JP2017501950A - その場耐火性結合剤組成物 - Google Patents

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Abstract

カルシウムイオン源、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾラン、及び水を用いて耐食耐火性結合剤組成物を形成してよい。そのような成分の任意の１つ以上は、それぞれ非セメント系であってよい。高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランの例としては、特に破砕耐火れんが；耐火れんがシャモット；並びにケイ酸塩と、コランダム、高アルミナセラミック、及びボーキサイトの任意の１つ以上との混合物；耐火モルタル；耐火粘土；ムライト；溶融ムライト；並びにこれらの組み合わせが挙げられる。結合剤組成物は、スラリーを形成するのに十分な水分量と混合してよく、スラリーは、地下層内に導入してよい（例えば、地下層を貫通する掘削孔を介して）。複数の非セメント系成分は、結合剤組成物が凝結できるように好適な条件に曝露される場合、水の存在下にて反応してよい。そのような組成物は、一度凝結すると、その他の結合剤組成物と比較して、耐食性及び／または耐熱性の向上を示す場合がある。【選択図】図２Ａ

Description

本開示は一般に、結合剤組成物を使用したセメンチング及びその他の地下作業、より詳細には、改善された耐食性及び耐熱性を実証する結合剤組成物、並びにそのような組成物の形成に使用する関連方法に関する。
結合剤組成物は、多様な地下用途にて使用され得る。結合剤組成物を利用する地下用途の一例は、一次セメンチングであり、それによって、ケーシング及びライナーなどのパイプストリングが、地下層を貫通する掘削孔（ｗｅｌｌ ｂｏｒｅ）内にてセメントで固定される。一次セメンチングの実施において、結合剤組成物は、掘削孔の壁及び掘削孔内に配置されたパイプストリングの外面間の環状空間へとポンプで送入されてよい。結合剤組成物は環状空間内で凝結し、それによって、掘削孔内のパイプストリングを支持及び位置付ける硬化したセメントの環状鞘部（ａｎｎｕｌａｒ ｓｈｅａｔｈ）（すなわち、セメント鞘部）を、その空間内にて形成し、掘削孔の壁にパイプストリングの外面を接着させる。結合剤組成物は更に、例えば、パイプストリングの亀裂または穴を塞ぐため、地下層の高浸透領域または断裂を塞ぐためなどの補修セメンチング作業において使用されてよい。結合剤組成物また、例えば、建設セメンチングの地上用途にて使用されてよい。
掘削孔にて使用されるものなどの結合剤組成物は、様々な温度及び圧力条件にさらされる場合もあり、二酸化炭素、流動酸（ｆｌｏｗｉｎｇ ａｃｉｄ）などの様々な腐食剤に更に曝露される場合もある。例えば、炭酸（Ｈ2ＣＯ3）は、地下水及び二酸化炭素（ＣＯ2）の反応によって生成される可能性があり、天然に存在する及び／または坑井内に（例えば、ＣＯ2増進回収作業において）圧入される場合もある。炭酸は、いくつかのセメント（例えば、ポルトランドセメント）中に存在する可能性のある水酸化カルシウムと反応すると考えられ、その反応によってセメントを腐食させる場合もあり、それによって場合により凝結セメントの劣化を引き起こす。この劣化によって凝結セメントの浸透性を増大させ、それにより地下層からセメントを通過してケーシングへと化合物（例えば、塩化物及び硫化水素イオン）を浸透させてしまい、その結果ケーシングを腐食して、流体の望ましくない領域間伝播（ｉｎｔｅｒｚｏｎａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）を引き起こす場合もある。腐食問題は、特に高温井（例えば、地熱井）などの高温環境にて顕著な場合もあり、典型的には、高温、高圧、及び高濃度の二酸化炭素を伴う。そのような坑井では、５年未満でセメント破損が生じて、坑井ケーシングの陥没を引き起こす場合もある。その結果、生産性の損失を引き起こし、高額なケーシング補修を余儀なくさせる可能性がある。
本開示の態様に従って、結合剤組成物の調製及び掘削孔への供給システムを示す。 本開示の態様に従って、掘削孔での結合剤組成物の配置に使用してよい地上設備を示す。 本開示の態様に従って、掘削孔のアニュラス内への結合剤組成物の配置を示す。 本開示の態様による、サンプル結合剤組成物の一連の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
本開示の実施形態が叙述及び記載され、例示的実施形態の参照によって規定されているが、そのような参照は本開示についての制限を示唆するものではなく、そのような制限は推定されない。開示された主題は、本開示の利益を有する当業者が想定するような、大幅な修正、変更が可能であり、形態及び機能において等価物であることができる。本開示の叙述及び記載された実施形態は、実施例にすぎず、本開示の範囲を網羅するものではない。
詳細な説明
本開示の例示的実施形態は、本明細書で詳細に記載される。明確にするために、実際の実施におけるすべての特徴が、本明細書に記載されるとは限らない。そのようないかなる実際の実施形態の開発においても、多数の実施時特有の決定が、特定の実施目的を得るために成されてよく、１つの実施から別の実施へと変更してよいと当然理解されるだろう。更に、そのような開発努力は複雑かつ時間を要するが、それにもかかわらず、本開示の利益を有する当業者にとっては日常的業務であると理解されるだろう。
本開示の更なる理解を促すために、ある実施形態の以下の例が提供される。決して以下の例が、本発明の範囲を限定、または規定すると解釈されるべきではない。本開示の実施形態は、任意の種類の地下層において、水平、垂直、傾斜、またはさもなければ非線形の掘削孔に適用可能であってよい。実施形態は、圧入井、監視井、及び炭化水素または地熱井を含む生産井に適用可能であってよい。
本開示は一般に、セメンチング及びその他の結合剤組成物作業、より詳細には、改善された耐食性及び耐熱性を実証する結合剤組成物、並びに形成及び使用の関連方法に関する。
本開示のいくつかの実施形態による結合剤組成物は、カルシウムイオン源；高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾラン；及び水を含んでよい。いくつかの実施形態による結合剤組成物は、凝結促進剤（ａｃｃｅｌｅｒａｎｔ）を更に含んでよい。ある種の実施形態では、任意の１つ以上の好適な添加剤もまた、組成物中に含まれてよい。
本開示の多くの潜在的利益及び利点の中で、いくつかの実施形態の結合剤組成物は、クリンカーまたはそれら単独でセメント系であるその他個別の成分無しに調製してよい。換言すれば、そのような結合剤組成物は、非セメント系成分化合物で調製してよい。本明細書で使用する場合、化合物それ自体でセメントの様に凝結する能力を有さない場合、化合物は、「非セメント系」である。本明細書で使用する場合、「凝結した（ｓｅｔ）」、「凝結可能な（ｓｅｔｔａｂｌｅ）」、または「凝結（ｓｅｔｔｉｎｇ）」は、スラリー状態から固化状態へと硬化する、いくつかの実施形態による結合剤組成物などの材料のプロセス、及び／またはそのような硬化を経る結合剤組成物の能力を指す。例えば、「凝結」は、水の存在下における水和反応に少なくとも部分的に起因して硬化する材料を指してよい。いくつかの実施形態では、凝結は、好適な条件（例えば、好適な温度及び／または圧力）における結合剤組成物などの材料の配置に対して特有であってよい。そのような配置は、いくつかの実施形態に従って、ダウンホール（ｄｏｗｎｈｏｌｅ）であってよい。
それにもかかわらず、いくつかの実施形態では、水の存在下における、いくつかの結合剤組成物中に含まれる非セメント系成分化合物の反応によって、セメント系（例えば、凝結可能または凝結した）材料の形成に至る。これにより、ある種の実施形態におけるいくつかのセメントを含まない組成物が、一旦凝結に好適な条件に曝露される（例えば、地下層を貫通するボーリング孔内の地点などの所望の位置へと供給されることによる）と、その場（ｉｎ ｓｉｔｕ）で凝結結合剤組成物を形成可能であってよい。例えば、複数の結合剤組成物の成分（いくつかの実施形態では、カルシウムイオン源及び高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランなどの）は、非セメント系であってよいが、例えば、１つ以上のポゾラン反応及び／またはポゾラン反応の過程に沿って生じる可能性のある副反応によって、水の存在下にて反応し、セメント系で、凝結可能な、及び／または凝結材料を形成する。いくつかの実施形態に従った副反応は、ポゾランで見られる水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ2））及びアルミン酸塩（Ａｌ（ＯＨ）4 -）間の反応を含んでよく、それによって、セメント化学者の表記法では、特にＣ4ＡＨ13及びＣ3ＡＨ6（すなわち、ハイドロガーネット）などの１つ以上のアルミン酸カルシウム水和物を形成する。ケイ酸塩と組み合わされたいくつかのアルミン酸カルシウム水和物が、形成されてよい（Ｃ2ＡＳＨ8、すなわちストラトリンジャイト（ｓｔｒａｔｌｉｎｇｉｔｅ））。
更に、いくつかの実施形態によるカルシウムイオン源及び高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランのいずれかは、コスト削減という利益を提供する、安価で一般に入手可能な材料から供給されてよい。いくつかの実施形態では、カルシウムイオン源及び高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランのいずれかは、リサイクル製品及び／または廃棄物であってよく、それによって、それらの新たな目的により環境保全上の利益を提供する。加えて、セメント系材料をその場で形成するいくつかの実施形態による組成物の能力によって、セメンチングまたはその他の結合作業に対してクリンカー及びクリンカー由来の材料を使用する必要性を有利に無くし得、それにより、そのような実施形態の結合剤組成物に伴う環境への影響を更に低減させることができる。
