生成相关性。反应性映射可以包括几个步骤。一个步骤可以包括通过标准化测试测量不同材料的物理和化学性质。另一步骤可以包括通过分析收集的数据和预测的对水泥浆料性质的影响来对材料进行分类。另一步骤可以包括利用数据来估计材料反应性，改善水泥性能，基于分析结果而在数学上预测混合物机械性质，和/或预测压缩强度的浆料密度依赖性。

测量每种选定水泥组分的物理和化学性质可以包括许多实验室技术和程序，包括但不限于显微镜检查、光谱法、x射线衍射、x射线荧光、粒度分析、需水量分析、扫描电子显微镜检查、能量色散x射线光谱法、表面积、比重分析、热重分析、形态分析、红外光谱法、紫外可见光谱法、质谱法、二次离子质谱法、电子能量质谱法、色散x射线光谱法、俄歇电子光谱法、电感耦合等离子体分析、热电离质谱法、辉光放电质谱x射线光电子光谱法、机械性质测试、杨氏模量测试、流变性质、泊松比。进行中的测试中的一个或多个可以考虑API测试，如用于测试井用水泥的API推荐实践(发布为ANSI/API推荐实践10B-2)中所阐述的。上面没有具体列出的其他API测试也可以用于测量。可以测量一组水泥组分的物理和化学性质。测量的水泥组分中的两种或更多种可以是不同类型的水泥组分(例如，火山岩、CKD、飞灰等)。水泥组分中的两种或更多种可以是相同类型但来自不同来源(例如，来自来源1的火山岩，来自来源2的火山岩等)。

x射线粉末衍射是一种可以用于测量水泥组分的物理和化学性质的分析技术。x射线粉末衍射是一种将样品暴露于x射线、中子或电子并且测量原子间衍射量的技术。该样品作为衍射光栅起作用，从而在不同角度产生不同的信号。可以测量的典型性质是用于鉴定和表征结晶固体的相鉴定。其他性质可以是结晶度、晶格参数、膨胀张力、体积模量和相变。

x射线荧光是另一种可以用于测量水泥组分的物理和化学性质的分析技术。x射线荧光可以使用短波x射线来电离样品中的原子，从而致使它们在某些特征波长下发荧光。样品释放的特征辐射可以允许准确识别样品中的组分原子以及其相对量。

粒度分析是另一种可以用于测量水泥组分的物理和化学性质的分析技术。粒度分析可以通过各种实验室技术分析来完成，所述实验室技术包括但不限于激光衍射、动态光散射、静态图像分析和动态图像分析。粒度分析还可以提供关于特定样品的形态的信息。形态可以包括诸如球形度和圆度等参数以及诸如圆盘形、椭球体、刀片式或滚柱等一般颗粒形状。在了解形态和粒度的情况下，可以估计平均表面积和体积。表面积和体积在确定需水量和反应性方面可能是重要的。一般而言，相对较小的粒度可以比相对较大的粒度更快地反应。而且，较之相对较大的粒度，相对较小的粒度可能具有更大的需水量以完全水合。

能量色散x射线光谱法是另一种可以用于测量废料的物理和化学性质的分析技术。能量色散x射线光谱法是一种用于分析样品中存在的要素并且确定样品的化学特性的分析技术。其他技术可以包括傅里叶变换红外光谱法、紫外可见光谱法、质谱法、二次离子质谱法、电子能量质谱法、色散x射线光谱法、俄歇电子光谱法、电感耦合等离子体分析(ICP-MS)、热电离质谱法、辉光放电质谱法和x射线光电子光谱法。

可以分析水泥组分以确定它们的需水量。需水量通常被定义为需要添加到粉末状固体材料中以形成特定稠度的浆料的混合水的量。特定水泥组分的需水量可通过以下过程确定，所述过程包括：a)制备具有指定水量的韦林氏搅拌器，b)在指定的搅拌器rpm下搅动水，c)将正在研究的粉末状固体添加到水中直到获得指定的稠度为止，以及d)基于达到期望的稠度所需的水和固体的比率而计算需水量。

可以分析水泥组分以确定它们的比表面积。比表面积通常总表面积，并且可以作为每单位质量的总表面积进行报告。获得的比面积值取决于分析技术。可以使用任何合适的分析技术，包括但不限于基于吸附的方法，诸如布鲁诺-埃梅特-特勒(BET)分析、亚甲蓝染色、乙二醇单乙醚吸附和蛋白质-保留方法等。

热重分析是可以用于测量水泥组分的物理和化学性质的另一种分析技术。热重分析是一种热分析方法，其中可以测量样品的物理和化学性质的变化。一般而言，可以根据升高的温度来测量性质，诸如在恒定加热速率的情况下，或者根据恒定的温度或恒定质量变化而测量性质。通过热重分析确定的性质可以包括一级相变和二级相变，诸如蒸发、升华、吸附、解吸、吸收、化学吸附、去溶剂化、脱水、分解、氧化和还原反应、铁磁转变、超导转变以及其他。

除了确定水泥组分本身的物理和化学性质之外，还可以进行实验室测试以确定水泥组合物中水泥组分的特性。例如，可以在水泥组合物中分析水泥组分以确定其压缩强度发展和机械性质。例如，预选量的水泥组分可以与水和石灰混合(如果需要凝固)。然后可以确定水泥组合物的机械性质，包括压缩强度、拉伸强度和杨氏模量。只要条件对于不同的水泥组分是一致的，就可以使用多种不同条件中的任何一种进行测试。

