Вспенивание цементных композиций замедленного схватывания, содержащих пемзу и гашеную известь
Изобретение относится к способам и композициям, в том числе используемым в различных операциях, выполняемых под землей. Способ цементирования в подземном пласте включает обеспечение цементной композиции замедленного схватывания, содержащей воду, пемзу, гашеную известь, диспергирующий агент и замедлитель схватывания, причем замедлитель схватывания содержит производную фосфоновой кислоты, а диспергирующий агент представляет собой эфир поликарбоновой кислоты; вспенивание цементной композиции замедленного схватывания; активирование цементной композиции замедленного схватывания; введение цементной композиции замедленного схватывания в подземный пласт; и обеспечение схватывания цементной композиции замедленного схватывания в подземном пласте. Также описаны дополнительные способы, вспененная цементная композиция замедленного схватывания и системы для цементирования. 3 н. и 24 з.п. ф-лы, 3 ил., 7 табл.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[001] Цементные композиции можно использовать в различных выполняемых под землей операциях. Например, при строительстве подземных шахт в ствол скважины можно вставить ветвь трубопровода (например, обсадную колонну, хвостовики, расширяемые трубные изделия и т.п.) и зацементировать на месте. Такой процесс цементирования ветви трубопровода на месте часто называют «первичным цементированием». В обычном способе первичного цементирования цементную композицию можно закачать в межтрубное пространство между стенками ствола скважины и наружной поверхностью ветви трубопровода, расположенной в указанном стволе. Цементная композиция может схватываться в межтрубном пространстве, образуя, тем самым, кольцевую оболочку затвердевшего, по существу непроницаемого цемента (т.е. цементную оболочку), которая может служить опорой и располагать в требуемом положении ветвь трубопровода в стволе скважины и может соединять наружную поверхность ветви трубопровода с подземным пластом. Среди прочего, цементная оболочка, окружающая ветвь трубопровода, функционирует для предотвращения перемещения текучих сред в межтрубном пространстве, защищая при этом ветвь трубопровода от коррозии. Цементные композиции также можно использовать в способах ремонтного цементирования, например, для герметизации трещин или отверстий в ветвях трубопровода или цементных оболочках, для герметизации высоко проницаемых зон пласта или изломов, для размещения цементных пробок и т.п.
В операциях подземного цементирования применяли самые разнообразные цементные композиции. В некоторых случаях использовали цементные композиции замедленного схватывания. Цементные композиции замедленного схватывания характеризуются тем, что при комнатной температуре (например, примерно 80 °F (примерно 27 °С)) и хранении в состоянии покоя остаются в пригодном для перекачивания текучем состоянии в течение по меньшей мере примерно одного дня (например, по меньшей мере примерно 7 дней, примерно 2 недель, примерно 2 лет или более). При необходимости для применения цементные композиции замедленного схватывания должны обладать способностью к активированию, вследствие чего проявляются приемлемые значения предела прочности при сжатии. Например, к цементной композиции замедленного схватывания можно добавить ускоритель схватывания цемента, в результате чего происходит схватывание композиции с получением затвердевшей массы. Среди прочего цементная композиция замедленного схватывания может подходить для применения в стволе скважины, например, при необходимости заблаговременного получения цементной композиции. Это позволяет, например, хранить цементную композицию до ее применения. Кроме того, это позволяет, например, приготовить цементную композицию в удобном месте, а затем переместить ее к месту проведения работ. Соответственно, можно уменьшить капиталовложения за счет снижения потребности в бестарном хранении на месте проведения работ и в смесительном оборудовании. Это может быть особенно полезным при выполнении работ по цементированию в море, где пространство на борту судна может быть ограничено.
Хотя к настоящему времени были разработаны цементные композиции замедленного схватывания, существуют трудности с их успешным применением в операциях подземного цементирования. Например, цементные композиции замедленного схватывания, полученные с применением портландцемента, могут иметь нежелательные проблемы, связанные с гелеобразованием, которые могут ограничить их применение и эффективность в операциях цементирования. Другие композиции замедленного схватывания, которые были разработаны, например, композиции, содержащие гашеную известь и кварц, могут быть эффективными в некоторых операциях, но могут иметь ограниченное применение при более низких температурах, так как они не могут обеспечить достаточный предел прочности при сжатии при применении в подземных пластах, имеющих пониженную статическую температуру на забое скважины.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[001] Приведенные чертежи иллюстрируют определенные аспекты некоторых из вариантов реализации настоящего способа и не должны использоваться для ограничения или определения указанного способа.