先述の通り、いくつかの実施形態の結合剤組成物は、水を含んでよい。水は、結合剤組成物中のその他の化合物に悪影響を与える化合物を過剰に含有しないという条件であれば、任意の供給源からのものであってよい。例えば、本開示の結合剤組成物は、淡水、塩水（例えば、その中に溶解させた１つ以上の塩を含有する水）、ブライン、海水、またはこれらの任意の組み合わせを含んでよい。いくつかの実施形態では、水の存在によって、結合剤組成物の複数の成分間での反応及び／または成分中での反応を可能にし、それによってセメント系化合物を形成する。例えば、水によって、カルシウムイオン源及び高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランが、セメント系化合物を形成するように反応するのを可能にしてよい。従って、水は、カルシウムイオン源及び高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾラン間のそのような反応を可能にするのに十分な量で、いくつかの実施形態の結合剤組成物中に存在してよい。いくつかの実施形態では、水は更に、結合剤組成物のポンプ輸送可能な（ｐｕｍｐａｂｌｅ）スラリーを形成するのに十分な量で、結合剤組成物中に存在してよい。より詳細には、水は、ポゾランの重量に対して（本明細書においては、「ｂｗｏｐ」と称する時もある）、約２５％から約２００％の範囲でいくつかの実施形態の結合剤組成物中に存在してよい。本明細書で使用する場合、「ポゾランの重量に対して（ｂｙ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｐｏｚｚｏｌａｎ）」及び「ｂｗｏｐ」の各々は、結合剤組成物中の高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランの重量と比較した重量を意味する。いくつかの実施形態では、水は、約２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９、５０など、積算量が増加すると最大１７０％ｂｗｏｐの任意の１つと同じくらい少量にて、結合剤組成物中に存在してよい。いくつかの実施形態では、水は、直前に述べたパーセンテージのうち任意の２つの間で、任意の非整数％ｂｗｏｐと同じくらい少量にて存在してよい。水は、約４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９、５０など、積算量が増加すると最大２００％ｂｗｏｐの任意の１つと同じくらい多量にて、いくつかの実施形態において存在してよい。いくつかの実施形態では、水は、直前に述べたパーセンテージのうち任意の２つの間で、任意の非整数％ｂｗｏｐと同じくらい多量にて存在してよい。従って、水は、約２５から約５０％ｂｗｏｐ；または約３０．１から約５５．５％ｂｗｏｐ；または約３５％から約４５％ｂｗｏｐ；または約３０％から約１００％ｂｗｏｐなどの範囲の量にて存在してよい。
いくつかの実施形態の結合剤組成物は、スラリーへと形成される際、一般に約５ｌｂ／ｇａｌから約２５ｌｂ／ｇａｌの範囲の密度を有してよい。いくつかの実施形態では、結合剤組成物スラリーの最小密度は、約５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、及び２０ｌｂ／ｇａｌの任意の１つ、並びにこれら前述の数のうち任意の２つの間における非整数区間であってよい。いくつかの実施形態の結合剤組成物スラリーの最大密度は、約７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、及び２５ｌｂ／ｇａｌの任意の１つ、並びにこれら前述の数のうち任意の２つの間における非整数区間であってよい。従って、例えば、いくつかの実施形態による結合剤組成物密度は、約８ｌｂ／ｇａｌから約１７ｌｂ／ｇａｌであってよい。その他の実施形態では、結合剤組成物密度は、約６ｌｂ／ｇａｌから約２２ｌｂ／ｇａｌなどであってよい。いくつかの実施形態では、結合剤組成物は、発泡結合剤組成物または微小球を含む結合剤組成物などの低密度結合剤組成物であってよい、または含んでよい。結合剤組成物スラリーの発泡に関する添加剤は、本明細書中以下において更に詳細に説明される。
先述の通り、いくつかの実施形態の結合剤組成物は、カルシウムイオン源を含んでよい。各種実施形態の好適なカルシウムイオン源としては、カルシウム含有塩またはカルシウムイオンを提供する電離可能なその他の種などの任意の化合物が挙げられる。いくつかの実施形態では、カルシウムイオン源は、セメント系材料を形成するように、結合剤組成物の任意のその他成分と反応可能であってよい。例えば、いくつかの実施形態による好適なカルシウムイオン源は、セメント系材料を形成するように、水の存在下にて高アルミナアルミノケイ酸塩と反応可能であってよい。カルシウムイオン源の例としては、消石灰（ｈｙｄｒａｔｅｄ ｌｉｍｅ）（あるいは、例えば水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）2）、消石灰（ｓｌａｋｅｄ ｌｉｍｅ、ｂｕｉｌｄｅｒｓ’ ｌｉｍｅ、及び／またはｓｌａｃｋ ｌｉｍｅ）と称されてよい）；生石灰（ＣａＯ、未水和）；並びに水酸化物イオン源の存在下におけるカルシウム塩が挙げられる。いくつかの実施形態によるカルシウム塩は、ＣａＸ2の形態で、式中、Ｘは−１の形式電荷を有する陰イオン（例えば、ＣａＢｒ2、ＣａＦ2、ＣａＩ2、ＣａＣｌ2）であってよい。その他の実施形態によるカルシウム塩は、ＣａＸの形態で、式中、Ｘは−２の形式電荷を有する陰イオン（例えば、炭酸アニオンＣＯ3 -2）であってよい。いくつかの実施形態では、カルシウムイオン源は、結合剤組成物中の水酸化物イオン源に付随またはさもなければ結合していてよい。そのような供給源は、アルカリまたはアルカリ土類元素の水酸化物塩を含んでよい。好適な水酸化物塩としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、及び水酸化カルシウムが挙げられる。ある種の実施形態では、カルシウムイオン源は、結合剤組成物中に含まれてよく、アルカリ性条件にさらされてよい（例えば、アルミノケイ酸塩ポゾランの電離を促進させることにより、例えば、いくつかの結合剤組成物のカルシウムイオン源及びポゾラン間のポゾラン反応を支持するために）。いくつかの実施形態では、カルシウムイオン源自体がアルカリ性であってよく、または電離時にアルカリ性条件を生じさせてよい（例えば、消石灰またはＣａ（ＯＨ）2の場合）。
いくつかの実施形態によるカルシウムイオン源は、実質的に固形物であってよい（例えば、消石灰）。固形カルシウムイオン源としては、粉末、シャモット、粉砕材料などが挙げられ得る。その他の実施形態によるカルシウムイオン源は、溶液中に溶解または懸濁させてよい（例えば、カルシウムイオン源が、水溶液中に提供されてよい）。そのような場合、結合剤組成物中に含まれるカルシウムイオン源の量は、溶液内のカルシウムイオン源の質量（溶液の全質量ではない）に換算される。ある種の実施形態では、カルシウムイオン源は、約５％から約１００％ｂｗｏｐの範囲で結合剤組成物中に存在してよい。いくつかの実施形態で存在するカルシウムイオン源の範囲の下限は、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、及び９５％ｂｗｏｐの任意の１つ、並びに／またはこれら前述の数のうち任意の２つの間における任意の整数もしくは非整数値（この値は、簡潔にするために列挙されていない）であってよい。カルシウムイオン源の範囲の上限は、約１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、及び１００％ｂｗｏｐの任意の１つ、並びに／またはこれら前述の数のうち任意の２つの間における任意の整数もしくは非整数値（この値は、簡潔にするために列挙されていない）であってよい。従って、前述による好適な典型的範囲としては、例えば、約５．１％〜約４８．５％ｂｗｏｐ；約２０．１５％〜３５．２０％ｂｗｏｐ；約６．００％〜７０．００％ｂｗｏｐ；約１０％〜約３０％ｂｗｏｐなどが挙げられ得る。更に他の実施形態では、結合剤組成物中に含まれるカルシウムイオン源の量に上限はなくともよい。
結合剤組成物は、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを更に含んでよい。本明細書で使用する場合、「高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾラン」という用語は、アルミナ：シリカ（または、セメント化学者の表記法では、Ａ：Ｓ）の比が約０．７超であるポゾランを意味する。いくつかの実施形態では、アルミナ：シリカの比は１超であってよく、ある種の実施形態では、少なくとも１７と同程度に高い比であり得る。換言すれば、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、シリカよりもアルミナを多く含んでよく、場合によっては実質的にシリカよりもアルミナを多く含んでよい。いくつかの実施形態では、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、非セメント系であってよい。非セメント系高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランの例としては、特に破砕耐火れんが；耐火れんがシャモット；ケイ酸塩と、コランダム、高アルミナセラミック、及びボーキサイトの任意の１つ以上との混合物；耐火モルタル；耐火粘土；ムライト；溶融ムライト；並びにこれらの組み合わせが挙げられる。いくつかの実施形態では、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、結合剤組成物内でセメント系及び／または凝結化合物を生成するための反応物として機能してよい。いくつかの実施形態によれば、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、一旦凝結すると結合剤組成物に耐熱性及び／または耐食性を付与する化合物を更に提供し得る。場合によっては、結合剤組成物中のアルミナ含有量がより多いほど、耐熱特性がより向上する可能性があり、高温用途（例えば、約２００°Ｆ以上の温度を含む掘削孔）において有利な場合がある。破砕耐火れんが及び耐火れんがシャモットなどのいくつかの高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、いくつかのその他アルミノケイ酸塩材料の非晶質構造とは対照的に、結晶構造を含んでよい。