压缩强度通常是材料或结构承受轴向定向的推力的能力。水泥组分的压缩强度可以在水泥组分与水混合后的指定时间测量，并且得到的水泥组合物被保持在指定温度和压力条件下。例如，在流体混合并且使流体维持在100℉到约200℉的温度和大气压之后，可以在约24小时到约48小时(或更长)的范围内的时间测量压缩强度。压缩强度可以通过破坏性方法或非破坏性方法测量。破坏性方法通过在压缩测试机中压碎样品在不同时间点物理地测试处理流体样品的强度。压缩强度用破坏载荷除以抵抗载荷的横截面积计算，并以磅力/平方英寸(psi)为单位进行报告。非破坏性方法通常可以采用可从位于德克萨斯州休斯顿的仪器公司购得的超声波水泥分析仪(“UCA”)。压缩强度可以根据2005年7月第一版的API RP 10B-2，有关测试井用水泥的测试实践来测定。

拉伸强度通常是材料承受趋于伸长的载荷的能力，与压缩强度相反。水泥组分的拉伸强度可以在水泥组分与水混合后的指定时间测量，并且得到的水泥组合物被维持在指定的温度和压力条件下。例如，在流体混合并且使流体维持在100℉到约200℉的温度和大气压之后，可以在约24小时到约48小时(或更长)的范围内的时间测量拉伸强度。拉伸强度可以使用任何合适的方法测量，所述方法包括但不限于根据ASTM C307中描述的程序。也就是说，可以在具有狗饼干的外观的团块模具中制备样本，其中一平方英寸的横截面积在中间。然后可以在样本的放大端施加张力，直到样本在中心区域破裂为止。样本破裂时以磅/平方英寸为单位的张力是测试的材料的拉伸强度。

杨氏模量也称为弹性模量，是所施加的应力与得到的应变之间关系的量度。一般而言，当受限应力增加时，高度可变形(塑料)材料将表现出较低的模量。因此，杨氏模量是弹性常数，表明测试的材料承受施加载荷的能力。在已经允许处理流体在指定温度和压力条件下凝固一段时间之后，可以使用若干不同的实验室技术来测量包括水泥组分的处理流体的杨氏模量。

虽然可能仅提及了一些精选实验室技术，但是应当理解，可能有可以适合或不适合某种样品的许多分析技术。受益于本公开的本领域普通技术人员应当能够选择适当的分析技术来确定相关的某种性质。

一旦已经对水泥组分执行了分析技术，就可以对数据进行分类和关联。一些类别可以包括但不限于比表面积、形态、比重、需水量等。在一些实例中，组分可以按相对量分类，包括以下至少一种的量：硅石、氧化铝、铁、钙、钠、钾、镁、硫、以上各项的氧化物和以上各项的组合。例如，可以基于氧化物分析而对组分进行分类，所述氧化物分析包括但不限于硅石含量、氧化钙含量和氧化铝含量以及可能存在于水泥组分中的其他氧化物。另外，可以基于数据或数据的分类而生成水泥组分之间的相关性。另外，可以基于数据而在水泥组分的性质之间限定或生成相关性。例如，可以相对于彼此绘制各种类别的性质。在一些实例中，可绘制需水量与比表面积的关系。因此，水泥组分的需水量可以与比表面积相关，以使得比表面积是需水量的函数。比表面积可以用于预测一种水泥组分(或多种组分)的反应性。然而，因为比表面积分析通常需要专门的仪器，所以每种材料的比表面积可能并不总是可用的。因此，如果可以获得水泥组分的需水量，则可以使用需水量与比表面积之间的相关性来获得比表面积的估计值，然后可以将所述估计值用于预测反应性。除了比表面积与反应性之间的相关性之外，也可以获得比表面积与诸如拉伸强度和杨氏模量等其他机械性质之间的相关性。

一些碱溶性的水泥组分可以包括再生或天然材料。具体地，含有硅石的水泥组分可以包括诸如开采材料等材料，例如火山岩、珍珠岩、废料(诸如飞灰和CKD)以及如先前所描述的农业灰。在一些实例中，碱溶性的水泥组分可以与波特兰水泥具有协同效应，而其他水泥组分可能不相容。在一些实例中，碱溶性的水泥组分可以致使凝胶化、高生热性、保水性以及其他效果。在包括波特兰水泥的水泥组合物中的水泥组分的实验室测试期间，可以实现这些和其他效果。实验室设备可以被配置成检测水泥组分对组合物的影响。在一些实例中，诸如热量计等设备可以测量和量化每单位质量的水泥组分的发热量。粘度计可以测量由水泥组分致使的凝胶化的增加。每种由添加水泥组分致使的物理效应可以在几种浓度下测量，然后进行分类，例如绘制或映射。一旦组分被映射，就可以通过参考分类来预测将组分添加到水泥组合物中的效果。

如先前所提及的，一些碱溶性的水泥组分在包括在水泥组合物中时可能会引起胶凝。虽然在一些实例中较高的胶凝速率可能是不合需要的，但是在其他实例中，较高的胶凝速率对于满足工程设计标准可能是有利的或必须的。通常来说，本领域普通技术人员会选择合适的胶凝剂或增粘剂用于水泥组合物中。在利用绘制的益处的情况下，本领域普通技术人员应当能够选择可以用于双重目的的碱溶性的水泥组分。例如，虽然水泥组分可以增加水泥组合物的压缩强度，但是也可以增加混合期间的凝胶化。如果工程设计标准在混合期间需要较高的胶凝化，则包括在增加压缩强度同时还增加胶凝化的水泥组分可能是有利的。包括具有多个效果的水泥组分可以减少所需的可能是高成本的额外添加剂(诸如胶凝剂或增粘剂)的量。因为已经在曲线图中记录组分的胶凝化效果，所以可以容易地确定包括在水泥组合物中的组分的量。

