CN110192003B - 低波特兰二氧化硅-石灰水泥 - Google Patents
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Abstract
提供了井筒固井方法。一种固井方法可包括：计算水泥组合物的两种或更多种胶结组分的石灰与二氧化硅的相关性；以及调节所述胶结组分中的至少一种胶结组分的浓度，使得所述石灰与二氧化硅的相关性满足或超过目标。
Description
背景技术
在固井(诸如井施工和补救固井)中，通常利用水泥组合物。水泥组合物可在多种地下应用中使用。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。尤其，围绕管柱的水泥护套可起作用以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救固井方法中，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。
固井中的特定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发展出令人满意的机械性能。将火山灰与波特兰水泥共混是一种节省浆料成本的已知技术。然而，由于诸如火山灰的反应性不足等因素，被火山灰替代的波特兰的量可以限制于约40-50％。选择水泥组合物组分的过程通常通过最佳猜测方法完成，该最佳猜测方法通过利用先前的浆料并对所述先前的浆料进行改性直至达到满意的溶液来进行。在任何一个特定区域中可用的胶结组分可以与另一个区域中可用的胶结组分在组成方面不同，从而使选择正确浆料的过程进一步复杂化。该过程可能是耗时的并且所得浆料可能不是最便宜的浆料。
附图说明
这些附图图示本发明的一些实施方案的特定方面，且应不用于限制或界定本发明。
图1是用于分析胶结组分的示例系统的示意图。
图2是用于产生水泥组合物的示例性系统的示意图。
图3是示出将水泥组合物引入井筒中的示意图。
具体实施方式
本公开可总体涉及固井方法和系统。本文提供的方法可包括设计水泥组合物，所述设计考虑每种胶结组分的物理化学性质，并且通过确定石灰与二氧化硅的比率以提供所需的水泥性质来改善所述水泥组合物设计。具体地，所述物理化学性质可包括每种胶结组分的矿物组成。胶结组分可影响水泥组合物的最终凝固机械性质，以及动态或基于时间的性质，诸如可混合性、流变性、粘度等。每种胶结组分都可能影响所提到的性质中的一种或多种性质。
在先前的基于波特兰水泥的水泥组合物设计中，可以添加二氧化硅源作为填料以降低成本，而无需考虑材料的反应性。当与波特兰水泥的反应性相比较时，二氧化硅源(例如，火山灰)可以是相对不反应的或惰性的。本文公开的水泥组合物设计过程可包括将相对不反应的二氧化硅源转变成相对更具反应性的组分，以增加组合物的整体机械性质。通过控制组合物中可用于与二氧化硅源反应的石灰的量，可以增大二氧化硅源的反应性。如本文所公开的水泥组合物通常可归类为合成波特兰水泥组合物。尽管本文所公开的水泥组合物可能与波特兰水泥的氧化物浓度不匹配，但是水泥组合物可满足或超过基于波特兰水泥的水泥组合物的机械性质。
水泥组合物通常可包含水、波特兰水泥、二氧化硅源，以及石灰。水泥组合物可包含适合于特定应用的密度。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”)至约16ppg(1g/cm3至1.9g/cm3)的范围内。在经发泡的示例中，发泡的水泥组合物的密度可以在约8ppg至约13ppg(1g/cm3至1.6g/cm3)(或甚至更低)的范围内。水泥组合物可包括减小它们的密度的其它手段，诸如空心微球、低密度弹性珠或本领域中已知的其它密度减小添加剂。受益于本公开的本领域一般技术人员应了解针对特定应用的适当密度。
水泥组合物中使用的水可包括例如淡水、盐水(例如，含溶解在水中的一种或更多种盐的水)、卤水(例如，从地下地层产生的饱和盐水)、海水，或它们的组合。通常，水可来自任何来源，前提是它不含可能非期望地影响水泥组合物中的其它组分的过量化合物。可包括足以形成可泵送浆料的量的水。水可以以任何合适的范围包含在水泥组合物中，包括但不限于按照所述水泥组合物中存在的胶结组分的重量计(“bwoc”)约40％至约200％。如本文所用，术语“胶结组分”是指具有胶结性质的材料，诸如具有水硬活性或火山灰活性的材料，包括波特兰水泥和二氧化硅源等。出于本公开的目的，石灰也被认为是胶结组分，因为其在火山灰反应中与二氧化硅源反应。在一些示例中，水可以在约40％至约150％bwoc的范围内的量被包含。受益于本公开益处的本领域普通技术人员应该能够针对特定应用选择合适的量和类型的水。