更に、破砕耐火れんが及び耐火れんがシャモットなどのいくつかの高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、異なる供給源から得られた材料の中で、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランの性質に実質的な均質性（すなわち、大幅な変動の欠如）を示す場合がある。例えば、いくつかの実施形態による、破砕耐火れんが及び／または耐火れんがシャモットなどの高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、特定の仕様に合致しているか、またはほぼ合致している製造された材料に由来してよく、従って、天然に存在する材料及び／またはほとんどまたは全く品質管理を行っていない廃棄処理材を使用することに起因する非均質性を無くす可能性がある。これにより、フライアッシュ、セメントキルンダストなどの様なシリカ系フィラーなどの、その他のセメントフィラー及びセメント系化合物反応物に勝るいくつかの利点を提供できる。例えば、「フライアッシュ」（粉砕石炭または微粉炭の燃焼から生じ、例えば、発電所で発生した煙道ガスによって運ばれる微粉化した燃え殻を指す）の異なるバッチでは、フライアッシュの構成の性質ゆえに明らかに異なる特性を示す場合がり、結果としてバッチ間で大幅に変動する。とりわけ、フライアッシュは、特に石灰、セメント、石膏、ＣａＯ、及びＳｉＯ2のいずれか１つ以上で汚染されている可能性がある。従って、結合剤組成物中にフライアッシュを組み込むことにより、フライアッシュの異なるバッチを得る及び結合剤組成物中に組み込む度に、上述の及びその他の非均質性ゆえにセメント配合物の試験及び修正が必要となる。その一方で、耐火れんがシャモットなどの実質的に均質な材料の使用によって、耐火れんがシャモットの異なるバッチ及び／または異なる供給源を使用する場合であっても、結合剤組成物の均質性を高める可能性がある（それによって、繰り返し試験及び／または再配合を行う必要性を減らす）。更に、この利点によって、いくつかの実施形態の結合剤組成物は、高温用途だけでなく、フライアッシュなどのフィラーを含むセメント材料が予測不能な結果を生じる場合もある低温用途（例えば、約２００°Ｆ未満の用途）に対しても好適となる可能性がある。
いくつかの実施形態では、破砕耐火れんが及び／または耐火れんがシャモットなどの高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランの含有によって、代わりにフライアッシュ、軽石、頁岩などのフィラーを用いるその他の結合剤組成物と比較して、一度凝結及び／または硬化すると、より多量のアルミニウム及び／またはアルミナ含有種を含む結合剤組成物をもたらす可能性がある。同様に、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランの含有によって、凝結結合剤組成物中に存在する非晶質物質の量を大幅に低減または実質的に排除する可能性があり、更に凝結結合剤組成物中に存在する石英の量を低減させる場合もあり、それによって、圧縮強度、耐食性、耐熱性及び／または凝結時間などの特性を向上させる結果となる。いくつかの実施形態による高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、結合剤組成物に対して高温安定性及び耐食性を更に付与する場合もある。場合によっては、この特性は、いくつかの実施形態による高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾラン中に存在するムライト、コランダムなどの種に起因する場合がある。加えて、破砕耐火れんが及び／または耐火れんがシャモットなどの高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、そのような材料を含む結合剤組成物に対して固有の耐熱性及び耐薬品性を付与する場合もある。下表１は、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランの含有によって存在するいくつかの成分を含む、結合剤組成物中に含まれてよい様々な成分のＸ線回折（「ＸＲＤ」）組成分析を示す。具体的には、表１では、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾラン（表１では、耐火れんがシャモット「ＦＢＧ」）の重量％での組成を、セメントキルンダスト（ＣＫＤ）、フライアッシュ（フライアッシュＦ）、軽石、及び頁岩の各々と比較する。表２は、上述のその他の結合剤組成物生成分と比較した、耐火れんがシャモットの全酸化物分析を示す。

従って、上記の表から明らかな通り、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、その他のフィラーと比較して、より多量のアルミニウム及びアルミナの一方またはその両方を含んでよい。従って、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを含む結合剤組成物は、より多量のそのような材料を含んでよい。例えば、いくつかの実施形態による結合剤組成物中に組み込まれた高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、５０重量％超のムライトを含んでよい。ある種の実施形態では、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、及び７０重量％の任意の１つを超えるムライトを含んでよい。いくつかの実施形態では、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、コランダムを含んでよい。ある種の実施形態では、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、１０、１５、２０、２５、及び３０％の任意の１つを超えるコランダムを含んでよい。同様に、いくつかの実施形態による結合剤組成物中に組み込まれた高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、実質的に非晶質（非結晶質）物質を含まなくともよい。
その他の材料が、本明細書に記載されたものと一致する相対量で含まれる限り、任意量の高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランが、結合剤組成物に使用されてよい。いくつかの実施形態による結合剤組成物は、０．１ｌｂ以上の高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを含んでよい。いくつかの実施形態では、その量は０．５ｌｂ以上であってよく；ある種の実施形態では、結合剤組成物中に含まれる高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランの考え得る重量範囲の下限は、１、２、３、４、５、６、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、５００、７５０、１０００、１５００、及び２０００ｌｂの任意の１つであってよい。これら前述の値間での任意の整数または非整数の重量は、いくつかの実施形態では、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランの最小量であってよい。
更に、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、粉砕、粉末、またはその他同様の粒子形状で、いくつかの実施形態による結合剤組成物中に含まれてよい。いくつかの実施形態では、結合剤組成物は、Ｕ．Ｓ．メッシュサイズ４以下の高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩粒子を含んでよい。いくつかの実施形態では、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩粒子のメッシュサイズは、Ｕ．Ｓ．メッシュサイズ１０以下であってよい。各種実施形態による高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩粒子のＵ．Ｓ．メッシュサイズの上限は、８０、７０、６０、５０、４０、３５、３０、２５、２０、１８、１６、１４、１２、１０、８、７、６、及び４Ｕ．Ｓ．メッシュサイズの任意の１つであってよい。いくつかの実施形態では、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩粒子サイズについて下限は無いが、その他の実施形態では、サイズに下限があってよい。例えば、各種実施形態による高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩粒子のＵ．Ｓ．メッシュサイズの下限は、４００、３２５、２７０、２３０、２００、１７０、１４０、１２０、１００、８０、７０、６０、５０、４０、３０、２５、２０、１８、１６、１４、１２、１０、８、７、及び６Ｕ．Ｓ．メッシュサイズの任意の１つであってよい。従って、いくつかの実施形態による結合剤組成物は、以下の例示的範囲の任意の１つ以上のサイズで高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩粒子を含んでよい：約４００〜８０Ｕ．Ｓ．メッシュサイズ；約４００〜２００Ｕ．Ｓ．メッシュサイズ；約１００〜３０Ｕ．Ｓ．メッシュサイズ；約８０〜６０Ｕ．Ｓ．メッシュサイズ；約８０〜約１８Ｕ．Ｓ．メッシュサイズ；など。
結合剤組成物は、凝結促進剤を更に含んでよい。結合剤組成物の凝結時間（すなわち、結合剤組成物を特定の圧縮強度へと凝結させるのに要する時間）を低減させる任意の化合物は、好適な凝結促進剤であってよい。いくつかの実施形態による凝結促進剤の例としては、塩化カルシウム（ＣａＣｌ2）、臭化カルシウム（ＣａＢｒ2）、及びヨウ化カルシウム（ＣａＩ2）などの水溶性ハロゲン化カルシウムが挙げられる。その他の例示的凝結促進剤は、そのような凝結促進剤を含む凝結結合剤組成物に対して耐食特性を更に付与する場合がある。例えば、いくつかの実施形態における凝結促進剤はリン酸塩を含んでよく、凝結結合剤組成物に対して耐食特性を更に付与する場合がある。任意の種類の可溶性リン酸塩を使用してよく、ガラス質リン酸ナトリウム、ヘキサメタリン酸ナトリウム、ポリリン酸ナトリウム、トリポリリン酸ナトリウム、オルトリン酸ナトリウム、メタリン酸ナトリウム、ヘキサメタリン酸アンモニウム、ポリリン酸アンモニウム、トリポリリン酸アンモニウム、オルトリン酸アンモニウム、及びメタリン酸アンモニウムを含むが、これらに限定されない。その他の例としては、任意のヘキサメタリン酸塩、トリポリリン酸塩、オルトリン酸塩、メタリン酸塩、及び／またはその他のポリリン酸塩が挙げられ得る。更なる例としては、上記の任意の塩が挙げられる。上記任意の２つ以上の混合物または組み合わせが、いくつかの実施形態で代わりにまたは更に使用されてよい。いくつかの実施形態では、結合剤組成物中のリン酸塩の存在によって、その場でのセメント系材料形成の化学反応を変化させ、例えば、地下層を貫通するボーリング孔内でさらされる化学物質（天然物質並びに油、ガス、及びその他の地中化合物回収作業中に添加された物質の両方）による腐食に対して耐性を示す化合物を形成してよい。例えば、とりわけ可溶性リン酸塩は、カルシウムイオン源及び高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾラン間の反応によって形成される可能性のあるアルミン酸カルシウムと結合する場合があると考えられている。リン酸塩とアルミン酸カルシウムとの反応によって、ヒドロキシアパタイトの形態でリン酸カルシウムを形成し、腐食に対して耐性を示す場合がある。耐性は、特に流動酸、ＣＯ2、Ｈ2Ｓ、及びこれらの組み合わせのいずれか１つ以上に対してであってよい。更に、いくつかの実施形態では、凝結促進剤は、結合剤組成物に対して異なる凝結特性を付与するその能力に少なくとも部分的に基づいて選択されてよい。例えば、ＣａＣｌ2の様な凝結促進剤では、凝結時間がより長くなるが、最終的に圧縮強度はより高くなる場合があり、それに対して、リン酸塩凝結促進剤を含む急速凝結結合剤組成物では、ＣａＣｌ2を含む実施形態の圧縮強度よりも最終的に低い圧縮強度となる場合がある。本開示の利益を有する当業者は、特定用途の要求に最も適した凝結促進剤を決定することが可能であろう。