可以映射的另一个潜在有利的物理效应是分散能力。一些水泥组分可以包括相对球形的颗粒。相对球形的颗粒可以在水泥组合物中与水发挥“滚柱轴承”效应。该效应可以致使水泥组合物中的其他组分变得更易移动，从而将组分分散在水泥组合物中。如果颗粒大约是浆料中的主要组分的1/7或更小，则表观粘度可能降低。可以映射的另一个潜在有利的物理性质是表面积。表面积可以涉及密度，其中相对较高的表面积颗粒可以降低水泥组合物的密度。降低密度的颗粒可以用作低密度添加剂。可以映射的另一潜在有利效应是粒度。具有相对较小粒度的组分可以具有形成针对地层的滤饼的能力，从而阻止水泥溢出到地层中。具有小粒度的水泥组分可以用作失水控制剂。在利用本公开的益处的情况下，本领域普通技术人员应当能够选择水泥组分并映射其性质。本领域普通技术人员还应当能够选择水泥组分的相关次要性质，并且在利用该图表的情况下，可以产生具有期望的性质的浆料。

用基于硅石的水泥组分代替传统水泥添加剂的另一个潜在益处是降低了成本。如上面所讨论的，基于硅石的水泥组分可以部分或完全替代相对更昂贵的水泥添加剂。水泥组合物的成本可以通过平衡所需的工程设计参数(压缩强度、混合能力、游离水含量)等来改善，以便使相对较低成本的基于硅石的水泥组分的量最大化。与工程设计要求的任何剩余偏差可以用相对更昂贵的水泥添加剂“补充”。以这种方式，水泥组合物可以降低到每磅的最低成本，因为工程设计要求满足主要是较低成本组分的混合物。

一旦通过所选择的实验室技术收集数据、分类和映射，就可以对数据执行几种操作，以便产生关于包括映射的水泥组分的水泥组合物的预测。例如，可以估计凝固性质。下面将描述基于反应指数而估计材料反应性的方法。材料反应性可以基于许多参数，诸如比表面积和比重等。映射数据的另一个用途可以是基于诸如颗粒形状、粒度和颗粒反应性等参数而提高水泥浆料性能。该数据还可以用于预测和捕获压缩强度的浆料密度依赖性，并且使用所收集的洞察力来设计改良的水泥配方。该数据还可以用于预测浆料组合物以实现改良的水泥配方。恰到好处的标准可以是压缩强度、成本、流变学、机械性质、失水控制性质、增稠时间等。

反应性映射可以用于估计水泥组分的各种机械性质，包括压缩强度、拉伸强度和杨氏模量。如先前所描述的，也可以获得比表面积与诸如反应性、拉伸强度和杨氏模量等某些机械性质之间的相关性。使用这些相关性，可以预测水泥组分或水泥组分组合的机械性质。

可以用于使反应性和比表面积相关的一种技术是反应性指数。在不受理论限制的情况下，水泥组分的反应指数可以被称为水泥组分的反应性的量度，其根据表面积的差异进行调整。重要的是应当注意，术语“水泥组分”是指在必要时与水和/或石灰以及悬浮剂混合时具有水泥性的任何材料，以使得浆料是稳定的。“水泥反应指数”CRI_i可以被定义为但不限于如下等式[1]：

CRI_i＝f_CRI(CS_i，ρ_i，SSA_PSDi，) [1]

其中：

CS_i＝从在特定参考温度、压力和龄期下固化的样品获得的无限制UCS(极限压缩强度)。

ρ_i＝为测量UCS而制备和固化的浆料的密度

SSA_PSDi＝通过典型的粒度分析方法获得的比表面积。

水泥组分的“物理化学指数”(PCI)可以被定义为但不限于等式[2]：

PCI_i＝f_PCI(SA_i，SG_i，D₅₀，C_Si，C_Ca，C_Al，C_Na，C_Fe，C_其他种类) [2]

其中：

SA_i＝水泥组分i的表面积，

SG_i＝水泥组分i的比重，

D₅₀＝水泥组分i的粒度分布的质量平均或体积平均直径，

C_si＝组分i的氧化硅的质量浓度，

C_ca＝组分i的氧化钙的质量浓度，

C_Al＝组分i的氧化铝的质量浓度，

C_Na＝组分i的氧化钠的质量浓度，

C_Fe＝组分i的氧化铁的质量浓度，

应当注意，可以测量上面和此处引用的质量浓度，但不限于x射线荧光光谱测量技术，并且对“组分i”的引用等同于“水泥组分i”。定义CRI_i和PCI_i的等式[1]和[2]中的函数，当被适当定义时，以下通用关系可以适用于广泛的水泥材料，诸如但不限于波特兰水泥、飞灰、其他火山灰材料、其他的灰烬等

CRI_i＝f_CRI-PCI(PCI_i) [3]

图1是实际数据的等式[1]与等式[2]的关系图，说明了当应用于五种不同类型的水泥材料源和三种材料类似但不同源的样品时等式[1]、[2]和[3]的准确性。发现模拟数据具有y＝36.252x^0.2256的关系，其中R²＝0.9406。

在一些实例中，等式[3]的形式可以是幂定律，诸如等式4中所示。

CRI_i＝A{PCI_i}^B [4]

A和B是对选定的各种水泥材料的各种种类和来源可能是唯一的系数。一旦为水泥组分的给定的群体或组群定义了等式[4]中定义的广义函数，下面进一步定义的线性或非线性求和关系就可以与等式[5]结合使用来预测水泥材料的指定浆料密度、温度、压力和固化龄期的各种组合的UCS。

CRI_c＝A{PCI_c}^B [5]

其中，

CRI_c被定义成有关作为组合物的n种水泥组分的唯一组合的CRI，并且类似地

PCI_c被定义成组合物的物理化学指数。

具有为m_c的质量的给定组合物被定义成：

m_c＝f_i+f_i+1+f_i+2+f_n [6]