[002] На фиг. 1 показана система для приготовления и доставки цементной композиции замедленного схватывания в ствол скважины согласно некоторым вариантам реализации изобретения.
[003] На фиг. 2A показано наземное оборудование, которое можно использовать при размещении цементной композиции замедленного схватывания в стволе скважины согласно некоторым вариантам реализации изобретения.
[004] На фиг. 2B показано размещение цементной композиции замедленного схватывания в межтрубное пространство ствола скважины согласно некоторым вариантам реализации изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Типичные варианты реализации изобретения относятся к операциям подземного цементирования и, более конкретно, согласно некоторым вариантам реализации изобретения, к цементным композициям замедленного схватывания и способам применения указанных цементных композиций замедленного схватывания в подземных пластах.
Варианты реализации цементных композиций замедленного схватывания могут в общем содержать воду, пемзу, гашеную известь и замедлитель схватывания. Необязательно, цементные композиции замедленного схватывания могут дополнительно содержать диспергирующий агент. Варианты реализации цементных композиций замедленного схватывания могут быть вспененными. Варианты реализации цементных композиций замедленного схватывания могут предпочтительно оставаться в пригодном для перекачивания текучем состоянии в течение длительного периода времени. Например, цементные композиции замедленного схватывания могут оставаться в пригодном для перекачивания текучем состоянии в течение по меньшей мере примерно 1 дня, примерно 2 недель, примерно 2 лет или дольше. Предпочтительно, цементные композиции замедленного схватывания после активации могут проявлять приемлемые значения предела прочности при сжатии при сравнительно низких температурах. Хотя цементные композиции замедленного схватывания могут подходить для целого ряда операций подземного цементирования, они могут быть особенно подходящими для применения в подземных пластах со сравнительно низкой статической температурой на забое скважины, например, с температурами, составляющими менее примерно 200 °F (примерно 93 °С) или от примерно 100°F (примерно 38 °С) до примерно 200°F (примерно 93 °С). Согласно альтернативным вариантам реализации изобретения цементные композиции замедленного схватывания можно использовать в подземных пластах со статическими температурами на забое скважины до 450 °F (примерно 232 °С) или выше.
Воду, используемую в вариантах реализации цементных композиций замедленного схватывания, можно получить из любого источника, при условии, что указанный источник не содержит избыточного количества соединений, которые могут нежелательным образом влиять на другие компоненты, содержащиеся в цементных композициях замедленного схватывания. Например, цементная композиция замедленного схватывания может содержать пресную воду или соленую воду. Соленая вода в общем может содержать одну или более растворенных в ней солей и может быть насыщенной или ненасыщенной, как необходимо для конкретного применения. Для использования в вариантах реализации изобретения могут подходить морская вода или соляные растворы. Кроме того, вода может присутствовать в количестве, достаточном для образования пригодной для перекачивания суспензии. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения вода может присутствовать в цементной композиции замедленного схватывания в количестве, составляющем от примерно 33% до примерно 200% относительно массы пемзы. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения вода может присутствовать в цементных композициях замедленного схватывания в количестве, составляющем от примерно 35% до примерно 70% относительно массы пемзы. Специалист в данной области техники на основании настоящего описания сможет определить подходящее количество воды для выбранного применения.