いくつかの実施形態による凝結促進剤は、実質的に固形物であってよい（例えば、ヘキサメタリン酸ナトリウム）。固形凝結促進剤としては、粉末、シャモット、粉砕材料などが挙げられ得る。ある種の実施形態による凝結促進剤は、溶液中に溶解または懸濁させてよい（例えば、凝結促進剤が、水溶液中に提供されてよい）。そのような場合、結合剤組成物中に含まれる凝結促進剤の量は、溶液内の凝結促進剤の質量（溶液の全質量ではない）に換算される。１つ以上の凝結促進剤が、約１％から約１０％ｂｗｏｐの範囲で、いくつかの実施形態の結合剤組成物中に含まれてよい。いくつかの実施形態で存在する１つ以上の凝結促進剤の範囲の下限は、約１、２、３、４、５、６、７、８、及び９％ｂｗｏｐの任意の１つであってよい。いくつかの実施形態では、存在する凝結促進剤量の範囲の下限は、直前に述べた数のうち任意の２つの間における１０分の１パーセント値の任意の区間（またはその他の区間）などの、非整数（例えば、１．３％ｂｗｏｐ、７．５％ｂｗｏｐ、８．６％ｂｗｏｐなど）であってよい。いくつかの実施形態で存在する１つ以上の凝結促進剤の範囲の上限は、約２、３、４、５、６、７、８、９、及び１０％ｂｗｏｐの任意の１つであってよい。いくつかの実施形態では、同様に、存在する凝結促進剤の範囲の上限は、直前に述べた数のうち任意の２つの間における１０分の１パーセント値の任意の区間（またはその他の区間）などの、非整数（例えば、３．１５％ｂｗｏｐ、７．５％ｂｗｏｐ、８．６％ｂｗｏｐ、９．６８％ｂｗｏｐなど）であってよい。従って、前述による好適な典型的範囲としては、例えば、約４．５％ｂｗｏｐ〜８．５％ｂｗｏｐ；約２．１５％ｂｗｏｐ〜５．２０％ｂｗｏｐ；約６．００％ｂｗｏｐ〜１０．００％ｂｗｏｐなどが挙げられ得る。
いくつかの実施形態による結合剤組成物は、凝結促進剤であっても、もしくは凝結促進剤でなくともよい（またはさもなければ、凝結促進剤として機能してよい）リン酸塩化合物を更にまたは代わりに含んでよい。例えば、ある種の実施形態では、含まれたリン酸塩化合物は、リン酸塩化合物が凝結促進剤としても機能するか否かにかかわらず、結合剤組成物に対して耐薬品特性を付与する場合がある。好適なリン酸塩化合物の例としては、先に前述したようなものが挙げられる。このような実施形態では、リン酸塩化合物は、上述の通り、凝結促進剤が含まれてよい任意の量（ｂｗｏｐ）で結合剤組成物中に含まれてよい。
凝結遅延剤、微小球、粉砕ゴム粒子、炭素繊維、界面活性剤、流体損失制御添加剤、増量材（ｗｅｉｇｈｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）、分散剤などの任意の１つ以上を含む、様々なその他添加剤の任意の１つ以上が、いくつかの実施形態の結合剤組成物中に更にまたは代わりに含まれてよい。
例えば、いくつかの実施形態では、１つ以上の凝結遅延剤を含んでよい。本明細書で使用する場合、「凝結遅延剤」とは、いくつかの実施形態による結合剤組成物の凝結を遅らせる添加剤である。凝結遅延剤は、水溶性カルボン酸を含んでよく、例えば、リンゴ酸、乳酸、酢酸、酒石酸、クエン酸、及びギ酸が挙げられるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態の凝結遅延剤は、以下の任意の１つ以上を代わりにまたは更に含んでよい：アンモニウム、アルカリ金属、アルカリ土類金属、スルホアルキル化リグニンの金属塩、ヒドロキシカルボン酸、アクリル酸及び／またはマレイン酸を含むコポリマー、並びにこれらの組み合わせ。好適なスルホアルキル化リグニンの一例は、スルホメチル化リグニンを含む。いくつかの実施形態による好適な凝結遅延添加剤は、Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ社から「ＨＲ（登録商標）４」、「ＨＲ（登録商標）５」、「ＨＲ（登録商標）７」、「ＨＲ（登録商標）１２」、「ＨＲ（登録商標）１５」、「ＨＲ（登録商標）２５」、「ＳＣＲ（商標）１００」、及び「ＳＣＲ（商標）５００」の商標名で市販されている。いくつかの実施形態による１つ以上の凝結遅延剤が、結合剤組成物が地下層内に配置された後、所望の時間まで結合剤組成物の凝結を遅らせるのに十分な量で含まれてよい。より詳細には、凝結遅延剤は、約０．１％から約５．０％ｂｗｏｐの範囲の量でいくつかの実施形態の結合剤組成物中に含まれてよい。いくつかの実施形態では、１つ以上の凝結遅延剤は、約０．１、０．５、１、１．５、２．０、２．５、３．０、３．５、及び４．０％ｂｗｏｐの任意の１つと同じくらい少量にて、結合剤組成物中に存在してよい。いくつかの実施形態では、１つ以上の凝結遅延剤は、直前に述べたパーセンテージのうち任意の２つの間で、任意の非整数％ｂｗｏｐと同じくらい少量にて存在してよい。凝結遅延剤は、約０．５、１、１．５、２．０、２．５、３．０、３．５、４．０、４．５、及び５．０％ｂｗｏｐの任意の１つと同じくらい多量にて、いくつかの実施形態において存在してよい。いくつかの実施形態では、１つ以上の凝結遅延剤は、直前に述べたパーセンテージのうち任意の２つの間で、任意の非整数％ｂｗｏｐと同じくらい多量にて存在してよい。いくつかの実施形態では、２つ以上の凝結遅延剤が、上に列挙した量に従って組み合わされた量で結合剤組成物中に含まれてよい。結合剤組成物の高温配置などのいくつかの条件下では、遅延剤を組み合わせることで、結合剤組成物の凝結時間及びポンピング時間の一方またはその両方に良い影響を及ぼす場合もある。
微小球は、いくつかの実施形態におけるセメント化合物への含有に好適な添加剤の別の例である。微小球は、いくつかの実施形態による結合剤組成物の密度を、とりわけ低減させる可能性がある。地下の結合剤組成物と相性の良い、例えば、結合剤組成物中に組み込むと時間の経過とともに化学的に安定する任意の微小球を使用してよい。好適な微小球の一例は、テキサス州ヒューストンのＨａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ社から「ＳＰＨＥＲＥＬＩＴＥ（登録商標）」の商標名で市販されている。含まれる場合、微小球は、所望の範囲の密度を有する結合剤組成物を提供するのに十分な量でいくつかの実施形態の結合剤組成物中に存在してよい。例えば、微小球は、約１０％〜８０％ｂｗｏｐの範囲の量で存在してよい。いくつかの実施形態では、微小球は、約１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、及び６０％ｂｗｏｐの任意の１つと同じくらい少量にて、結合剤組成物中に存在してよい。いくつかの実施形態では、微小球は、直前に述べたパーセンテージのうち任意の２つの間で、任意の整数または非整数％ｂｗｏｐと同じくらい少量にて存在してよい。微小球は、約１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、及び８０％ｂｗｏｐの任意の１つと同じくらい多量にて、いくつかの実施形態において存在してよい。いくつかの実施形態では、微小球は、直前に述べたパーセンテージのうち任意の２つの間で、任意の整数または非整数％ｂｗｏｐと同じくらい多量にて存在してよい。
粉砕ゴム粒子は、いくつかの実施形態による別の例の添加剤である。粉砕ゴム粒子は、いくつかの実施形態の結合剤組成物に対して、とりわけ弾性及び／または延性を提供するために含まれてよい。そのような粒子は、例えばタイヤから製造されてよい。いくつかの実施形態による粉砕ゴム粒子は、約１／４”未満の平均長さを有してよく、粒子は、約１０／２０及び２０／３０のＵ．Ｓ．メッシュサイズを有するフィルターを通過することが可能であってよい。含まれる場合、粉砕ゴム粒子は、結合剤組成物に対して所望の延性度合を提供するのに十分な量、例えば約１０％から約３０％ｂｗｏｐの範囲の量で、いくつかの実施形態の結合剤組成物中に存在してよい。いくつかの実施形態では、粉砕ゴム粒子は、約１０、１５、２０、及び２５％ｂｗｏｐの任意の１つと同じくらい少量にて、結合剤組成物中に存在してよい。いくつかの実施形態では、粉砕ゴム粒子は、直前に述べたパーセンテージのうち任意の２つの間で、任意の整数または非整数％ｂｗｏｐと同じくらい少量にて存在してよい。粉砕ゴム粒子は、約１５、２０、２５、及び３０％ｂｗｏｐの任意の１つと同じくらい多量にて、いくつかの実施形態において存在してよい。いくつかの実施形態では、粉砕ゴム粒子は、直前に述べたパーセンテージのうち任意の２つの間で、任意の整数または非整数％ｂｗｏｐと同じくらい多量にて存在してよい。微小球の様な粉砕ゴム粒子は、様々な段階（例えば、空練り、流体と未水和セメントを混合する前に流体と混合、及び／または結合剤組成物と流体を混合してスラリーを形成した後に結合剤組成物と混合）のいずれかにて結合剤組成物中に組み込んでよい。