其中：f_i被定义为水泥质组分i的质量分数，并且n是独立水泥组分的总数量。一旦函数在等式[5]中定义，则物理化学反应指数的复合值可以使用等式[7]计算如下：

PCI_C＝f₁PCI₁+f₂PCI₂+f₃PCI₃+…+f_nPCI_n [7]

其中：PCI_c被定义为n种独特的独立水泥组分的混合物的总化学反应指数，f_i被定义为水泥组分i的质量分数，且n是独立水泥组分的总数量。一旦已经确定了选定水泥组分的特定假设混合物的PCI_c，那么就确定下列项的线性或非线性求和(等式[8]和[9])：

ρ_c＝f₁ρ₁+f₂ρ₂+f₃ρ₃+…+f_nρ_n [8]

并且，

SSA_PSDc＝f₁SSA_PSD1+f₂SSA_PSD2+f₃SSA_PSD3+...+f_nSSA_PSDn [9]

PCI_c用于使用等式[5]或等式[3]的更一般形式的复合项计算CRI_c的值。一旦确定了给定复合材料混合物的CRI_c，则ρ_c和SSA_PSDc的复合值可以与等式[10]一起用于预测复合材料混合物的实际压缩强度CS_c。

CRI_c＝f_CRI(CS_c，ρ_c，SSA_P5Dc，) [10]

收集的有关特定复合材料混合物的实验数据总结在下表中：

表1

重要的是应当注意，上面的每种水泥组分是明显不同的水泥组合物种类(类型)和/或来自不同来源。

图2是等式[1]与等式[2]的有关实际数据的另一个曲线图，示出等式[1]、[2]和[3]的准确性。等式[1]到等式[10]也可用于预测其他机械性质，包括但不限于杨氏弹性模量和拉伸强度。另外，应该注意的是，即使在先前的发展中提出了“线性求和”技术，本发明也可能包括其他方法，诸如等式[11]中提出的非线性求和方法。

PCI_C＝(1+f₁)^a1PCI₁+(1+f₂)^a2PCI₂+(1+f₃)^a3PCI₃+…+(1+f_n)^anPCI_n

[11]

其中：ai是针对一组独特的水泥组分确定的指数。

现在将讨论使用化学反应指数、需水量和其他分析参数的其他实例。可以生成统计表，所述统计表绘制化学反应指数与需水量的关系。表2中示出了一个实例。

表2-化学反应指数与需水量

也可以使用其他分析参数，诸如粒度与化学反应指数、发热与化学反应指数等。通过对化学反应指数与分析参数进行排序，可以选定组分的混合物，所述混合物具有最小化的成本和改良的化学反应指数，同时仍然具有可混合的组合物。在一些实例中，选定的水泥组合物可以具有太多的自由水无法适当地凝固。在这种实例中，可以选择具有高需水量的组分来代替水泥组合物中的组分或补充水泥组合物。可以基于化学反应指数而选择具有高需水量的选定组分，以确保整个共混物具有足够的反应性。包括选定的水泥组分的水泥组合物由于组分的高需水量可以表现出较少的游离水，并且还可以通过选择适当的化学反应指数表现出相同的反应性。可以基于具有期望的反应性的水泥组分的选择而调整水泥组合物的反应性。具有高反应性的组分可以表现出比具有低反应性的组分更快的凝固时间。

水泥组合物的反应性可能会受井筒温度的影响。如果井筒具有相对较低的温度，约<150℉或更低，则可能需要具有相对较高反应性的组分以确保水泥组合物产生足够的强度。在先前的水泥组合物中，可能已经使用了化学促进剂来提高相对较低温度的井的反应速度。由于组分的高反应性，包括相对较高化学反应性指数组分的水泥组合物可能不需要促进剂。包括高反应性组分的水泥组合物可能不需要促进剂，并且因此可能具有较低的总成本。如果井筒具有相对较高的温度，约>150℉或更高，则可以对水泥组分进行选择以具有相对较低的反应性。当井筒的高温可能致使水泥组合物凝固得太快时，选择较低的反应性可能是有利的。在先前的水泥组合物中，水泥缓凝剂可用已经被用来降低相对较高温度的井中的反应速度。通过选择相对较低反应性的组分，可以在不使用缓凝剂的情况下减慢水泥凝固反应。基于反应性而选择合适的水泥组分可以通过消除或减少对促进剂和缓凝剂的需要来降低水泥组合物的成本。此外，可以混合水泥组分的组合以控制反应性，例如通过添加低、中和高反应性水泥组分，可以产生具有沿井筒温度范围的受控反应性的水泥组合物。受益于本公开的本领域普通技术人员应当认识到包括用于所选应用的水泥组分的适当量和类型。

先前提及的统计相关性的另一个应用可以是通过成本和其他因素对水泥组分进行分类。一般而言，水泥组合物的反应性可以被最大化，以确保水泥组合物将获得足够的压缩强度以满足特定井的工程设计要求。如果特定的水泥组合物远远超过工程设计要求，则可以配制包括可能较便宜的组分的替代水泥组合物。以下等式说明了水泥组合物的改良方案。

CRI,组合物＝∑(CRI_i*％浓度) [12]

成本指数,组合物＝∑(成本_i*％浓度) [13]

优化混合物→最大CRI，组合物Λ最小成本指数，组合物 [14]