适用于本公开的波特兰水泥可根据美国石油协会的API Specification forMaterials and Testing for Well Cements，API规范10，第五版，1990年7月1日而被分类为A级、C级、G级和H级水泥。另外，在一些示例中，适用于本发明的水泥可以分类为ASTM I型、II型、III型或V型。可以使用被认为是“低波特兰”的水泥组合物，因为所述水泥组合物可包含为按照所述复合水泥组合物中存在的胶结组分的重量计(“bwoc”)约50％或更少的任意量的波特兰水泥。波特兰水泥可以任何合适的量存在于水泥组合物中，包括但不限于在约0％至约50％bwoc范围内的量。在一些示例中，波特兰水泥可以在约1％、约5％、约10％、约20％、约40％或约50％bwoc的任何量之间的范围内和/或包括所述任何量的量存在。此外，水泥组合物还可以设计为不含(或基本上不含)波特兰水泥。受益于本公开益处的本领域普通技术人员应该能够针对特定应用选择适当量的波特兰水泥。
所述水泥组合物还可包含二氧化硅源。如本文所用，术语“二氧化硅源”是指溶解或以其他方式解离以提供可反应形成水泥产品的硅酸的材料。通过包含二氧化硅源，可以使用不同的路径来获得与波特兰水泥相似的产品。可以引发火山灰反应，其中硅酸(H4SiO4)和氢氧钙石(Ca(OH)2)反应形成水泥产品(硅酸钙水合物)。如果在二氧化硅源中存在诸如铝酸盐之类的其他化合物，则可能发生另外的反应而形成另外的水泥产品，诸如铝酸钙水合物。反应所需的氢氧化钙或石灰可以由诸如波特兰水泥之类的其他胶结组分提供，或者可以单独加入到水泥组合物中。合适的二氧化硅源的示例可包括但不限于粉煤灰、矿渣、煅烧粘土、煅制二氧化硅、结晶二氧化硅、硅粉、水泥窑灰(“CKD”)、沸石、农业废灰和天然火山灰等等。下面将更详细地讨论这些二氧化硅源中的某些二氧化硅源。合适的二氧化硅源通常可分为三大类，包括开采材料、废料和生物灰。开采材料是通常存在于地球表面中的天然二氧化硅源。废料通常可以是来自工业来源的废料。生物灰通常可以是农业、市政和工业有机废物的有意燃烧产物。生物灰可包括但不限于农业废灰，诸如稻壳灰、甘蔗灰和蔗渣灰。当存在时，二氧化硅源通常可以以足以提供所需压缩强度、密度和/或成本以及其他考量因素的量包含在水泥组合物中。
一种或多种二氧化硅源可以适合于特定应用的任何量存在于水泥组合物中，包括但不限于在约10％至约100％bwoc、约50％至约100％bwoc、约50％至约80％bwoc、或80％至约100％bwoc范围内的量。在一些示例中，二氧化硅源可以在约1％、约5％、约10％、约20％、约40％、约60％、约80％、或约90％bwoc的任何量之间的范围内和/或包括所述任何量的量存在。受益于本公开益处的本领域普通技术人员应该能够针对特定应用选择合适类型和量的二氧化硅源。
适合的二氧化硅源的示例可包括粉煤灰。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 Well Cements，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级粉煤灰的复合水泥组合物来说可能是必需的。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。粉煤灰的适合示例包括但不限于可购自Halliburton Energy Services,Inc.,Houston,Texas的
A水泥添加剂。
合适的二氧化硅源的另一个示例可包括矿渣。矿渣通常是从各种金属的相应矿石生产所述金属中的副产品。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。矿渣通常不含足够的碱性物质，因此矿渣可与碱一起使用以产生可凝固的组合物，所述可凝固的组合物可与水反应以凝固形成硬化物质。合适的碱源的示例包括但不限于氢氧化钠、碳酸氢钠、碳酸钠、石灰，以及它们的组合。
合适的二氧化硅源的另一个示例可包括煅制二氧化硅。煅制二氧化硅可以替代地称为“微细二氧化硅”或“致密煅制二氧化硅(condensed silica fume)”。煅制二氧化硅通常是副产物材料，所述副产物材料可以例如通过在某些合金的制造中用煤还原石英而获得。煅制二氧化硅可以在回收后进行处理，例如以控制粒度。煅制二氧化硅可以是非常细的，例如平均粒度小于1微米，以及替代地小于0.2微米。如本文所用的平均粒度对应于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Malvern Instruments,Worcestershire,United Kingdom制造的那些分析器。煅制二氧化硅可具有高表面积并且通常可以粉末形式或液体形式获得。
合适的二氧化硅源的另一个示例可包括CKD。如在本文中使用的术语水泥窑灰或“CKD”是指在水泥的制造过程中从气流移除并且被收集在例如集尘器中的部分煅烧的窑进料。通常，在水泥生产中收集大量CKD，所述大量CKD通常作为废料被处置。将CKD作为废料处置可增加水泥制造的非期望成本，以及与其处置相关的环境问题。