炭素繊維は、とりわけ結合剤組成物の引張強度を増加させるために、いくつかの実施形態で含まれてよい。そのような実施形態での含有に好適な炭素繊維は、高い引張強度及び／または高い引張係数を有してよい。ある種の例示的実施形態では、引張係数は約１８０ＧＰａ以上であってよく、繊維の引張強度は、約３０００ＭＰａ以上であってよい。繊維は、約１ｍｍ以下の平均長さを有することが好ましい。ある種の例示的実施形態では、炭素繊維の平均長さは、約５０から約５００ミクロン；その他の実施形態では、約１００から約２００ミクロンである。平均繊維長さは、約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００、１０５、１１０、１１５、１２０、１２５、１３０、１３５、１４０、１４５、１５０、１５５、１６０、１６５、１７０、１７５、１８０、１８５、１９０、１９５、２００、２５０、３００、３５０、４００、及び４５０ミクロンの任意の１つと同じくらい短くてよい。いくつかの実施形態では、炭素繊維は、直前に述べたミクロン長さのうち任意の２つの間で、任意の整数または非整数の長さと同じくらい短い平均長さを有してよい。平均繊維長さは、約５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００、１０５、１１０、１１５、１２０、１２５、１３０、１３５、１４０、１４５、１５０、１５５、１６０、１６５、１７０、１７５、１８０、１８５、１９０、１９５、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、及び５００ミクロンの任意の１つと同じくらい長くてよい。いくつかの実施形態では、炭素繊維は、直前に述べたミクロン長さのうち任意の２つの間で、任意の整数または非整数の長さと同じくらい長い平均長さを有してよい。炭素繊維は、粉砕した炭素繊維であってよく、例えば、ニュージャージー州アズベリーのＡｓｂｕｒｙ Ｇｒａｐｈｉｔｅ Ｍｉｌｌｓ社から市販されている「ＡＧＭ−９４」、「ＡＧＭ−９９」、及び「ＡＧＭ−９５」炭素繊維が挙げられる。「ＡＧＭ−９４」繊維は、例えば、約１５０ミクロンの平均長さで、約７．２ミクロンの直径を有する。「ＡＧＭ−９９」炭素繊維は、例えば、約１５０ミクロンの平均長さで、約７．４ミクロンの直径を有する。一般に、炭素繊維は、凝結セメントが所望の引張強度となるのを可能にするのに十分な量で存在してよい。炭素繊維は、約１％から約１５％ｂｗｏｐの範囲の量でいくつかの実施形態の結合剤組成物中に存在してよい。いくつかの実施形態では、炭素繊維は、約１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、及び１４％ｂｗｏｐの任意の１つと同じくらい少量にて、結合剤組成物中に存在してよい。いくつかの実施形態では、炭素繊維は、直前に述べたパーセンテージのうち任意の２つの間で、任意の非整数％ｂｗｏｐと同じくらい少量にて存在してよい。炭素繊維は、約２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、及び１５％ｂｗｏｐの任意の１つと同じくらい多量にて、いくつかの実施形態において存在してよい。いくつかの実施形態では、炭素繊維は、直前に述べたパーセンテージのうち任意の２つの間で、任意の非整数％ｂｗｏｐと同じくらい多量にて存在してよい。
先述の通り、いくつかの実施形態の結合剤組成物への含有に好適なその他の例の添加剤としては、凝結促進剤、界面活性剤、流体損失制御添加剤、増量材、分散剤、ガス発生添加剤、逸泥防止材（ｌｏｓｔ−ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ）、ろ過制御添加剤、消泡剤、油膨潤性粒子、水膨潤性粒子、揺変性（ｔｈｉｘｏｔｒｏｐｉｃ）添加剤、及びこれらの組み合わせが挙げられる。好適な流体損失制御添加剤の一例としては、例えば、スチレン−ブタジエンラテックスが、オクラホマ州ダンカンのＨａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ社から「ＬＡＴＥＸ３０００（商標）」の商標名で市販されている。カチオン澱粉はまた、好適な流体損失制御添加剤であり得る。更に、添加剤の具体例としては、結晶性シリカ、非晶質シリカ、ヒュームドシリカ、塩、繊維、水和性（ｈｙｄｒａｔａｂｌｅ）粘土、籾殻灰、エラストマー、エラストマー粒子、樹脂、ラテックス、これらの組み合わせなどが挙げられる。例えば、逸泥防止材は、地下層への流体循環の損失を防止するのに助けとなる場合があり、逸泥防止材としては、杉皮、細断したサトウキビの茎、鉱物繊維、雲母片、セロハン、炭酸カルシウム、粉砕ゴム、ポリマー材料、プラスチック片、接地大理石、木材、ナッツ殻、フォーマイカ、トウモロコシの穂軸、及びコットンハルが挙げられ得る。更なる例として、消泡剤は、いくつかの実施形態による結合剤組成物が、組成物の混合及び／またはポンピング中に発泡する傾向を抑える場合がある。好適な消泡添加剤の例としては、ポリオールシリコーン化合物が挙げられるが、これらに限定されない。加えて、揺変性添加剤は、希薄または低粘度な流体としてポンプ輸送可能であり得るが、静止状態のままにした場合、比較的高い粘度に達する結合剤組成物を提供し得る。好適な揺変性添加剤の例としては、石膏、水溶性カルボキシアルキル、ヒドロキシアルキル、混合カルボキシアルキルヒドロキシアルキル、セルロース、多価金属塩、ヒドロキシエチルセルロースを有するオキシ塩化ジルコニウム、及びこれらの組み合わせが挙げられる。
添加剤は、任意の好適な手段によって各種実施形態の結合剤組成物中に組み込まれてよい。例えば、添加剤は、水などの流体を添加する前に未水和セメントとドライブレンドしてよく、セメントに添加される流体と混合することによりブレンドしてよく、または流体の添加に続いて、もしくは添加後にセメントスラリーと混合することによりブレンドしてよい。いくつかの実施形態では、添加剤は、水中に前もって懸濁させて、セメント混合流体に注入または水性スラリーとしてのセメントスラリーに注入してよい。ある種の実施形態では、液体添加剤（または先述の通り、懸濁添加剤）は、水などの流体と混合してよく；固体添加剤は、未水和セメントと混合してよく；次いで、流体及び未水和セメント（加えて、それらと混合させた各々の添加剤）を互いに混合し、ポンプ輸送可能なスラリーを形成してよい。液体添加剤の例としては、凝結遅延剤、凝結促進剤、界面活性剤、流体損失制御添加剤、及び分散剤が挙げられ得る。いくつかの実施形態では、これらの液体添加剤の任意の１つ以上は、それらの液体形態の代わりにまたは更に、固体形態で使用してよい。固体添加剤の例としては、ゴム粒子、炭素繊維、微小球、及び増量材が挙げられ得る。
ある種の実施形態の結合剤組成物は、特にポンプ輸送可能なスラリーへと形成される場合、低密度結合剤組成物であってよい。例えば、いくつかの実施形態の結合剤組成物は、発泡結合剤組成物スラリーを含んでよい。発泡させる場合、結合剤組成物は、結合剤組成物が所望の密度になるよう発泡させるのに十分な量で存在する膨張添加剤を含んでよい。所望により、結合剤組成物を発泡させる場合、発泡剤及び／または発泡安定化剤は、発泡を促進させるために結合剤組成物中に含まれてよい。いくつかの実施形態では、発泡剤及び／または発泡安定化剤を含む界面活性剤が、結合剤組成物中に組み込まれてよい。好適な発泡性及び安定化界面活性剤組成物としては、アルキルエーテル硫酸塩のアンモニウム塩、ココアミドプロピルベタイン界面活性剤、ココアミドプロピルジメチルアミンオキシド界面活性剤、塩化ナトリウム、及び水の混合物；アルキルエーテル硫酸塩界面活性剤のアンモニウム塩、ココアミドプロピルヒドロキシスルタイン界面活性剤、ココアミドプロピルジメチルアミンオキシド界面活性剤、塩化ナトリウム、及び水の混合物；加水分解ケラチン；エトキシ化アルコールエーテル硫酸塩界面活性剤、アルキルまたはアルケンアミドプロピルベタイン界面活性剤、及びアルキルまたはアルケンジメチルアミンオキシド界面活性剤の混合物；α−オレフィンスルホン酸塩界面活性剤及びベタイン界面活性剤の水溶液；並びにこれらの組み合わせが挙げられ得るが、これらに限定されない。ある種の一実施形態では、発泡性及び安定化界面活性剤組成物として、アルキルエーテル硫酸塩のアンモニウム塩、ココアミドプロピルベタイン界面活性剤、ココアミドプロピルジメチルアミンオキシド界面活性剤、塩化ナトリウム、及び水の混合物が挙げられ得る。そのような混合物の好適な例は、「ＺＯＮＥＳＥＡＬ（登録商標）２０００」発泡添加剤であり、Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ社から市販されている。使用する場合、発泡剤及び／または発泡安定化剤は、安定的な気泡を発生させるのに十分な量で、いくつかの実施形態の結合剤組成物中に存在してよい。ある種の例示的実施形態では、発泡剤及び／または発泡安定化剤は、組成物中の水の重量に対して、約０．５％から約５％の範囲で；その他の実施形態では、水の重量に対して約１％から約２％の範囲の量にて存在してよい。加えて、膨張添加剤を使用して、いくつかの実施形態の結合剤組成物を発泡させてよい。空気、窒素、または両方の混合物などのガスを使用してよい。ある種の例示的実施形態では、窒素を使用してよい。含まれる場合、膨張添加剤は、結合剤組成物の密度を所望の値に調節するのに十分な量で結合剤組成物中に存在してよい。膨張添加剤が結合剤組成物に添加されたある種の例示的実施形態では、発泡結合剤組成物は、約１０．５から約１７．５ｌｂ／ｇａｌの範囲の密度、またはいくつかの実施形態では、約１１．５から約１２．５ｌｂ／ｇａｌの範囲の密度を有してよい。
発泡結合剤組成物は、任意の好適な混合技術に従って調製されてよい。例えば、水の分量をセメントまたはその他のブレンダーに導入し、続いてカルシウムイオン源、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾラン、及びもしあれば、凝結促進剤の各々を導入してよい。混合物は、ポンプ輸送可能な非発泡性スラリーを形成するのに十分な時間、かき混ぜてよい。次いで、スラリーは、掘削孔へとポンプで送入されて、発泡剤及び／または発泡安定化剤、続いて膨張添加剤を、作業中のスラリーへと注入してよい。スラリー及び膨張添加剤が、得られる発泡結合剤組成物が配置される位置へと掘削孔を通過して流入する際、結合剤組成物を発泡及び安定化させてよい。使用するその他の添加剤があれば、カルシウムイオン源及び高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを、それらと混合する前に水に添加してよい。このことは、液体及び／または溶媒和及び／または懸濁添加剤に特に望ましい場合がある。添加剤は、混合前にカルシウムイオン源及び／または高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランへと更にまたは代わりに添加されてよい。このことは、固相添加剤に特に望ましい場合がある。