Варианты реализации цементных композиций замедленного схватывания могут содержать пемзу. В общем, пемза представляет собой вулканическую породу, которая может проявлять цементирующие свойства, поскольку она может схватываться и затвердевать в присутствии гашеной извести и воды. Пемза также может быть в измельченном виде. В целом, пемза может иметь любое распределение частиц по размерам, необходимое для конкретного применения. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения пемза может иметь средний размер частиц в диапазоне от примерно 1 микрона до примерно 200 микрон. Средний размер частиц соответствует значениям d50, измеренным с применением анализаторов размеров частиц, таких как анализаторы, изготавливаемые компанией Malvern Instruments, Вустершир, Соединенное Королевство. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения средний размер частиц пемзы может составлять от примерно 1 микрона до примерно 200 микрон, от примерно 5 микрон до примерно 100 микрон или от примерно 10 микрон до примерно 50 микрон. Согласно одному из конкретных вариантов реализации изобретения средний размер частиц пемзы может составлять менее примерно 15 микрон. Пример подходящей пемзы имеется в компании Hess Pumice Products, Inc., Малад, Айдахо, в виде легкого заполнителя DS-325 с размером частиц менее примерно 15 микрон. Следует понимать, что при слишком маленьких размерах частиц могут возникать сложности со смешиваемостью, тогда как для частиц слишком больших размеров может быть невозможным обеспечить их эффективное суспендирование в указанных композициях. Специалист в данной области техники на основании настоящего описания сможет выбрать размер частиц пемзы, подходящий для выбранного применения.
Варианты реализации цементных композиций замедленного схватывания могут содержать гашеную известь. В настоящем документе под термином «гашеная известь» будут понимать гидроксид кальция. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения гашеную известь можно обеспечить в виде негашеной извести (оксида кальция), которая гидратируется при смешивании с водой с образованием гашеной извести. Гашеную известь можно включить в варианты реализации цементных композиций замедленного схватывания, например, для получения гидравлической композиции с пемзой. Например, гашеную известь можно включить при весовом отношении пемзы к гашеной извести, составляющем от примерно 10:1 до примерно 1:1 или от 3:1 до примерно 5:1. В случае присутствия гашеной извести ее можно включить в цементные композиции замедленного схватывания в количестве, составляющем, например, от примерно 10% до примерно 100% относительно массы пемзы. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения гашеная известь может присутствовать в количестве, варьирующем в диапазоне между любыми из значений, составляющими примерно 10%, примерно 20%, примерно 40%, примерно 60%, примерно 80% или примерно 100% относительно массы пемзы, и/или в количестве, включающем любое из перечисленных значений. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения цементирующие компоненты, присутствующие в цементной композиции замедленного схватывания, могут по существу состоять из пемзы и гашеной извести. Например, цементирующие компоненты могут в основном содержать пемзу и гашеную известь без каких-либо дополнительных компонентов (например, портландцемента, летучей золы, шлакового цемента), которые гидравлически схватываются в присутствии воды. Специалист в данной области техники на основании настоящего описания сможет определить подходящее необходимое для включения количество гашеной извести для выбранного применения.
Варианты реализации цементных композиций замедленного схватывания могут содержать замедлитель схватывания. Для применения в цементных композициях замедленного схватывания могут подходить самые разнообразные замедлители схватывания. Например, замедлитель схватывания может включать фосфоновые кислоты, такие как этилендиаминтетра (метиленфосфоновая кислота), диэтилентриаминпента (метилен-фосфоновая кислота) и т.п.; лигносульфонаты, такие как лигносульфонат натрия, лигносульфонат кальция и т.п.; соли, такие как сульфат олова, ацетат свинца, одноосновный фосфат кальция, органические кислоты, такие как лимонная кислота, винная кислота и т.п.; производные целлюлозы, такие как гидроксилэтилцеллюлоза (HEC) и карбоксиметилгидроксиэтилцеллюлоза (CMHEC); синтетические coполимеры или тройные полимеры, содержащие сульфонатные группы и группы карбоновой кислоты, такие как сополимеры функционализированного сульфонатом акриламида и акриловой кислоты; боратные соединения, такие как бораты щелочных металлов, метаборат натрия, тетраборат натрия, пентаборат калия; их производные или их смеси. Примеры подходящих замедлителей схватывания включают, среди прочего, производные фосфоновой кислоты. Один из примеров подходящего замедлителя схватывания представляет собой замедлитель схватывания цемента Micro Matrix® (Микро Матрикс), который можно приобрести в компании Halliburton Energy Services, Inc. В общем, замедлитель схватывания может присутствовать в цементных композициях замедленного схватывания в количестве, достаточном для замедления схватывания в течение требуемого времени. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения замедлитель схватывания может присутствовать в цементных композициях замедленного схватывания в количестве, составляющем от примерно 0,01% до примерно 10% относительно массы пемзы. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения замедлитель схватывания может присутствовать в количестве, варьирующем в диапазоне между любыми из значений, составляющими примерно 0,01%, примерно 0,1%, примерно 1%, примерно 2%, примерно 4%, примерно 6%, примерно 8% или примерно 10% относительно массы пемзы, и/или в количестве, включающем любое из перечисленных значений. Специалист в данной области техники на основании настоящего описания сможет определить подходящее необходимое для включения количество замедлителя схватывания для выбранного применения.