合适的二氧化硅源的另一个示例可包括沸石。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材料。天然沸石可以从地球表面开采出来。也可以使用合成沸石，所述合成沸石是实验室产生的。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。沸石的示例可包括但不限于丝光沸石、zsm-5、沸石x、沸石y、沸石a等。此外，包含沸石的示例可包括沸石与阳离子(诸如Na+、K+、Ca2+、Mg2+等)的组合。含有诸如钠之类的阳离子的沸石也可在所述沸石溶解时为水泥组合物提供额外的阳离子源。
二氧化硅源的另一个示例可包括农业废灰。可用于复合水泥组合物中的农业废灰的示例包括例如木材(例如，锯末、树皮、树枝(twigs)、分枝(branches)、其他废木材)灰、树叶灰、玉米芯灰、稻壳灰、甘蔗(例如，糖蔗)灰、蔗渣灰、谷物(例如苋菜、大麦、玉米亚麻籽、小米、燕麦、藜麦、黑麦、稻米、小麦等)及相关副产品(例如，谷壳(husk)、外壳(hull))灰、果园灰、藤蔓修剪灰、草(例如，Korai，东华草(Tifton)、天然shiba(native shiba)等)灰、稻草灰、花生壳灰、豆类(例如，大豆)灰，以及它们的组合。
合适的二氧化硅源的另一个示例可包括火山岩。某些火山岩是可展现出胶结特性，这是因为它们可在水合石灰和水的存在下凝固并硬化。例如，火山岩也可以被研磨。通常，根据对特定应用的需要，火山岩可具有任何粒度分布。在某些示例中，火山岩的平均粒径可在约1微米至约200微米的范围内。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Malvern Instruments,Worcestershire,United Kingdom制造的那些分析器。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用于选定应用的火山岩及其粒度。
其他天然火山灰可以是合适的二氧化硅源。天然火山灰通常存在于地球表面上，并且可能表现出火山灰活性。合适的天然火山灰可包括硅藻土、火山灰、凝灰岩、偏高岭土、煅烧粘土、页岩(例如，煅烧页岩、乳白色页岩等)，以及它们的组合。天然火山灰可为研磨或未研磨的。天然火山灰可以包括诸如煅烧粘土、偏高岭土和煅烧页岩之类的材料，所述材料已经在例如窑中进行热处理以增强其火山灰活性。通常，根据对特定应用的需要，天然火山灰可具有任何粒度分布。天然火山灰可具有适合于特定应用的平均粒度，包括但不限于约0.1微米至约200微米，或甚至更小的范围。在具体示例中，天然火山灰可具有在约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。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用于选定应用的天然火山灰及其粒度。
水泥组合物可包含石灰。石灰可以以不同的形式存在于水泥组合物中，包括作为氧化钙和/或氢氧化钙。如本文所用，术语“石灰”旨在包括氧化钙和氢氧化钙。氢氧化钙通常也称为水合石灰和熟石灰。在一些示例中，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。除了作为单独组分添加的附加石灰之外，水泥组合物中的至少一部分石灰也可以由其他胶结组分提供。例如，波特兰水泥与水的水合反应可以将水合石灰释放到水泥组合物中。此外，二氧化硅源还可含有石灰或将石灰释放到水泥组合物中。作为CaO存在于二氧化硅源中的石灰如果不与其他矿物结合，则可以被称为游离石灰。水合石灰可以包含在水泥组合物的示例中，例如以与二氧化硅源反应。在存在时，石灰可例如以在约10％至约100％bwoc范围内的量包含在水泥组合物中。在一些示例中，水合石灰可以在约10％、约20％、约40％、约60％、约80％或约100％bwoc的任何量之间的范围内和/或包括所述任何量的量存在。受益于本公开的益处的本领域的普通技术人员应会认识到针对选定应用来包含的水合石灰的适当量。
在一些示例中，水泥组合物可包含除水合石灰之外的钙源。通常，可能需要钙和高pH，例如7.0或更高的pH，以进行某些胶结反应。水合石灰的潜在优点可以是在同一分子中供应钙离子和氢氧根离子。例如，在另一个示例中，钙源可以是Ca(NO3)2或CaCl2，其中氢氧根由NaOH或KOH供应。普通技术人员应理解，另选钙源和氢氧根源可以与水合石灰相同的方式包含在水泥组合物中。例如，钙源和氢氧根源可以约10:1至约1:1的二氧化硅源与水合石灰重量比或约3:1至约5:1的比例被包含。在存在时，另选的钙离子源和氢氧根源可以例如在二氧化硅源的约10重量％至约100重量％范围内的量包含在水泥组合物中。在一些示例中，另选的钙离子源和氢氧根源可以在二氧化硅源的约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/或包括所述任何量的量存在。受益于本公开的益处的本领域的普通技术人员应认识到针对选定应用来包含的钙离子源的适当量。
水泥组合物还可包含适用于固井操作的其他添加剂。此类添加剂的示例包括但不限于：加重剂、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、失液量控制添加剂、消泡剂、消泡剂、发泡剂、迁移时间改进剂、分散剂、触变添加剂、悬浮剂，以及它们的组合。受益于本公开益处的本领域普通技术人员应该能够针对特定应用选择合适的添加剂。