约束：成本指数<$C，其中C≥0

CS＝f(CRI，分析性质)→CS，最小<CS，组合物<CS，最大

使用先前讨论的所有技术，可以计算具有最小化成本和最大化反应性的水泥组合物。第一步可以是识别特定井的工程设计要求。另一步骤可以是定义在特定野外营地或井场可用的库存。如先前所提及的，特定区域可以仅接触一定量或类型的水泥组分。除了前面提及的那些因素之外，还可以考虑的一些因素是已售产品的成本、可售和潜在库存的堆积密度和比重。可用的水泥组分可以在实验室中测试，并且使用先前讨论的方法分类。分析研究可以包括先前提到的各种分析技术以及有关压缩强度、杨氏模量、需水量等的物理化学反应性测量结果。接下来，可以计算机械性能测量结果与分析性质之间的相关性。还可以计算化学反应指数。可以计算化学反应指数和需水量的统计表以及化学反应指数与其他选定分析参数。

可以选择并测试初始虚拟设计以查看其是否满足由工程设计参数定义的功能要求。初始虚拟设计可以基于先前的设计，从现场经验中选择，或者由计算机选择。虚拟设计可以尤其基于水泥组分的化学反应性。如果虚拟设计满足所有工程设计参数，则可以计算有关组合物的成本指数。可以反复调整水泥组合物的组分，直到获得具有最大反应指数和最小化成本的水泥组合物为止。在一些实例中，可能需要流体损失控制添加剂、增稠添加剂或其他水泥添加剂以满足功能要求。如前所述，通过选择具有固有性质(诸如，高反应指数，低需水量、流体损失控制性质和分散性质等)的水泥组分，可以最小化可能需要添加到水泥组合物中的水泥添加剂的量。

如本领域普通技术人员将了解的，本文公开的水泥组合物可以用于各种地下应用，包括初级和补救性固井。可以将水泥组合物引入到地下地层中并允许其凝固。如本文所使用的，将水泥组合物引入地下地层包括引入到地下地层的任何部分，进入围绕井筒的井筒附近区域或二者。例如，在初级固井应用中，水泥组合物可以被引入位于井筒中的导管与井筒壁(和/或井筒中的较大导管)之间的环形空间中，其中井筒穿透地下地层。可以允许水泥组合物凝固在环形空间中，以形成硬化水泥的环形护套。水泥组合物可以形成防止井筒中的流体迁移的屏障。水泥组合物还可以例如支撑井筒中的导管。在补救性固井应用中，水泥组合物可以用于例如挤压固井操作或水泥塞的放置。举例来说，水泥组合物可以放置在井筒中以堵塞地层中、砾石充填中、导管中、水泥护套中和/或水泥护套与导管之间(例如，微环空间)的开口(例如，空隙或裂缝)。

虽然本说明书涉及水泥组合物和水泥组分，但是应当理解，本文公开的技术可以与任何合适的井筒处理组合物和对应的固体颗粒一起使用，其中水泥组合物和水泥组分是一个实例。浆料组合物的额外实例可以包括间隔液、钻井液、净化丸、漏失丸和压裂液等。另外，虽然前面的描述描述了硅石源，但是应当理解，本技术可以用于映射其他合适的无机颗粒。

陈述1：一种方法，所述方法包括：对一组无机颗粒中的每种无机颗粒进行分析，以生成关于所述无机颗粒的物理和/或化学性质的数据；基于所述数据而生成无机颗粒之间的相关性。

陈述2：如陈述1所述的方法，所述方法还包括生成包括所述无机颗粒的两个或更多个不同参数的统计表。

陈述3：如陈述1所述的方法，所述方法还包括制备包括所述无机颗粒的水泥组合物，以及允许所述水泥组合物在井筒中凝固。

陈述4：如陈述1所述的方法，其中至少一种所述无机颗粒包括以下各项中的至少一种：硅石、氧化铝、铁、氧化铁、钙、氧化钙、钠、钾、镁、硫和以上各项的组合。

陈述5：如陈述1所述的方法，其中对所述无机颗粒进行分析包括通过选自由以下各项组成的组的一个或多个技术进行分析：显微镜检查、光谱法、x射线衍射、x射线荧光、粒度分析、需水量分析、扫描电子显微镜检查、能量色散x射线光谱法、表面积、比重分析、热重分析、形态分析、红外光谱法、紫外可见光谱法、质谱法、二次离子质谱法、电子能量质谱法、色散x射线光谱法、俄歇电子光谱法、电感耦合等离子体分析、热电离质谱法、辉光放电质谱x射线光电子光谱法、机械性质测试、杨氏模量测试、流变性质、泊松比、API测试和以上各项的组合。

陈述6：如陈述1所述的方法，其中所述数据包括至少选自由以下各项组成的组的组分的量：硅石、氧化铝、铁、钙、钠、钾、镁、硫、以上各项的氧化物和以上各项的组合。

陈述7：如陈述1所述的方法，其中所述数据包括每种所述无机颗粒的平均粒度、粒度分布和形态。

陈述8：如陈述1所述的方法，其中所述数据包括每种所述无机颗粒的比表面积。

陈述9：如陈述1所述的方法，其中所述相关性至少包括每种所述水泥组分的比表面积与每种所述无机颗粒的需水量的相关性。

陈述10：如陈述1所述的方法，所述方法还包括识别包括两种或更多种所述无机颗粒的水泥添加剂，以及预测包括所述水泥添加剂的水泥组合物的一个或多个机械性质。

陈述11：如陈述1所述的方法，所述方法还包括识别包括两种或更多种所述无机颗粒的水泥添加剂，以及估计所述水泥添加剂的反应性。

陈述12：如陈述1所述的方法，所述方法还包括识别包括两种或更多种所述无机颗粒的水泥添加剂，制备包括所述水泥添加剂的样品水泥组合物，测试所述水泥组合物，以确定一个或多个性能特征。