Как упоминалось ранее, варианты реализации цементных композиций замедленного схватывания могут необязательно содержать диспергирующий агент. Примеры подходящих диспергирующих агентов включают, без ограничения, сульфированные диспергирующие агенты на основе формальдегида (например, сульфированный ацетон-формальдегидный конденсационный продукт), примеры которых могут включать Daxad® (Даксад) 19, который можно приобрести в компании Geo Specialty Chemicals, Амблер, Пенсильвания. Другие подходящие диспергирующие агенты могут представлять собой эфиры поликарбоновых кислот, такие как Liquiment® (Ликумент) 5581F и Liquiment® (Ликумент) 514L, которые можно приобрести в компании BASF Corporation Houston, Техас; или Ethacryl G, который можно приобрести в компании Coatex, Жене, Франция. Дополнительным примером подходящего коммерчески доступного диспергирующего агента является диспергирующий агент CFR™-3, который можно приобрести в компании Halliburton Energy Services, Inc, Хьюстон, Техас. Особую важность в отношении следующих примеров имеет то, что диспергирующий агент Liquiment® (Ликумент) 514L содержит 36 масс.% эфира поликарбоновой кислоты в воде. Хотя согласно вариантам реализации изобретения можно использовать различные диспергирующие агенты, применяемые в качестве диспергирующих агентов эфиры поликарбоновых кислот могут быть особенно подходящими для применения в некоторых вариантах реализации изобретения. Не будучи ограниченными теорией, полагают, что применяемые в качестве диспергирующих агентов эфиры поликарбоновых кислот могут синергетически взаимодействовать с другими компонентами цементной композиции замедленного схватывания. Например, полагают, что применяемые в качестве диспергирующих агентов эфиры поликарбоновых кислот могут реагировать с определенными замедлителями схватывания (например, производными фосфоновой кислоты), в результате чего в пласте образуется гель, который суспендирует пемзу и гашеную известь в композиции в течение длительного периода времени.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения диспергирующий агент можно включать в цементные композиции замедленного схватывания в количестве, составляющем от примерно 0,01% до примерно 5% относительно массы пемзы. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения диспергирующий агент может присутствовать в количестве, варьирующем в диапазоне между любыми из значений, составляющими примерно 0,01%, примерно 0,1%, 0,5%, примерно 1%, примерно 2%, примерно 3%, примерно 4% или примерно 5% относительно массы пемзы, и/или в количестве, включающем любое из перечисленных значений. Специалист в данной области техники на основании настоящего описания сможет определить подходящее необходимое для включения количество диспергирующего агента для выбранного применения.
Варианты реализации цементных композиций замедленного схватывания могут содержать добавку для улучшения механических свойств. Добавки для улучшения механических свойств можно включать в варианты реализации композиций замедленного схватывания, например, для обеспечения соответствующего предела прочности при сжатии и длительной структурной целостности. На указанные свойства могут влиять напряжения, нагрузки, температура, давление и ударные эффекты подземной окружающей среды. Примеры добавок для улучшения механических свойств включают волокна, такие как, среди прочего, волокна из графитового углерода, стекловолокна, стальные волокна, минеральные волокна, кварцевые волокна, полиэфирные волокна, полиамидные волокна и полиолефиновые волокна. Конкретные примеры волокон из графитового углерода включают волокна, полученные из полиакрилонитрила, вискозного волокна и нефтяного пека. При применении указанные добавки для улучшения механических свойств могут присутствовать в количестве, составляющем от примерно 0,01% до примерно 5% относительно массы пемзы. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения указанные добавки для улучшения механических свойств могут присутствовать в количестве, варьирующем в диапазоне между любыми из значений, составляющими примерно 0,01%, примерно 0,1%, 0,5%, примерно 1%, примерно 2%, примерно 3%, примерно 4% или примерно 5% относительно массы пемзы, и/или в количестве, включающем любое из перечисленных значений. Специалист в данной области техники на основании настоящего описания сможет определить подходящее необходимое для включения количество добавок для улучшения механических свойств для выбранного применения.