可以使用任何合适的技术来制备水泥组合物。诸如波特兰水泥、二氧化硅源和/或石灰之类的胶结组分可在与水混合形成水泥组合物之前进行干混。该干混物可以在非现场制备，然后运输到例如井场，在井场该干混物可以与水混合。干混物中还可包含另外的固体水泥添加剂。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本公开应理解的。
如前所述，二氧化硅源可溶解或以其他方式形成硅酸，所述硅酸可与氢氧化钙反应形成水泥产品。可以引发火山灰反应，其中硅酸(H4SiO4)和氢氧钙石(Ca(OH)2反应形成水泥产品(硅酸钙水合物)。硅酸(H4SiO4)与氢氧钙石(Ca(OH)2)之间的该火山灰反应可以根据以下等式进行。首先，二氧化硅可以水合形成硅酸，并且氧化钙可以水合形成氢氧钙石或水合石灰。如本领域普通技术人员应理解的，氢氧化钙也可以由水泥组合物中的其他组分提供，例如通过波特兰水泥的水合反应提供。接下来，硅酸和水合石灰可以反应形成硅酸钙水合物。)。如果在二氧化硅源中存在诸如铝酸盐之类的其他化合物，则可能发生另外的反应而形成另外的胶结产品，诸如铝酸钙水合物。
SiO2+2H2O→H4SiO4
CaO+H2O→Ca(OH)2
H4SiO4+Ca(OH)2→CaO1.7·SiO2·xH2O
该反应可能不是简单的，因为不同的二氧化硅源可具有不同的溶解度和水合率。由于反应物的溶解度不同，所以反应的化学计量也可能不简单。如果任一反应物的量不同于理想量，则反应可能减慢或停止。一种控制反应的方式可以是提供足以驱动反应的可用石灰与硅酸的比率。换句话说，可以选择水泥组合物的二氧化硅源和/或石灰的浓度，以提供该比率。
水泥组合物可以设计成具有石灰与二氧化硅的目标重量比。另外，重量比也可以是摩尔比、重量克分子比，或表示二氧化硅与石灰的相对量的任何其他等效方式。可以选择任何合适的石灰与二氧化硅的目标重量比以提供所需的反应，包括但不限于在按重量计约10/90的石灰比二氧化硅至按重量计约40/60的石灰比二氧化硅的范围内，例如为按重量计约10/90的石灰比二氧化硅、按重量计约20/80的石灰比二氧化硅、按重量计约30/70的二氧化硅比石灰，或按重量计约40/60的石灰比二氧化硅的石灰与二氧化硅的目标重量比。石灰应理解为意指任何石灰来源，诸如游离石灰以及可通过其他胶结反应产生的石灰。还应该理解，石灰与二氧化硅的比率也可以用二氧化硅与石灰的比率等同表示。例如，20/80的石灰与二氧化硅比率相当于80/20的二氧化硅与石灰比率。
如所讨论的，二氧化硅(SiO2)比石灰(CaO)比率可用于通过限定石灰与二氧化硅的目标比率来改善水泥。石灰与二氧化硅的比率可定义为石灰与二氧化硅之间的相关性。尽管先前仅讨论了特定形式的二氧化硅与石灰之间的一种相关性，但是普通技术人员应理解，可以使用任何形式的石灰与二氧化硅之间的任何相关性。例如，可以使用元素硅(Si)与元素钙(Ca)之间的相关性以及硅的各种氧化物与钙的氧化物之间的任何其他相关性。在一些示例中，可以使用对二氧化硅与石灰的量的间接测量。例如，指定样品中的石灰量可以通过用已知浓度的酸滴定来确定。可以确定在加入已知体积的酸之后得到的pH，然后可以反算出样品中石灰的浓度。然后可以使用滴定结束时的pH与二氧化硅之间的间接相关性来设计水泥组合物。普通技术人员应理解，存在许多其他直接和间接方法来产生与石灰和二氧化硅有关的相关性。
设计水泥组合物可包括许多不同步骤中的任何步骤。可以选择两种或更多种胶结组分及其浓度以用于初始水泥组合物。可以计算该两种或更多种胶结组分的石灰与二氧化硅的比率。可使用任何合适的技术来测定石灰与二氧化硅的比率。计算石灰与二氧化硅的比率可包括确定两种或更多种胶结组分中二氧化硅的总量和石灰的总量，然后取石灰与二氧化硅的比率。出于石灰与二氧化硅的比率的目的，石灰可以被认为是氧化钙或氢氧化钙。例如，石灰与二氧化硅的比率可以通过使用标准实验室技术测量给定胶结组分的可用二氧化硅和石灰来确定。测量可用的二氧化硅和石灰可以使用氧化物分析，诸如x射线荧光光谱法或其他合适的技术。一旦执行了实验室分析，就可以对数据进行分类，包括按照氧化物组成对胶结组分进行分类，所述氧化物组成可以包括二氧化硅含量、石灰含量(例如，氧化钙)、氧化铝含量和其他氧化物含量。分类通常可以包括在表中列出每种测试的胶结组分(包括波特兰水泥、二氧化硅源和/或水合石灰)的二氧化硅含量、氧化钙含量和氧化铝含量。另外，可以对每种组分的溶解率进行分类。
如果计算的水泥组合物的石灰与二氧化硅的比率不满足(或超过)石灰与二氧化硅的目标比率，则可调节一种或多种胶结组分的浓度，直至达到或超过石灰与二氧化硅的目标比率。在一些示例中，如果石灰不足，则可调节水泥组合物中石灰(作为单独的胶结组分)的浓度。为了确定添加多少石灰，可以使用先前描述的实验室技术确定来自每种胶结组分的二氧化硅和石灰贡献的净量。然后可以确定二氧化硅与石灰的比率，并且可以添加更多的石灰，直到达到所需的比率。如果二氧化硅不足，则可以调节二氧化硅源直至达到目标比率。