陈述13：如陈述1所述的方法，所述方法还包括至少部分基于所述相关性而识别包括两种或更多种所述无机颗粒的水泥添加剂。

陈述14：如任何前述陈述所述的方法，所述方法还包括使用混合设备混合包括至少一种所述无机颗粒的井筒处理液。

陈述15：如陈述14所述的方法，所述方法还包括使用一个或多个泵将所述井筒处理液引入到井筒中。

陈述16：一种系统，所述系统包括：多种无机颗粒；分析仪器，所述分析仪器被配置成收集关于所述无机颗粒的物理和/或化学数据；计算机系统，所述计算机系统被配置成接受所述物理和/或化学数据和/或基于所述数据而生成所述无机颗粒的性质之间的相关性。

陈述17：如陈述16所述的系统，其中至少一种所述无机颗粒包括以下各项中的至少一种：硅石、氧化铝、铁、氧化铁、钙、氧化钙、钠、钾、镁、硫和以上各项的组合。

陈述18：如陈述16或陈述17所述的系统，其中所述分析仪器被配置成执行选自由以下各项组成的组的功能中的一个或多个：显微镜检查、光谱法、x射线衍射、x射线荧光、粒度分析、需水量分析、扫描电子显微镜检查、能量色散x射线光谱法、表面积、比重分析、热重分析、形态分析、红外光谱法、紫外可见光谱法、质谱法、二次离子质谱法、电子能量质谱法、色散x射线光谱法、俄歇电子光谱法、电感耦合等离子体分析、热电离质谱法、辉光放电质谱x射线光电子光谱法、机械性质测试、杨氏模量测试、流变性质、泊松比、API测试和以上各项的组合。

陈述19：如陈述16到18中任一项所述的系统，其中所述计算机系统还包括算法，所述算法被配置成：分析所述物理和/或化学数据并且输出预测模型；以及将所述预测模型存储在预测模型数据库中。

陈述20：如陈述19所述的系统，其中所述预测模型包括具有对水泥反应的促进以外的效果的模型。

陈述21：如陈述19所述的系统，其中所述预测模型包括至少一种无机颗粒的比表面积与需水量的相关性。

陈述22：一种系统，所述系统包括：预测模型数据库，所述预测模型数据库包括预测模型数据、性质之间的相关性和原始数据；材料数据库；计算机系统，所述计算机系统被配置成询问预测模型数据库和材料数据库并且接受来自用户的输入；以及算法，所述算法能够生成计算的水泥组合物。

陈述23：如陈述22所述的系统，其中所述算法被配置成通过基于计算的水泥组合物的成本对象而生成水泥组合物来提高计算的水泥组合物。

陈述24：如陈述22或23所述的系统，其中所述算法被配置成通过选择来自材料数据库的材料来提高计算的水泥组合物。

陈述25：如陈述22到24中任一项所述的系统，其中所述算法被配置成：分析来自用户的输入；分析来自预测模型数据库的数据，所述数据至少包括预测模型数据、相关性和/或原始数据；以及输出计算的水泥组合物。

现在将参考图3更详细地描述使用反应性映射技术的方法的实例。示出了用于分析水泥组分的系统300。所述系统300可以包括水泥组分样品305、分析仪器310和计算机系统315。水泥组分样品305可以是任何相关的水泥组分。如先前所述的水泥组分通常可以归类为碱溶性的。可以将水泥组分样品放置或馈送到分析仪器310中。在一些实例中，分析仪器310可以被配置成将水泥组分样品305自动馈送到分析仪器310中。分析仪器310可以被配置成分析水泥组分样品305的物理和化学性质。如先前所述，物理和化学性质可以包括但不限于形态、化学组合物、需水量等。由分析仪器310生成的数据可以被发送到计算机系统315以进行处理。计算机系统315可以包括处理器、存储器、内部存储装置、输入和输出装置、网络连接装置和/或计算机系统通用的其他部件。计算机系统315可以将来自分析仪器310的数据作为输入并将其存储在存储装置中以供稍后处理。对数据进行处理可以包括将数据输入到计算结果的算法中。对数据进行处理还可以包括如先前所述的对数据进行组织和对数据进行映射。特别地，计算机系统可以包括算法，所述算法被配置成对数据进行处理以生成水泥组分样品305的物理和化学特性的预测模型。预测模型可以存储在预测模型数据库320中，所述预测模型数据库320可以存储在本地或存储在网络上。预测模型数据库320可以包括由算法生成的所有先前预测模型以及生成的数据和原始数据的图表。

现在参看图4，示出了用于生成水泥组合物的系统400。所述系统400可以包括预测模型数据库320和计算机系统410。在一些实例中，计算机系统410可以是图3的相同计算机系统315。用户输入420可以定义工程设计参数，诸如水泥浆料的所需压缩强度、井筒的井底静态温度、浆料所需的流变性质、浆料的增稠时间、水泥材料、水泥添加剂、自由流体、渗透性、孔隙压力、压裂梯度、泥浆重量、密度、耐酸性、耐盐性和其他参数。计算机系统410可以被配置成将用户输入420和存储在预测模型数据库320中的预测模型、图表和数据输入到预测水泥算法中。预测水泥算法可以生成满足由用户输入420定义的工程设计要求的一个或多个水泥组合物。预测水泥算法的输出430可以含有生成的水泥组合物中的每种水泥组分的相对量以及水泥组合物的预测材料性质。