В варианты реализации цементных композиций замедленного схватывания также могут быть включены и другие добавки, подходящие для применения в операциях подземного цементирования. Примеры таких добавок включают, но не ограничиваются ими, утяжелители, облегченные добавки, газогенерирующие добавки, материалы для борьбы с поглощением, добавки для регулирования фильтрации, добавки для понижения водоотдачи, пеногасители, вспенивающие агенты, тиксотропные добавки и их комбинации. Согласно вариантам реализации изобретения, к цементной композиции замедленного схватывания можно добавить одну или более из перечисленных добавок после хранения, но перед размещением указанной цементной композиции замедленного схватывания в подземный пласт. Специалист в данной области техники на основании настоящего описания сможет легко определить тип и количество добавки, подходящей для конкретного применения и получения требуемого результата.
Специалисты в данной области техники поймут, что варианты реализации цементных композиций замедленного схватывания в общем должны иметь плотность, подходящую для конкретного применения. Например, цементные композиции замедленного схватывания могут иметь плотность в диапазоне от примерно 4 фунтов на галлон («фунт/гал») ((примерно 0,5 кг/л)) до примерно 20 фунт/гал (примерно 2,4 кг/л). Согласно некоторым вариантам реализации изобретения цементные композиции замедленного схватывания могут иметь плотность в диапазоне от примерно 8 фунт/гал (примерно 0,96 кг/л) до примерно 17 фунт/гал (примерно 2,0 кг/л). Варианты реализации цементных композиций замедленного схватывания могут быть вспененными или не вспененными или могут содержать другие средства для понижения их плотностей, такие как полые микросферы, эластичные шарики низкой плотности или другие понижающие плотность добавки, известные в данной области техники. Согласно вариантам реализации изобретения, плотность можно уменьшить после хранения композиции, но перед ее размещением в подземном пласте. Специалисты в данной области техники на основании настоящего описания смогут определить плотность, подходящую для конкретного применения.
Как описано выше, варианты реализации цементных композиций замедленного схватывания могут быть вспененными. Варианты реализации цементных композиций замедленного схватывания можно вспенивать с обеспечением облегченной композиции, которая не оказывает чрезмерного воздействия на пласты, через которые проходит ствол скважины. Кроме небольшой массы вспененная композиция может также характеризоваться свойством улучшать способность композиции поддерживать давление и предотвращать протекание потока пластовых текучих сред в композицию и через композицию во время ее перемещения. Вспененные композиции также могут быть предпочтительными, поскольку они имеют плохие свойства водоотдачи, что, таким образом, ограничивает потери при циркуляции текучей среды. Кроме того, вспененные композиции при схватывании могут также иметь более низкий модуль упругости, чем модуль не вспененных композиций, что часто необходимо, поскольку это обеспечивает возможность полученной схваченной цементной композиции сопротивляться нагрузкам, действующим на композицию в месте применения.
Согласно конкретным вариантам реализации изобретения цементную композицию замедленного схватывания можно вспенивать на месте расположения скважины. Например, цементные композиции замедленного схватывания можно вспенивать непосредственно перед применением. Варианты реализации можно вспенивать с помощью пенообразующей добавки и путем захвата газа в цементные композиции замедленного схватывания. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения пенообразующую добавку и газ можно ввести после объединения композиции с активатором. Цементные композиции замедленного схватывания можно вспенивать, например, для получения цементной композиции замедленного схватывания с пониженной плотностью.
Газ, применяемый для вспенивания композиции, может представлять собой любой подходящий газ для вспенивания, в том числе, но не ограничиваясь ими: воздух, азот и их комбинации. Как правило, газ должен быть в количестве, достаточном для получения требуемой пены. Пенообразующие добавки можно включать в варианты реализации изобретения, например, для облегчения вспенивания и/или стабилизации образующейся пены, полученной с применением указанных добавок.