平衡石灰与二氧化硅的比率的一个潜在优点可为满足或超过工程要求所需的波特兰水泥的总量可相对较低。通常，水泥工程师或操作员可以确定特定井的水泥组合物的所需工程性质。在要泵送水泥组合物的特定区域中可用的二氧化硅源可具有不同水平的氧化物。可以对可用的二氧化硅源或资源进行编目，并对每种材料进行实验室测试。实验室测试可包括例如二氧化硅含量、氧化铝含量、氧化钙和其他氧化物含量。水泥工程师可以具有例如按重量计30％的波特兰水泥的水泥组合物开始，其中剩余的重量百分比是先前所测试的各种二氧化硅源。可以选择20/80的石灰与二氧化硅的目标比率。通过使用每种组分的重量百分比和先前进行的实验室测试，可以确定水泥组合物的石灰与二氧化硅的比率。如果石灰或二氧化硅脱落，则可以通过添加石灰或更多二氧化硅(例如，通过添加更多二氧化硅源)来调节。一旦完成二氧化硅-石灰平衡，就可以测试水泥组合物的机械或工程性质。可以用不同水平的波特兰水泥来制备几种水泥组合物。例如，水泥组合物可包含约10％至约30％的波特兰水泥。在一些示例中，水泥组合物可包含按重量计约10％、约15％、约20％、约25％或约30％的波特兰水泥。受益于本公开益处的普通技术人员应该能够选择波特兰水泥重量百分比、执行氧化物分析、确定石灰与二氧化硅的目标比率，并调节每种组分的重量百分比以产生具有所需工程性质的浆料。
本文公开的任何示例性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，引入围绕井筒的附近井筒区域中，或引入上述两者中。在初次注水泥应用中，例如，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。可制备水泥组合物并使所述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。在补救固井应用中，水泥组合物可用在例如挤水泥固井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)。
声明1.一种方法，所述方法包括：计算水泥组合物中的两种或更多种胶结组分的石灰与二氧化硅的相关性；以及调节所述胶结组分中的至少一种胶结组分的浓度，使得所述石灰与二氧化硅的相关性满足或超过目标。
声明2.如声明1所述的方法，所述方法还包括：制备所述水泥组合物；以及使所述水泥组合物凝固。
声明3.如声明2的声明1所述的方法，所述方法还包括将所述水泥组合物引入地下地层中。
声明4.如任何前述声明所述的方法，其中使用一个或多个泵将所述水泥组合物引入所述地下地层中。
声明5.如声明2至4中任一项所述的方法，其中制备包括使用混合设备混合所述水泥组合物的组分，所述组分包含两种或更多种胶结组分和水。
声明6.如任何前述声明所述的方法，其中所述胶结组分包括选自由波特兰水泥、二氧化硅源、石灰以及它们的组合组成的组的至少一种胶结组分。
声明7.如声明6所述的方法，其中所述胶结组分包括所述波特兰水泥，所述波特兰水泥的量为所述胶结组分的约10％至约50％。
声明8.如声明6或声明7所述的方法，其中所述二氧化硅源包括选自由以下项组成的组的至少一种源：粉煤灰、煅烧粘土、矿渣、煅制二氧化硅、结晶二氧化硅、硅粉、水泥窑灰、沸石、农业废灰、天然火山灰，以及它们的组合。
声明9.如任何前述声明所述的方法，其中所述水泥组合物还包含选自由以下项组成的组的一种或多种添加剂：加重剂、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、失液量控制添加剂、消泡剂、消泡剂、发泡剂、迁移时间改进剂、分散剂、触变添加剂、悬浮剂，以及它们的组合。
声明10.如任何前述声明所述的方法，其中所述石灰与二氧化硅的相关性是石灰与二氧化硅的重量比，并且其中所述石灰与二氧化硅的重量比为约10/90至约40/60。
声明11.如任何前述声明所述的方法，所述方法还包括计算石灰和二氧化硅的时间依赖性浓度并选择附加胶结组分以包括在所述水泥组合物中的步骤，其中基于所述附加胶结组分中的每一种胶结组分的溶解速率来选择所述附加胶结组分。
声明12.如任何前述声明所述的方法，所述方法还包括将所述水泥组合物泵送通过导管并进入井筒环带，使得所述水泥组合物凝固以在所述井筒环带中形成水泥护套。
声明13.如任何前述声明所述的方法，所述方法还包括对所述两种或更多种胶结组分执行氧化物分析。
声明14.一种改善水泥共混物的石灰与二氧化硅比率的方法，所述方法包括：选择石灰与二氧化硅的目标比率；对所述水泥共混物的所述胶结组分执行氧化物分析；根据所述氧化物分析计算所述水泥共混物中二氧化硅和石灰的总量；计算所述水泥共混物的石灰与二氧化硅比率；以及计算所述水泥共混物中所需的附加石灰的浓度，以使所述石灰与二氧化硅的比率大于或等于所述石灰与二氧化硅的目标比率。
声明15.如声明14所述的方法，其中所述石灰与二氧化硅的目标比率是重量比，并且其中所述重量比为约10/90至约40/60。