例如，如果用户选择波特兰水泥，飞灰和火山岩作为可用的水泥材料，则计算机系统可以向预测模型数据库320查询对应于水泥材料的所需模型、图表和数据。如先前所述，可以存在许多不同的参数，诸如粒度、水泥材料的区域来源等，所述不同的参数可以确定从预测模型数据库320中检索哪一组数据。预测水泥算法可以被配置成基于诸如成本、压缩强度等一个或多个参数或任何其他选择的参数而改进输出水泥浆料。在一些实例中，预测水泥算法可以针对两个或更多个变量而进行优化。在这种上下文中的优化不应被理解成达到最佳结果，而是水泥算法被配置成迭代一个或多个变量。该实施例中算法的输出可以是例如30％重量的波特兰，30％重量的火山岩，20％的飞灰和20％的石灰，其中有120％超额重量的水。生成的浆料可以在误差范围内符合由用户输入420供应的工程设计参数。可以将生成的浆料添加到预测模型数据库320以用于未来的计算。

如先前所讨论的，水泥组分可以具有次要效应，诸如凝胶化、分散性质、发热以及补充当包括在水泥组合物中时所具有的似水泥的主要效应的先前提及的其他次要效应。次要效应也可能是有益的。例如，如果水泥组合物需要增稠剂，而不是使用单独的添加剂来增稠水泥组合物，则可以使用形成胶体的水泥组分代替另一种添加剂。也可以以类似的方式利用其他次要效应。预测水泥算法可以计算水泥浆中每种组分的次要效应，并且调整每种组分的相对量以确保满足目标参数。用户输入420可以指定例如水泥浆的相对较高的自由需水量。预测水泥算法可以基于图表和数据而选择包括需要较少水的水泥组分，以确保满足由用户输入420指定的游离水需求。

现在参看图5，示出了水泥组合物500的使用。水泥组合物500可以包括本文所描述的组分中任一个。例如，可以使用如本文所描述的反应性映射来设计水泥组合物500。现在回到图5所示，根据示例性系统、方法和水泥组合物，水泥组合物500可以放置在地下地层505中。如图所示，井筒510可钻入地下地层505。虽然示出井筒510大体上竖直延伸到地下地层505中，但是本文所述的原理也适用于以一定角度延伸穿过地下地层505的井筒，诸如水平井筒和倾斜井筒。如图所示，井筒510包括壁515。在图解中，表面套管520已插入井筒510中。表面套管520可以通过水泥护套525凝结到井筒510的壁515上。在图解中，在这里示出为套管530的一个或多个额外导管(例如，中间套管、生产套管、衬垫等)也可以设置在井筒510中。如图所示，在套管530与井筒510的壁515和/或表面套管520之间形成有井筒环形空间535。一个或多个定中心器540可以附接到套管530上，例如，在凝结操作之前和期间使套管530在井筒510中居中。

继续参考图5，水泥组合物500可以被泵送到套管530的内部。可以允许水泥组合物500通过套管530底部的套管鞋545沿着套管530的内部向下流动并且在套管530周围向上流动进入井筒环形空间535。例如，可以允许水泥组合物500在井筒环形空间535中凝固以形成水泥护套，所述水泥护套将套管530支撑和定位在井筒510中。虽然未示出，但是也可以利用其他技术以便引入水泥组合物500。举例来说，可以使用反循环技术，包括借助于井筒环形空间535而不是通过套管530将水泥组合物500引入地下地层505中。当被引入时，水泥组合物500可以置换其他流体550，诸如可能存在于套管530和/或井筒环形空间535内部的钻井液和/或隔离液。虽然未示出，但是被置换的流体550的至少一部分可以经由流动管线离开井筒环形空间535并且例如沉积在一个或多个保持坑中。底部塞子355可以在水泥组合物500之前被引入井筒510中，例如以在凝结之前将水泥组合物500与可以在套管530内部的流体550分离。在底部塞子555到达吊箍580之后，隔膜或其他合适的装置应当破裂以允许水泥组合物500通过底部塞子555。示出底部塞子555在吊箍580上。在图解中，顶部塞子560可以在水泥组合物500之后被引入到井筒510中。顶部塞子360可以将水泥组合物500与置换流体565分离，并且还将水泥组合物500推动通过底部塞子555。

公开的水泥组合物和相关联的方法可以直接或间接地影响任何泵送系统，其代表性地包括：任何导管、管线、轨道、管件和/或管道，其可以联接到泵和/或任何泵送系统并且可以用于将水泥组合物流体地递送到井下；任何泵、压缩机或马达(例如，井上或井下)，其用于将水泥组合物驱动成运动；任何阀或相关接头，其用于调节水泥组合物的压力或流率；以及任何传感器(即，压力、温度、流率等)、仪表和/或其组合等。水泥组合物还可能会直接或间接影响任何混合料斗和保留坑以及其各种变化形式。

应当理解，组合物和方法以“包含”、“含有”或“包括”各种组分或步骤的形式描述，所述组合物和方法也可以“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，权利要求中使用的不定冠词“一个”或“一种”在本文中被定义成表示其引入的要素中的一个或不止一个。

为简洁起见，本文仅明确公开了某些范围。然而，任何下限的范围可以与任何上限组合以叙述未明确列举的范围，并且任何下限范围可以与任何其他下限组合以叙述未明确叙述的范围，同样，任何上限范围可以与任何其他上限组合以叙述未明确叙述的范围。另外，每当公开具有下限和上限的数值范围时，具体公开了落入该范围内的任何数量和任何包括的范围。特别地，本文公开的每种范围的值(形式是“从大约a到大约b”，或等同地“从大约a到b”，或等同地“从大约a-b”)将被理解成即使没有明确地叙述，也阐述了涵盖在更宽值范围内的每个数值和范围。因此，每个点或个别值可以作为其自身的下限或上限与任何其他点或个别值或任何其他下限或上限组合，以叙述未明确叙述的范围。