Согласно конкретным вариантам реализации изобретения пенообразующая добавка может включать поверхностно-активное вещество или комбинацию поверхностно-активных веществ, уменьшающих поверхностное натяжение воды. Например, вспенивающий агент может содержать анионное, неионное, амфотерное (в том числе цвиттерионные поверхностно-активные вещества), катионное поверхностно-активное вещество или их смеси. Примеры подходящих пенообразующих добавок включают, но не ограничиваются ими: бетаины; анионные поверхностно-активные вещества, такие как гидролизованный кератин; аминоксиды, такие как алкил- или алкен- диметиламиноксиды; кокоамидопропилдиметиламиноксид; сульфонаты сложного метилового эфира; алкил- или алкен- амидобетаины, такие как кокоамидопропилбетаин; альфа-олефинсульфонаты; четвертичные поверхностно-активные вещества, такие как талловый триметиламмоний хлорид и триметилкокоаммоний хлорид; C8 - C22 алкилэтоксилат сульфаты; и их комбинации. Конкретные примеры подходящих вспенивающих агентов включают смеси аммониевой соли алкилэфирсульфата, поверхностно-активного вещества кокоамидопропилбетаина, поверхностно-активного вещества кокоамидопропилдиметиламиноксида, хлорида натрия и воды; смеси поверхностно-активного вещества аммониевая соль алкилэфирсульфата, поверхностно-активного вещества кокоамидопропилгидроксисултаин, поверхностно-активного вещества кокоамидопропилдиметиламиноксид, хлорида натрия и воды; смеси поверхностно-активного вещества сульфат простого эфира этоксилированного спирта, алкил- или алкен- амидопропилбетаин и поверхностно-активного вещества алкил- или алкен- диметиламиноксид; водные растворы поверхностно-активного вещества альфа-олефинсульфонат и поверхностно-активного вещества бетаин; и их комбинации. Примеры подходящих пенообразующих добавок представляют собой агент ZONESEALANT™ 2000 и пенообразователь 1026™, которые оба можно приобрести в компании Halliburton Energy Services Inc., Хьюстон, Техас. Варианты реализации можно вспенивать с обеспечением качества пены в диапазоне от примерно 5% до примерно 80% и, более конкретно, от примерно 18% до примерно 38%. В настоящем документе термин «качество пены» относится к объему захваченного газа и определяется согласно следующей формуле: Качество пены = (Общий объем пены – Объем жидкости) / Общий объем пены.
Как упоминалось ранее, цементные композиции могут характеризоваться замедленным схватыванием, поскольку они остаются в пригодном для перекачивания текучем состоянии в течение по меньшей мере одного дня (например, по меньшей мере примерно 1 дня, примерно 2 недель, примерно 2 лет или дольше) при комнатной температуре при хранении в состоянии покоя. Например, цементные композиции замедленного схватывания могут оставаться в пригодном для перекачивания текучем состоянии в течение периода времени от примерно 1 дня, примерно 2 недель, примерно 2 лет или дольше. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения цементные композиции замедленного схватывания могут оставаться в пригодном для перекачивания текучем состоянии в течение по меньшей мере примерно 1 дня, примерно 7 дней, примерно 10 дней, примерно 20 дней, примерно 30 дней, примерно 40 дней, примерно 50 дней, примерно 60 дней, примерно 2 лет или дольше. Считается, что текучая среда находится в пригодном для перекачивания текучем состоянии, когда указанная текучая среда имеет консистенцию, составляющую менее 70 единиц консистенции Бердена («Bc»), измеренную на консистометре высокого давления и высокой температуры при комнатной температуре (например, примерно 80 °F (примерно 27 °С)) согласно процедуре определения времени загустевания цемента, изложенной в API RP Practice 10B-2, Recommended Practice for Testing Well Cements, первое издание, июль 2005.