声明16.如声明14或声明15所述的方法，所述方法还包括计算所述胶结组分中的每一种胶结组分的溶解速率的步骤。
声明17.如声明14至16中任一项所述的方法，所述方法还包括计算石灰和二氧化硅的时间依赖性浓度并选择附加胶结组分以包括在所述水泥共混物中的步骤，其中基于每一种胶结组分的溶解速率来选择所述附加胶结组分。
声明18.一种用于产生水泥组合物的系统，所述系统包括：多种胶结组分；计算机系统，所述计算机系统被配置为接受来自用户的输入并生成用于所述水泥组合物的所述胶结组分的浓度，其中所述计算机系统被配置为基于石灰与二氧化硅的目标相关性而生成所述胶结组分的所述浓度。
声明19.如声明18所述的系统，其中所述计算机系统还被配置为通过计算石灰与二氧化硅的重量比并调节所述胶结组分中的每一种胶结组分的相对量以满足或超过所述石灰与二氧化硅的目标相关性来改善所述水泥组合物。
声明20.如声明18或声明19所述的系统，所述系统还包括数据库，其中所述数据库包括所述胶结组分、对应于所述胶结组分中的每一种胶结组分的成本、对应于所述胶结组分中的每一种胶结组分的氧化物分析，以及对应于所述胶结组分中的每一种胶结组分的溶解数据。
声明21.如声明18至20中任一项所述的系统，其中所述石灰与二氧化硅的目标相关性由用户定义或由所述计算机系统自动选择。
声明22.如声明18至21中任一项所述的系统，其中所述石灰与二氧化硅的目标相关性是石灰与二氧化硅的重量比，并且其中所述石灰与二氧化硅的重量比为约10/90至约40/60。
现在将参考图1更详细地描述使用二氧化硅-石灰平衡技术的方法的示例。示出了用于分析胶结组分的系统100。系统100可包括胶结组分样品105、分析仪器110，以及计算机系统115。胶结组分样品105可以是任何感兴趣的胶结组分(例如波特兰水泥、二氧化硅源、石灰等)。可以将胶结组分样品放置或进料到分析仪器110中。在一些示例中，分析仪器110可以被配置为自动将胶结组分样品105进料到分析仪器110中。分析仪器110可以被配置为分析胶结组分样品105的物理和化学性质。如前所述，所述物理和化学性质可包括来自氧化物分析和其他测试的数据。由分析仪器110生成的数据可以被发送到计算机系统115以进行处理。计算机系统115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/或计算机系统共有的其他部件。计算机系统115可以将来自分析仪器110的数据作为输入并将其存储在存储装置中以供稍后处理。处理数据可以包括将数据输入到算法中，该算法计算结果。计算机系统可以被配置为分析来自样品的氧化物数据并产生与溶解度、溶解时间、溶液中氧化物的时间依赖性、预测的反应性、石灰需求等相关的相关性、图表和模型。生成数据和从分析仪器110产生的数据可以存储在数据库120中。数据库120还可以包括关于每种胶结组分的成本的数据。数据库120可以本地存储或存储在网络上。
现在参考图2，示出了用于产生水泥组合物的系统200。所述系统200可以包括如图1所述的数据库120，以及计算机系统210。在一些示例中，计算机系统210可以是图1的相同计算机系统115。用户输入220可以定义工程参数，诸如水泥组合物的所需压缩强度、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、可用的水泥材料、可用的水泥添加剂、自由流体、渗透率、孔隙压力、压裂梯度、泥浆重量、密度、耐酸性、耐盐性，以及其他参数。计算机系统210可以被配置为将用户输入220和存储在数据库120中的预测模型、反应性图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220限定的工程要求的一种或多种水泥组合物。预测水泥算法的输出230可以包含生成的水泥组合物中每种胶结组分的相对量，以及水泥组合物的预测材料性质。在另一个示例中，用户可以选择低波特兰水泥浓度和一种或多种二氧化硅源作为工程参数中的一些工程参数。先前讨论过低波特兰水泥浓度的含义。用户还可以选择石灰与二氧化硅的目标比率作为工程参数的一部分。在一些示例中，预测水泥算法可以自动选择石灰与二氧化硅的的目标比率，或者被配置为基于来自用户的输入来选择改善的比率。预测水泥算法可以生成包含所选择的波特兰水泥浓度和所选择的二氧化硅源的水泥组合物。为了选择石灰与二氧化硅的适当比率，所述算法可以参考先前提及的氧化物分析和溶解度数据。预测水泥算法可以被配置为基于石灰与二氧化硅的目标比率来产生胶结组分的浓度。预测水泥算法可以被配置为通过调节包括石灰在内的一种或多种胶结组分的浓度来满足或超过石灰与二氧化硅的目标比率。