各種実施形態による結合剤組成物は、多数の異なるセメンチング作業に好適であり得るが、この組成物は、地下層でのセメンチング方法に特に好適であり得る。例えば、いくつかの実施形態による結合剤組成物は、結合剤組成物が地下層内に導入され、結合剤組成物の成分を反応させてその場でセメント系材料を形成し、その後に結合剤組成物を凝結させる場合のある、一次及び／または補修セメンチング作業に使用されてよい。本明細書で使用する場合、地下層内に結合剤組成物を導入するということは、限定されないが、地下層に掘削された掘削孔へ、掘削孔を囲む掘削孔の近傍領域へ、またはその両方を含む、地下層の任意の一部分への導入を含む。
一次セメンチングの実施形態では、例えば、水、カルシウムイオン源、及び高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを含む結合剤組成物は、掘削孔の壁及び掘削孔内に位置する導管（例えば、パイプストリング、ライナー）との間の空間内に導入されてよい（掘削孔は、地下層を貫通している）。結合剤組成物内の複数の成分を反応させて、セメント系材料を含む結合剤組成物を形成してよく、その後、結合剤組成物を凝結させて、掘削孔の壁及び導管の間の空間で硬化したセメントの環状鞘部を形成してよい。とりわけ、結合剤組成物は、掘削孔内の流体が移動するのを防ぐバリアを形成してよい。結合剤組成物はまた、例えば、掘削孔内の導管を支持してもよい。
補修セメンチングの実施形態では、水、カルシウムイオン源、及び高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを含む結合剤組成物は、例えば、スクイズセメンチング作業にて、またはセメントプラグの配置にて使用されてよい。例として、結合剤組成物のスラリーを掘削孔内に配置してよく、結合剤組成物内の複数の成分を反応させてセメント系材料を含む結合剤組成物を形成してよく、それによって、結合剤組成物が、層内にて、グラベルパックにて、導管にて、セメント鞘部にて、並びに／またはセメント鞘部及び導管の間のマイクロアニュラスにて、間隙または亀裂などの開口部を塞ぐように凝結し得る。
いくつかの実施形態では、水、非セメント系カルシウムイオン源、及び非セメント系高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを含む結合剤組成物は、結合剤組成物の凝結を引き起こすのに十分な温度及び／または圧力に曝露されてよい。
ある種の実施形態では、凝結は、結合剤組成物の１つ以上の非セメント系成分の、１つ以上の凝結可能及び／もしくは凝結組成物への反応またはその他の変換を含んでよい。例えば、先述の通り、カルシウムイオン源は、非セメント系カルシウムイオン源であってよい、または含んでよい；同様に、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、非セメント系であってよい。そのような非セメント系成分を含む結合剤組成物中の水の含有、並びに種々の好適な温度、圧力、及び／またはその他の条件のいずれかへの導入は、いくつかの実施形態で、非セメント系材料を含む結合剤組成物の凝結をもたらす場合がある。いくつかの実施形態では、そのような温度及び／または圧力に、本明細書に記載された例示的実施形態と一致する様々な地下セメンチング手順のいずれかの通常過程において、ダウンホールでさらされる場合があり、それによって、結果としてその場で凝結結合剤組成物を形成する。例えば、いくつかの実施形態による非セメント系材料（例えば、非セメント系カルシウムイオン源及び非セメント系高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾラン）を含む結合剤組成物は、７０°Ｆ以上の温度、及び／または２０００ｐｓｉ以上の圧力に曝露される場合、凝結する場合がある。いくつかの実施形態では、結合剤組成物スラリーの凝結を促進させるのに必要な圧力及び温度は、逆相関となる場合がある−すなわち、より高い圧力によって、凝結に必要な１つ以上の反応を促進させるのに必要となる温度がより低くなる場合があり、逆もまた同様である。ある種の実施形態では、結合剤組成物は、約７５°Ｆ以上の温度に曝露されてよく、その後結合剤組成物は凝結し得る。いくつかの実施形態では、凝結のために曝露される温度（例えば、凝結温度）は、以下のいずれか以上であってよい（単位は°Ｆ）：約８０、８５、９０、９５、１００、１０５、１１０、１１５、１２０、１２５、１３０、１３５、１４０、１４５、１５０、１５５、１６０、１６５、１７０、１７５、１８０、１８５、１９０、２００、２０５、２１０、２１５、２２０、２２５、２３０、２３５、２４０、２４５、２５０、２５５、２６０、２６５、２７０、２７５、２８０、２８５、２９０、２９５、３００、３０５、３１０、３１５、３２０、３２５、３３０、３３５など、最大６００以上。ある種の実施形態では、最低凝結温度は、直前に述べた値のうち任意の２つの間における任意の温度値、整数または非整数であってよい。同様に、好適な凝結圧力は、以下のいずれか以上であってよい（単位はｐｓｉ）：約１０、１５、２０、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、７００、７５０、８００、８５０、９００、９５０、１０００、１１００、１２００、１３００、１４００、１５００、１６００、１７００、１８００、１９００、２０００、２５００、３０００、３５００、４０００、４５００、５０００、５５００、６０００、６５００、７０００、７５００、８０００、８５００、９０００、９５００、１００００、１１０００、１２０００、１３０００、１４０００、１５０００、１６０００、１７０００、１８０００、１９０００、２００００、２１０００、２２０００、２３０００、２４０００、２５０００など、最大約３５０００以上。ある種の実施形態では、最低凝結圧力は、直前に述べた値のうち任意の２つの間における任意の圧力値、整数または非整数であってよい。いくつかの実施形態では、より高い凝結温度及び／または圧力によって、結合剤組成物が凝結反応中に経る化学反応を変化させる場合もある。
いくつかの実施形態では、最初により低い温度及び／または圧力で凝結すること、続いてより高い温度及び／または圧力で硬化することを含んでよい。本明細書で使用する場合、「硬化（ｃｕｒｉｎｇ）」とは、凝結材料を、継続して並びに／またはより高い温度及び／もしくは圧力条件にさらす場合に経る可能性のある現象を指す。従って、「硬化」は、特定の条件に対する凝結材料のその後の処理及び／または曝露を含む（材料が最初に凝結する際の条件と同様であってよい、またはより高い温度及び／もしくは圧力条件の場合などの異なる条件であってよい）。例えば、結合剤組成物は、最初に約２００°Ｆ以下の温度で凝結させて、その後、約４００°Ｆ以上のより高い温度にさらされてよく、結果として更に組成物を硬化させてよい。最初の凝結及び硬化のいずれかは、各種実施形態において、上に列挙した凝結温度からの任意の温度で生じる場合がある。いくつかの実施形態では、凝結及び硬化の一方またはその両方は、任意の好適な手段、例えば、水熱処理によって生じる場合がある。いくつかの実施形態では、凝結は、ダウンホールでの配置、続いてダウンホール環境にて必然的にさらされる条件（例えば、上昇した温度及び／または圧力）への曝露に起因する場合がある。従って、凝結は、組成物が凝結する坑底位置にて結合剤組成物を温度及び／または圧力条件にさらすことを含んでよい。いくつかの実施形態における凝結は、結合剤組成物を火攻法及び／または水蒸気ポンピング（ｓｔｅａｍ ｐｕｍｐｉｎｇ）作業にかけることを、代わりにまたは更に含んでよい（例えば、結合剤組成物を凝結させる温度及び／または圧力を上昇させるために）。または、ある種の実施形態では、凝結は、結合剤組成物を生産条件（例えば、地下層から生産された炭化水素及び／またはその他の物質の生産）にさらすことを、代わりにまたは更に含んでよい。同様に、硬化は、結合剤組成物が凝結した地下層内にて火攻法、水蒸気ポンピング、圧入、及び／またはその他類似の作業、並びにこれらの組み合わせを実施することを含んでよい。そして、硬化は、一度凝結させた結合剤組成物を地下層から生産された１つ以上の化合物（例えば、炭化水素、地層水、または任意のその他生産化合物）に曝露させることを更にまたは代わりに含んでよい。そのような曝露には、高温及び／または高圧条件を含んでよい。いくつかの実施形態では、より高い凝結温度及び／または圧力によって、結合剤組成物が凝結中に経る化学反応を変化させる場合もある。例えば、より高い温度によって、より低い温度にて凝結する場合よりも、凝結後の結合剤組成物が、異なる生成物及び／または結晶構造を含むように反応生成物を変化させる場合がある。同様に、より高温での硬化によって、凝結後の結合剤組成物の化学反応を変化させる場合もある。例えば、極度の高温及び／または高圧での硬化によって、凝結結合剤組成物内に高温結晶相を生じさせる化学変換を引き起こす場合がある。場合によっては、そのようなプロセスは、アニーリングに類似してよい。従って、いくつかの実施形態の結合剤組成物は、極限条件に耐えるだけでなく、そのような条件への更なる曝露に適応することも可能にしてよい。従って、そのような結合剤組成物は、生産、圧入、増進回収技術、火攻法、水蒸気ポンピングなどの極度の高温条件を伴う任意の作業における使用に好適であり得る。
本明細書に開示された例示的結合剤組成物は、開示された結合剤組成物の調製、供給、回収、再生利用、再利用、及び／または廃棄と関連した１つ以上の構成部品または装置に直接的にまたは間接的に影響を及ぼす場合もある。例えば、開示された結合剤組成物は、例示的結合剤組成物を生成、貯蔵、監視、調節、及び／または再生するために使用される１つ以上のミキサー、関連混合装置、泥ピット、貯蔵設備またはユニット、成分分離機、熱交換器、センサー、ゲージ、ポンプ、コンプレッサーなどに直接的にまたは間接的に影響を及ぼす場合もある。開示された結合剤組成物はまた、例えば、ある位置から別の位置へと結合剤組成物を組成的に移動させるのに使用される任意の輸送容器、導管、パイプライン、トラック、チューブラー（ｔｕｂｕｌａｒ）、及び／またはパイプなどの、結合剤組成物を坑井位置またはダウンホールへと運搬するために使用される任意の輸送または供給装置、結合剤組成物を動かすために使用される任意のポンプ、コンプレッサー、またはモーター（例えば、上部もしくはダウンホール）、結合剤組成物の圧力または流量を調節するために使用される任意のバルブまたは関連ジョイント、並びに任意のセンサー（すなわち、圧力及び温度）、ゲージ、並びに／またはこれらの組み合わせなどにも直接的にまたは間接的に影響を及ぼす場合がある。開示された結合剤組成物はまた、限定されないが、掘削孔ケーシング、掘削孔ライナー、仕上げストリング、挿入ストリング、ドリルストリング、コイルドチュービング、スリックライン、ワイヤーライン、ドリルパイプ、ドリルカラー、マッドモーター、ダウンホールモーター及び／またはポンプ、セメントポンプ、表面実装モーター及び／またはポンプ、セントラライザー、ターボライザー、スクラッチャー、フロート（例えば、シュー、カラー、バルブなど）、検層ツール及び関連テレメトリー装置、アクチュエーター（例えば、電気機械装置、油圧機械装置など）、スライディングスリーブ、プロダクションスリーブ、プラグ、スクリ−ン、フィルター、流量制御装置（例えば、流入量制御装置、自律型流入量制御装置、流出量制御装置など）、カップリング（例えば、電気油圧湿式接続、乾式接続、誘導結合器など）、制御ライン（例えば、電気式、光ファイバー式、油圧式など）、監視ライン、ドリルビット及びリーマー、センサーまたは分布センサー、ダウンホール熱交換器、バルブ及び対応する作動装置、ツールシール、パッカー、セメントプラグ、ブリッジプラグ、並びにその他の坑井隔離装置、または構成部品などの、セメント組成物／添加剤と接触する可能性がある様々なダウンホール装置及びツールにも直接的にまたは間接的に影響を及ぼす場合がある。