因此，本公开非常适合于获得所提及的结果和优点以及其中固有的结果和优点。上面公开的特定实例仅是说明性的，因为本发明可以以受益于本文的教示的本领域技术人员显而易见的不同但等效的方式进行修改和实践。虽然讨论了个别实例，但是本发明涵盖所有这些实例的所有组合。此外，除了下面的权利要求中所描述的之外，不意图对本文示出的构造或设计的细节进行限制。而且，权利要求中的术语具有其简单的普通含义，除非专利权所有人另有明确和清楚的定义。因此显而易见的是，可以改变或修改上面公开的特定说明性实例，并且所有这些变化形式都被认为是在本发明的范围和精神内。如果本说明书中的措辞或术语的使用与可能通过引用并入本文中的一个或多个专利或其他文献存在任何冲突，则应当采用与本说明书一致的定义。

Claims

1.一种方法，所述方法包括：

对一组无机颗粒中的每种无机颗粒进行分析，以生成关于所述无机颗粒的物理和/或化学性质的数据；以及

基于所述数据而生成所述无机颗粒之间的相关性。

2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括生成包括所述无机颗粒的两个或更多个不同参数的统计表。

3.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括制备包括所述无机颗粒的水泥组合物，以及允许所述水泥组合物在井筒中凝固。

4.如权利要求1所述的方法，其中至少一种所述无机颗粒包括以下各项中的至少一种：硅石、氧化铝、铁、氧化铁、钙、氧化钙、钠、钾、镁、硫和以上各项的组合。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述对所述无机颗粒进行分析包括通过选自由以下各项组成的组的一种或多种技术进行分析：显微镜检查、光谱法、x射线衍射、x射线荧光、粒度分析、需水量分析、扫描电子显微镜检查、能量色散x射线光谱法、表面积、比重分析、热重分析、形态分析、红外光谱法、紫外可见光谱法、质谱法、二次离子质谱法、电子能量质谱法、色散x射线光谱法、俄歇电子光谱法、电感耦合等离子体分析、热电离质谱法、辉光放电质谱x射线光电子光谱法、机械性质测试、杨氏模量测试、流变性质、泊松比、API测试和以上各项的组合。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述数据包括至少选自由以下各项组成的组的组分的量：硅石、氧化铝、铁、钙、钠、钾、镁、硫、以上各项的氧化物和以上各项的组合。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述数据包括每种所述无机颗粒的平均粒度、粒度分布和形态。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述数据包括每种所述无机颗粒的比表面积。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述相关性至少包括每种所述无机颗粒的比表面积与每种所述无机颗粒的需水量的相关性。

10.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括识别包括两种或更多种所述无机颗粒的水泥添加剂，以及预测包括所述水泥添加剂的水泥组合物的一个或多个机械性质。

11.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括识别包括两种或更多种所述无机颗粒的水泥添加剂，以及估计所述水泥添加剂的反应性。

12.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括识别包括两种或更多种所述无机颗粒的水泥添加剂，制备包括所述水泥添加剂的样品水泥组合物，测试所述水泥组合物，以确定一个或多个性能特征。

13.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括至少部分基于所述相关性而识别包括两种或更多种所述无机颗粒的水泥添加剂。

14.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括使用混合设备混合包括至少一种所述无机颗粒的井筒处理液。

15.如权利要求14所述的方法，所述方法还包括使用一个或多个泵将所述井筒处理液引入到所述井筒中。

16.一种系统，所述系统包括：

多种无机颗粒；

分析仪器，所述分析仪器被配置成收集关于所述无机颗粒的物理和/或化学数据；以及

计算机系统，所述计算机系统被配置成接受所述物理和/或化学数据和/或基于所述数据而生成所述无机颗粒之间的相关性。

17.如权利要求16所述的系统，其中至少一种所述无机颗粒包括以下各项中的至少一种：硅石、氧化铝、铁、氧化铁、钙、氧化钙、钠、钾、镁、硫和以上各项的组合。

18.如权利要求16所述的系统，其中所述分析仪器被配置成执行选自由以下各项组成的组的功能中的一个或多个：显微镜检查、光谱法、x射线衍射、x射线荧光、粒度分析、需水量分析、扫描电子显微镜检查、能量色散x射线光谱法、表面积、比重分析、热重分析、形态分析、红外光谱法、紫外可见光谱法、质谱法、二次离子质谱法、电子能量质谱法、色散x射线光谱法、俄歇电子光谱法、电感耦合等离子体分析、热电离质谱法、辉光放电质谱x射线光电子光谱法、机械性质测试、杨氏模量测试、流变性质、泊松比、API测试和以上各项的组合。

19.如权利要求16所述的系统，其中所述计算机系统还包括算法，所述算法被配置成：

分析所述物理和/或化学数据并且输出预测模型；以及

将所述预测模型存储在预测模型数据库中。

20.如权利要求19所述的系统，其中所述预测模型包括具有对水泥反应的促进以外的效果的模型。

21.如权利要求19所述的系统，其中所述预测模型包括至少一种所述无机颗粒的比表面积与需水量的相关性。

22.一种系统，所述系统包括：

预测模型数据库，所述预测模型数据库包括预测模型数据、性质之间的相关性和原始数据；

材料数据库；

计算机系统，所述计算机系统被配置成询问所述预测模型数据库和所述材料数据库并且接受来自用户的输入；以及

算法，所述算法能够生成计算的水泥组合物。

23.如权利要求22所述的系统，其中所述算法被配置成通过基于所述计算的水泥组合物的成本对象而生成水泥组合物来提高所述计算的水泥组合物。

24.如权利要求22所述的系统，其中所述算法被配置成通过选择来自所述材料数据库的材料来提高所述计算的水泥组合物。

25.如权利要求22所述的系统，其中所述算法被配置成：

分析所述来自所述用户的输入；

分析所述来自所述预测模型数据库的数据，所述数据包括所述预测模型数据、所述相关性和/或所述原始数据中的一个或多个；以及

输出所述计算的水泥组合物。