尽管预测水泥算法可以仅基于为用户输入或自动选择值的石灰与二氧化硅比率来生成水泥组合物，但是所述算法还可以基于其他因素的组合来生成水泥。一个因素可为氧化物和石灰的可用性随时间和温度的变化。如前所述，基于胶结组分的溶解度，硅酸和氢氧钙石的浓度可随时间和温度而变化。如前所述，可用的水泥组分可具有不同的溶解率，所述溶解率也可取决于溶液的温度。水泥组分可以在环境温度下相对缓慢地溶解，但是可以在井底静态温度下相对更快地溶解。因此，来自每种组分的氧化物和石灰的可用性不仅取决于时间，而且还取决于井筒中水泥组合物的位置。预测水泥算法可以产生这样的水泥组合物，所述水泥组合物通过考虑反应物的时间依赖性而在火山灰和其他水泥凝固反应的整个过程中保持所选择的石灰与二氧化硅平衡。预测水泥算法还可以使用来自数据库120的成本数据来生成具有所需石灰与二氧化硅比率的水泥组合物，同时还改善了所述组合物的成本。在一些示例中，预测水泥算法可以生成具有最小化或降低的成本的水泥组合物。
现在参考图3，示出了水泥组合物300的使用。水泥组合物300可包含本文所述的任何组分。水泥组合物300可以例如使用如本文所述的石灰-二氧化硅平衡来设计。现在转向图3，根据示例性系统、方法和水泥组合物，水泥组合物300可以放置到地下地层305中。如图所示，可将井筒310钻入地下地层305中。尽管井筒310被示出为大体上垂直地延伸到地下地层305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305的井筒，诸如水平或倾斜井筒。如图所示，井筒310包括壁315。在图示中，表面套管320已插入井筒310中。表面套管320可以通过水泥护套325粘固到井筒310的壁315。在图示中，在此被示出为套管330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310中。如图所示，在套管330与井筒310的壁315和/或表面套管320之间形成了井筒环带335。一个或多个定心器340可被附接到套管330，例如以便在固井操作之前和期间使套管330位于井筒310的中心。
继续参考图3，可沿套管330的内部向下泵送水泥组合物300。可以使水泥组合物300通过套管330底部的套管底环(casing shoe)345向下流入套管330的内部，并且在套管330周围向上流入井筒环带335。可使水泥组合物300在井筒环带335中凝固，例如以便形成将套管330支撑并定位在井筒310中的水泥护套。虽然未图示，但是其它技术也可用于引入水泥组合物300。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335而不是通过套管330来将水泥组合物300引入地下地层305中。在引入水泥组合物300时，所述水泥组合物300可使其他流体350位移，所述其他流体350诸如为可存在于套管330和/或井筒环带335的内部中的钻井液和/或隔离液。虽然未示出，但是至少一部分被置换的流体350可以经由流动管线离开井筒环带335，并且例如沉积在一个或多个保存坑(retention pit)中。底部塞子355可以在水泥组合物300之前引入井筒310中，例如以在固井之前将水泥组合物300与可在套管330内部的流体350分离。在底部塞子355到达连顶接箍(landing collar)380之后，隔膜或其他合适的装置可以破裂以允许水泥组合物300通过底部塞子355。底部塞子355被示出为在连顶接箍380上。在图示中，顶部塞子360可以被引入到水泥组合物300后面的井筒310中。顶部塞子360可以将水泥组合物300与置换流体365分离，并且还将水泥组合物300推动通过底部塞子355。
所公开的水泥组合物和相关方法可以直接或间接地影响任何泵送系统，所述泵送系统代表性地包括任何导管、管线、卡车、管件和/或管道，所述任何导管、管线、卡车、管件和/或管道可以联接到泵和/或任何泵送系统并且可以用于在井下流体输送水泥组合物；用于驱动水泥组合物运动的任何泵、压缩机或马达(例如，顶部马达或井下马达)；用于调节水泥组合物的压力或流速的任何阀门或相关接头；以及任何传感器(即，压力、温度、流速等)、仪表，和/或它们的组合等。水泥组合物还可以直接或间接地影响任何混合料斗和保存坑以及它们的各种变化。
实施例
为了方便更好地理解本发明的实施方案，给出一些优选实施方案的下列实施例。绝不应将此类实施例理解为限制或限定本公开的范围。
实施例1
对几种胶结组分执行分析以确定每种样品中氧化物的组成。结果在表1中示出。
表1：胶结组分的氧化物分析
实施例2
使用分析的胶结组分创建了几种虚拟水泥组合物设计。设计列于下表2-4中。石灰与二氧化硅的目标比率超过20/80或0.25。虚拟设计2和3将满足标准，因为它们分别具有0.27和0.58的比率。
表2：虚拟设计1
表3：虚拟设计2
表4：虚拟设计3
应当理解，虽然以“包含”、“含有”或“包括”各种部件和步骤的措辞描述了组合物和方法，但是所述组合物和方法也可以“基本上由各种部件和步骤组成”或“由各种部件和步骤组成”。另外，在权利要求中使用的不定冠词“一”或“一个”，在本文中定义为表示其引入的要素中的一个或多个。