図１を参照して、例示的実施形態に従った結合剤組成物の調製は、以下に記載される。図１は、ある種の実施形態に従って、結合剤組成物の調製用及び掘削孔への供給用システム２を示す。示されるように、結合剤組成物は、例えば、ジェットミキサー、再循環ミキサー、またはバッチミキサーなどの混合装置４にて混合され、次いでポンピング装置６を介して掘削孔へとポンプで送入されてよい。いくつかの実施形態では、混合装置４及びポンピング装置６は、当業者には明らかであるように１台以上のセメントトラック上に配置されてよい。いくつかの実施形態では、ジェットミキサーは、例えば、掘削孔へとポンプで送入しながら、水を含む組成物を連続的に混合するために使用されてよい。
地下層内に結合剤組成物を配置するための例示的技術は、図２Ａ及び２Ｂを参照して以下に記載される。図２Ａは、ある種の実施形態に従って、結合剤組成物の配置に使用してよい地上設備１０を示す。図２Ａは一般に地上作業を示すが、本明細書に記載された原理は、本開示の範囲から逸脱することなく、浮遊式または海上プラットフォーム及びリグを用いる海底作業に等しく適用可能であることを、当業者は容易に認識するであろうと理解されるべきである。図２Ａによって図示されているように、地上設備１０は、セメンチングユニット１２を含んでよく、このユニットは、１台以上のセメントトラックを含んでよい。セメンチングユニット１２は、当業者には明らかであるように混合装置４及びポンピング装置６（例えば、図１）を含んでよい。セメンチングユニット１２は、結合剤組成物１４を、供給パイプ１６を通過させて、結合剤組成物１４をダウンホールに運搬するセメンチングヘッド１８へとポンプで送入してよい。
次に図２Ｂを参照すると、結合剤組成物１４は、例示的実施形態に従って地下層２０内に配置されてよい。図示されているように、掘削孔２２は、地下層２０に掘削されてよい。掘削孔２２は、一般に地下層２０内へと垂直に延びていることが示されているが、本明細書に記載された原理は、地下層２０を通過して傾斜して延びる、水平及び傾斜した掘削孔などの掘削孔にも適用可能である。図示されているように、掘削孔２２は、壁２４を含む。図示された実施形態では、サーフェスケーシング２６は、掘削孔２２内に挿入されている。サーフェスケーシング２６は、セメント鞘部２８によって掘削孔２２の壁２４にセメントで固定されてよい。図示された実施形態では、ケーシング３０として図に示されている導管を追加で１つ以上（例えば、中間ケーシング、プロダクションケーシング、ライナーなど）、掘削孔２２内に配置してもよい。図示されているように、ケーシング３０並びに掘削孔２２の壁２４及び／またはサーフェスケーシング２６の間で形成される掘削孔アニュラス３２が存在する。１つ以上のセントラライザー３４が、例えば、セメンチング作業前及び作業中に掘削孔２２内のケーシング３０を中心に配置するために、ケーシング３０に取り付けられてよい。
引き続き図２Ｂを参照すると、結合剤組成物１４は、ケーシング３０内部の下方へとポンプで送入されてよい。結合剤組成物１４は、ケーシング３０の内部を下方に流れて、ケーシング３０の底部にてケーシングシュー４２を通過し、ケーシング３０の周囲を上方に掘削孔アニュラス３２へと流れてよい。結合剤組成物１４は、例えば、掘削孔２２内のケーシング３０を支持及び位置付けるセメント鞘部を形成するために、掘削孔アニュラス３２内で凝結し得る。図示されていないが、その他の技術も、結合剤組成物１４の導入に利用されてよい。例として、ケーシング３０を通過する代わりに掘削孔アニュラス３２を介して地下層２０に結合剤組成物１４を導入することを含む、逆循環技術を使用してよい。
結合剤組成物１４は、導入される際に、ケーシング３０及び／または掘削孔アニュラス３２の内部に存在する可能性のある掘削流体及び／またはスペーサー流体などの、その他の流体３６と置換してよい。置換流体３６の少なくとも一部分は、図２Ａに示されるように、フローライン３８を介して掘削孔アニュラス３２から排出され、例えば、１つ以上の貯留ピット４０（例えば、泥ピット）内に堆積されてよい。図２Ｂを再度参照すると、ボトムプラグ４４は、例えば、セメンチング前にケーシング３０内部にある可能性のある流体３６と結合剤組成物１４を分離するために、結合剤組成物１４の前に掘削孔２２内に導入されてよい。ボトムプラグ４４が、ランディングカラー４６に到達した後、ダイヤフラムまたはその他の好適な装置が破れて、結合剤組成物１４がボトムプラグ４４を通過できるようになる。図２Ｂでは、ボトムプラグ４４は、ランディングカラー４６上に示されている。図示された実施形態では、トッププラグ４８は、結合剤組成物１４の後に掘削孔２２内に導入されてよい。トッププラグ４８は、後押し流体５０と結合剤組成物１４を分離し、更に結合剤組成物１４を後押ししてボトムプラグ４４を通過させてよい。
いくつかの実施形態では、本開示は、水；非セメント系カルシウムイオン源；及び非セメント系高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを含む結合剤組成物を提供してよい。その他の実施形態では、本開示は、結合剤組成物を地下層に導入すること（この結合剤組成物は、水、非セメント系カルシウムイオン源、及び非セメント系高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを含むスラリーを含む）；並びに結合剤組成物を地下層内で凝結させることを含む方法を提供してよい。
本開示の更なる理解を促すために、例示的実施形態のいくつかの下記実施例が提供される。決してそのような実施例が、本発明の範囲を限定すると解釈されるべきではない。
いくつかの実施形態による、表３に示す組成物を有する４つのサンプル結合剤組成物スラリー（サンプルＷ、Ｘ、Ｙ、及びＺ）を調製した。
表３では、ＳＨＭＰは、ヘキサメタリン酸ナトリウムであり、いくつかの実施形態による凝結促進剤の一例である。ＣａＣｌ2は、ある種の実施形態による凝結促進剤の別の例である。軽石は、可能かもしれない圧縮強度の向上のためにサンプルＺに添加した。
サンプルＷ、Ｘ、及びＹを各々反応させて、１４０°Ｆにて４８時間凝結させ、凝結結合剤組成物を形成した。各々の凝結後、圧縮強度は、凝結円柱サンプルを破砕することにより試験した。試験結果は、表４に示す。１４０°Ｆにて４８時間凝結させた後、サンプルＷは、圧縮強度（破砕試験により決定した）５５．１１ｐｓｉを得て；サンプルＸの圧縮強度は２２２．８２ｐｓｉに到達し；サンプルＹは３５３．８８ｐｓｉに到達した。サンプルＷ及びＸは、全体として最大７日間１４０°Ｆにて更に硬化させ、表４に示すように、それぞれ３２８．９２ｐｓｉ及び５９９．１２ｐｓｉの圧縮強度を得た。これらの結果は、サンプルＸ及びＹの各々に凝結促進剤を含有（それぞれ、ＣａＣｌ2及びＳＨＭＰ）することにより、これらサンプルの各々で、より高い圧縮強度をより速く発現する結果となる場合があった可能性を示している。
表３によって、サンプルＸ、Ｙ、及びＺの追加量を調製して反応させ、次いで１９０°Ｆにて２４時間硬化させ、続いて１９０°Ｆにて最大７日間更に硬化させた。圧縮強度は、硬化円柱サンプルを破砕することにより試験した。２４時間時点及び７日間時点の各サンプルの圧縮強度を、表５にて以下に示す。この表は、分散剤及び軽石または高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランに加えて別のシリカ質ポゾランを含有することにより、部分的には高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランによって最終材に付与される耐熱性及び耐食性を依然として保持しつつ、長期間後、最終的により高い圧縮強度を有利にもたらす場合があることを示している。
加えて、Ｘ線回折（ＸＲＤ）分析を、１９０°Ｆにて２４時間後及び１９０°Ｆにて７日間後、サンプルＸ及びＹの各々で実施した。サンプルＸ及びＹの各々について、それぞれ表６及び７にて報告されるように、このＸＲＤ分析によって、追加の硬化時間後、凝結結合剤組成物を含む反応生成物にて若干の変化が見られたが、１９０°Ｆでの各々について相はそのままの状態であったことを示す。どちらの凝結結合剤組成物にも、ポルトランダイトは見られない。
表３によって、サンプルＸ及びＹの追加量を調製して反応させ、１９０°Ｆにて２４時間凝結させて、次いでオートクレーブへと移して、５５０°Ｆにて７日間更に硬化させた。しかしながら、この特定の場合では、サンプルＸは混合中に追加の水を要し、それによって表３で報告されているサンプルＸと比較して、その密度が低下した。圧縮強度は、硬化円柱サンプルを破砕することにより試験した。５５０°Ｆ硬化後の各々における圧縮強度を、表８にて以下に示す。この表では、サンプルＸの圧縮強度は、１９０°Ｆ硬化で到達した強度よりも低下したが、サンプルＹは、１９０°Ｆ硬化と比較して、５５０°Ｆ硬化にて最終的に圧縮強度の大幅な上昇を見せたことを示している。考え得る説明としては、混合中にサンプルＸへ導入した追加の水である可能性がある。
加えて、ＸＲＤ分析を、オートクレーブ内で５５０°Ｆにて７日間後、サンプルＸ及びＹの各々で実施した。サンプルＸ及びＹの各々について、それぞれ表９及び１０にて報告されるように、このＸＲＤ分析によって、５５０°Ｆでの各々について、相は依然としてそのままの状態であり、どちらの凝結結合剤組成物にも、ポルトランダイトはやはり存在しないことを示す。