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值范围时，具体公开了落入该范围内的任何数字和任何包括的范围。具体地说，本文所公开的值的每个范围(形式为“从约a到约b”，或等效地“从大致a到b”，或等效地“从大致a-b”)应理解为阐述涵盖在所述值的较宽范围内的每个数值和范围，即使没有明确叙述也如此。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，本公开非常适合于达到所提及的目的和优势以及自身固有的目的和优势。以上公开的特定实施例仅是说明性的，因为本发明可以以不同但等效的方式修改和实践，这对受益于本文教导的本领域技术人员来说是显而易见的。尽管讨论了个别实施例，但是本发明涵盖所有那些实施例的所有组合。另外，并不意在限于本文所示出的构造或设计的细节，而是限于所附权利要求中所描述的内容。而且，除非专利权人明确和清楚地限定，否则权利要求中的术语具有其平常、普通含义。因此，明显的是，上文公开的特定说明性实施例可加以改变或修改，并且所有这些变化都视为处于本发明的范围和精神内。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 (14)
1.一种控制水泥组合物的反应的方法，所述方法包括：
计算水泥组合物的两种或更多种胶结组分的石灰与二氧化硅的比率；以及
调节所述胶结组分中的至少一种胶结组分的浓度，使得所述石灰与二氧化硅的比率满足或超过目标，
其中所述石灰与二氧化硅的比率是石灰与二氧化硅的重量比，并且其中所述石灰与二氧化硅的重量比为约10/90至约40/60。
2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
制备所述水泥组合物；以及
使所述水泥组合物凝固。
3.如权利要求2所述的方法，所述方法还包括将所述水泥组合物凝固物引入地下地层中。
4.如权利要求3所述的方法，其中使用一个或多个泵将所述水泥组合物引入所述地下地层中。
5.如权利要求2所述的方法，其中制备包括使用混合设备混合所述水泥组合物的组分，所述组分包含所述两种或更多种胶结组分和水。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述胶结组分包括选自由波特兰水泥、二氧化硅源、石灰以及它们的组合组成的组的至少一种胶结组分。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述胶结组分包括所述波特兰水泥，所述波特兰水泥的量为按所述胶结组分的重量计约10％至约50％和/或其中所述二氧化硅源包括选自由以下项组成的组的至少一种源：粉煤灰、煅烧粘土、矿渣、煅制二氧化硅、结晶二氧化硅、硅粉、水泥窑灰、沸石、农业废灰、天然火山灰，以及它们的组合。
8.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述水泥组合物还包含选自由以下项组成的组的一种或多种添加剂：加重剂、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、失液量控制添加剂、消泡剂、发泡剂、迁移时间改进剂、分散剂、触变添加剂、悬浮剂，以及它们的组合。
9.如权利要求1-5中任一项所述的方法，所述方法还包括
选择石灰与二氧化硅的目标比率；
对水泥组合物的胶结组分执行氧化物分析；
根据所述氧化物分析计算所述水泥组合物中二氧化硅和石灰的总量；
计算所述水泥组合物的石灰与二氧化硅的比率；
计算所述水泥组合物中所需的附加石灰的浓度，以使所述石灰与二氧化硅的比率大于或等于所述石灰与二氧化硅的目标比率；和/或
计算所述胶结组分中的每一种胶结组分的溶解速率的步骤。
10.如权利要求1-5中任一项所述的方法，所述方法还包括计算石灰和二氧化硅的时间依赖性浓度并选择附加胶结组分以包括在所述水泥组合物中的步骤，其中基于每一种胶结组分的溶解速率来选择所述附加胶结组分。
11.一种用于生成水泥组合物的系统，所述系统包括：
多种胶结组分；以及
计算机系统，所述计算机系统被配置为接受来自用户的输入并生成用于所述水泥组合物的所述胶结组分的浓度，其中所述计算机系统被配置为基于石灰与二氧化硅的目标比率而生成所述胶结组分的所述浓度，
其中所述石灰与二氧化硅的比率是石灰与二氧化硅的重量比，并且其中所述石灰与二氧化硅的重量比为约10/90至约40/60。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述计算机系统还被配置为通过计算石灰与二氧化硅的重量比并调节所述胶结组分中的每一种胶结组分的相对量以满足或超过所述石灰与二氧化硅的目标比率来改善所述水泥组合物。
13.如权利要求11至12中任一项所述的系统，所述系统还包括数据库，其中所述数据库包括所述胶结组分、对应于所述胶结组分中的每一种胶结组分的成本、对应于所述胶结组分中的每一种胶结组分的氧化物分析，以及对应于所述胶结组分中的每一种胶结组分的溶解数据。
14.如权利要求11至12中任一项所述的系统，其中所述石灰与二氧化硅的目标比率由用户定义或由所述计算机系统自动选择。
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