更に、図３に示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を、それぞれ実施例２及び３の各々による、１９０°Ｆ（７日間）及び５５０°Ｆ（７日間）にて硬化したサンプルＹについて比較した。実施例３に従った５５０°Ｆ硬化では、２００倍率（３０５）にて結晶性物質（特に、非常に小さな結晶のクラスター）を高い度合いで形成することを実証した。他方では、１９０°Ｆにて実施例２により硬化させたサンプルは、２００倍率（３１１）にて結晶性硬化をほとんどまたは全く示さなかったが、代わりに、大半がか細い非結晶性物質であることを示した。２０００倍率（３１１）で示す１９０°Ｆ硬化では、１９０°Ｆ硬化から得られるか細い物質をより詳細に示す。５５０°Ｆ硬化の２０００倍画像（３１５）では、非常に小さな結晶のクラスターは、非常に小さくか細い結晶の束であることを示す。
表３によって、サンプルＸ及びＹの追加量を調製して反応させ、２００°Ｆにて２５時間硬化させた。サンプルは、超音波セメントアナライザー（ＵＣＡ）によって時間の経過とともに分析し、サンプルＸでは、初期強度は緩やかに発現したが、試験期間全体を通して連続的に強度を高めることを示した。他方では、ＵＣＡ分析によって、サンプルＹでは、強度は急速に発現したが、残りの試験期間全体を通して強度を高めることは、ほとんどまたは全くなかったことを実証した。これは、各サンプルで異なる凝結促進剤を使用した結果である可能性がある：ＣａＣｌ2（サンプルＸ）対ＳＨＭＰ（サンプルＹ）。更に、各サンプルのＵＣＡ分析によって示された最終的な圧縮強度は、表５にて示すように、Ｘ及びＹの硬化円柱サンプルの破砕から得られた結果と一致する。
実施例３にて報告されるように、調製、凝結、及び硬化させたサンプルＹの組成を、ＸＲＤ分析と共にリートベルト全パターン精密化（Ｒｉｅｔｖｅｌｄ Ｆｕｌｌ−Ｐａｔｔｅｒｎ Ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ）及びエネルギー分散型蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）を使用して更に分析した。ＸＲＤ及びリートベルト解析によって、１９０°Ｆにて２４時間凝結し、更に５５０°Ｆにて７日間硬化させた後のサンプルＹの組成について、表１１に示すように、修正された結果が得られた。

サンプルＹ構造の更新された分析では、リン、すなわちヒドロキシアパタイトの存在を示し、このことは、サンプルＹにおけるリン酸塩化合物ＳＨＭＰの含有に起因すると思われる。
従って、本発明は、本明細書における本来の目的及び利点のみならず、前述の目的及び利点を達成するのに良く適合する。上に開示された特定の実施形態は例示的にすぎず、その理由は、本発明は、本明細書にて教示の利益を有する当業者に明らかな、異なるが同等の方法で修正及び実施されてよいからである。更に、以下の特許請求の範囲に記載されている以外に、本明細書で示された構成または設計の詳細を限定することを意図しない。従って、上に開示された特定の例示的実施形態は、変更または修正されてよく、そのようなすべての変形は、本発明の範囲及び趣旨の範囲内と考えられることは明らかである。特に、本明細書にて開示された値のすべての範囲（「約ａから約ｂ（ｆｒｏｍ ａｂｏｕｔ ａ ｔｏ ａｂｏｕｔ ｂ）」、すなわち、「約ａからｂ（ｆｒｏｍ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ ａ ｔｏ ｂ）」、すなわち、「約ａ−ｂ（ｆｒｏｍ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ ａ−ｂ）」の形式）は、値の各範囲のべき集合（すべての部分集合の集合）を参照すると理解されるべきであり、値のより広い範囲内に包含されるすべての範囲を説明する。また、特許請求の範囲における用語は、特許権所有者による別段の明示的及び明確な規定がない限り、それらの平易な通常の意味を持つ。

Claims (23)

  1. 水；
    非セメント系カルシウムイオン源；及び
    非セメント系高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを含む結合剤組成物。
  2. 前記カルシウムイオン源が、消石灰、生石灰、水酸化物イオン源の存在下におけるカルシウム塩、及びこれらの組み合わせから成る群から選択される化合物を含む、請求項１に記載の結合剤組成物。
  3. 前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランが、前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランの重量に対して５０％超の量でムライトを含む、請求項１に記載の結合剤組成物。
  4. 前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランが、非晶質物質を実質的に含まない、請求項３に記載の結合剤組成物。
  5. 前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランが、破砕耐火れんが、耐火れんがシャモット、ケイ酸塩及びコランダムの混合物、ケイ酸塩及び高アルミナセラミックの混合物、ケイ酸塩及びボーキサイトの混合物、コランダム、高アルミナセラミック、ムライト、溶融ムライト、並びにこれらの組み合わせから成る群から選択される化合物を含む、請求項１に記載の結合剤組成物。
  6. 前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランが、２０Ｕ．Ｓ．メッシュサイズ以下のサイズで粒子を含む、請求項１に記載の結合剤組成物。
  7. リン酸塩化合物を更に含む、請求項１に記載の結合剤組成物。
  8. 凝結促進剤を更に含む、請求項１に記載の結合剤組成物。
  9. 前記凝結促進剤が、塩化カルシウム；臭化カルシウム；ヨウ化カルシウム；リン酸塩、ヘキサメタリン酸塩、トリポリリン酸塩、オルトリン酸塩、メタリン酸塩、ポリリン酸塩、上記のいずれか１つの塩、及びこれらの組み合わせから成る群から選択される化合物を含む、請求項８に記載の結合剤組成物。
  10. 前記カルシウムイオン源が、前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランの重量に対して約２０％から約７０％の範囲の量で前記結合剤組成物中に存在する；及び
    前記凝結促進剤が、前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランの重量に対して約１％から約３０％の範囲の量で前記結合剤組成物中に存在する、請求項９に記載の結合剤組成物。
  11. 凝結遅延剤、微小球、粉砕ゴム粒子、炭素繊維、界面活性剤、流体損失制御添加剤、増量材、分散剤、ガス発生添加剤、逸泥防止材、ろ過制御添加剤、発泡剤、消泡剤、油膨潤性粒子、水膨潤性粒子、揺変性添加剤、及びこれらの組み合わせから成る群から選択される添加剤を更に含む、請求項１に記載の結合剤組成物。
  12. セメンチング方法であって、以下の工程、
    結合剤組成物を地下層に導入する工程であって、前記結合剤組成物が、
    水、
    非セメント系カルシウムイオン源、及び
    非セメント系高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを含むスラリーを含む、工程；
    前記結合剤組成物の１つ以上の成分を反応させて、凝結可能な結合剤組成物を形成させる工程；並びに
    前記凝結可能な結合剤組成物を前記地下層内で凝結させる工程
    を含む、前記セメンチング方法。
  13. 前記結合剤組成物の前記１つ以上の成分が反応して、前記地下層内で凝結可能な結合剤組成物を形成する、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記非セメント系カルシウムイオン源が、消石灰、生石灰、水酸化物イオン源の存在下におけるカルシウム塩、及びこれらの組み合わせから成る群から選択される化合物を含む；並びに
    前記非セメント系高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランが、耐火れんが、耐火れんがシャモット、ケイ酸塩及びコランダムの混合物、ケイ酸塩及び高アルミナセラミックの混合物、ケイ酸塩及びボーキサイトの混合物、コランダム、高アルミナセラミック、並びにこれらの組み合わせから成る群から選択される化合物を含む、請求項１２に記載の方法。
  15. 前記結合剤組成物が、リン酸塩化合物を更に含む、請求項１２に記載の方法。
  16. 前記結合剤組成物が、凝結促進剤を更に含む、請求項１２に記載の方法。
  17. 前記凝結促進剤が、塩化カルシウム；臭化カルシウム；ヨウ化カルシウム；リン酸塩、ヘキサメタリン酸塩、トリポリリン酸塩、オルトリン酸塩、メタリン酸塩、ポリリン酸塩、及びこれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記非セメント系カルシウムイオン源が、前記非セメント系高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランの重量に対して約２０％から約７０％の範囲の量で前記結合剤組成物中に存在する；及び
    前記凝結促進剤が、前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランの重量に対して約１％から約３０％の範囲の量で前記結合剤組成物中に存在する、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記非セメント系カルシウムイオン源及び非セメント系高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを凝結させる工程が、前記結合剤組成物を約３８℃（１００°Ｆ）超の温度に曝露することを含む、請求項１２に記載の方法。
  20. 前記結合剤組成物を凝結させる工程が、約９３℃（約２００°Ｆ）以下の温度にて前記結合剤組成物を凝結させることを含む、請求項１２に記載の方法。
  21. 前記結合剤組成物を凝結させる工程の後で、約２０４℃（約４００°Ｆ）以上の温度にて前記結合剤組成物を硬化させる工程を更に含む、請求項１８及び２０のいずれかに記載の方法。
  22. 混合装置を使用して、前記非セメント系カルシウムイオン源及び前記非セメント系高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランの１つ以上と前記水とを混合する工程を更に含む、請求項１２に記載の方法。
  23. 前記結合剤組成物が、１つ以上のポンプを使用して地下層内に導入される、請求項１２に記載の方法。
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