При необходимости для применения, варианты реализации цементных композиций замедленного схватывания можно активировать (например, путем объединения с активатором) с обеспечением схватывания с получением в результате затвердевшей массы. Например, варианты реализации цементных композиций замедленного схватывания можно активировать с обеспечением схватывания с получением затвердевшей массы в течение периода времени в диапазоне от примерно 1 часа до примерно 12 часов. Например, варианты реализации цементных композиций замедленного схватывания могут схватываться с получением затвердевшей массы в течение периода времени, варьирующего между любыми из значений, составляющими примерно 1 день, примерно 2 дня, примерно 4 дня, примерно 6 дней, примерно 8 дней, примерно 10 дней или примерно 12 дней, и/или включающего любое из перечисленных значений.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения цементные композиции замедленного схватывания могут схватываться таким образом, что будут иметь требуемый предел прочности при сжатии после активации. Предел прочности при сжатии в общем представляет собой способность материала или конструкции выдерживать направленные вдоль оси толкающие силы. Предел прочности при сжатии можно измерить в заданный момент времени после активирования цементной композиции замедленного схватывания, при этом образовавшуюся композицию поддерживают в условиях контроля конкретных температуры и давления. Предел прочности при сжатии можно измерить либо с помощью метода испытания с разрушением образца, либо с применением неразрушающего метода. При применении метода с разрушением образца физически определяют прочность образцов составов текучих сред для обработки в различные моменты времени путем раздавливания указанных образцов в машине для испытания на сжатие. Предел прочности при сжатии рассчитывают из разрушающей нагрузки, деленной на площадь поперечного сечения, которая сопротивляется нагрузке, и приводят в единицах фунт-силы на квадратный дюйм (psi). При применении неразрушающих методов обычно используют ультразвуковой анализатор цемента («UCA»), который можно приобрести в компании Fann Instrument Company, Хьюстон, Техас. Пределы прочности при сжатии можно определить согласно API RP 10B-2, Recommended Practice for Testing Well Cements, первое издание, июль 2005.
Например, цементная композиция замедленного схватывания может развить 24-часовой предел прочности при сжатии в диапазоне от примерно 50 psi (примерно 345 кПа) до примерно 5000 psi (примерно 34,5 МПа), альтернативно от примерно 100 psi (примерно 689 кПа) до примерно 4500 psi (примерно 31,0 МПа) или альтернативно от примерно 500 psi (примерно 3447 кПа) до примерно 4000 psi (примерно 27,6 МПА). Согласно некоторым вариантам реализации изобретения цементная композиция замедленного схватывания может развить за 24 часа предел прочности при сжатии, составляющий по меньшей мере примерно 50 psi (примерно 345 кПа), по меньшей мере примерно 100 psi (примерно 689 кПа), по меньшей мере примерно 500 psi (примерно 3447 кПа) или более. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения величины предела прочности при сжатии можно определить с применением разрушающих или неразрушающих методов в диапазоне температур от 100 °F (примерно 38 °С) до 200 °F (примерно 93 °С).
Варианты реализации изобретения могут включать добавление к цементным композициям замедленного схватывания активатора схватывания цемента. Примеры подходящих активаторов схватывания цемента включают, но не ограничиваются ими: амины, такие как триэтаноламин, диэтаноламин; силикаты, такие как силикат натрия; формиат цинка; ацетат кальция; гидроксиды элементов IA и IIA групп, такие как гидроксид натрия, гидроксид магния и гидроксид кальция; соли одновалентного катиона, такие как хлорид натрия; соли двухвалентного катиона, такие как хлорид кальция; нанокремнезем (т.е. кремнезем с размером частиц менее или равным примерно 100 нанометров); полифосфаты; и их комбинации. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения для активации можно использовать комбинацию полифосфата и соли одновалентного катиона. Соль одновалентного катиона может представлять собой любую соль, которая диссоциирует с образованием одновалентного катиона, такую как соли натрия и калия. Конкретные примеры подходящих солей одновалентных катионов включают сульфат калия и сульфат натрия. Для активации цементных композиций замедленного схватывания можно использовать разнообразные другие полифосфаты в комбинации с солью одновалентного катиона, в том числе полимерные метафосфатные соли, фосфатные соли и их комбинации. Конкретные примеры полимерных метафосфатных солей, которые можно использовать, включают гексаметафосфат натрия, триметафосфат натрия, тетраметафосфат натрия, пентаметафосфат натрия, гептаметафосфат натрия, октаметафосфат натрия и их комбинации. Конкретный пример подходящего активатора схватывания цемента содержит комбинацию сульфата натрия и гексаметафосфата натрия. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения активатор может быть обеспечен и добавлен к цементной композиции замедленного схватывания в виде жидкой добавки, например, жидкой добавки, содержащей соль одновалентного катиона, полифосфат и, необязательно, диспергирующий агент.
Активатор схватывания цемента следует добавлять в варианты реализации цементной композиции замедленного схватывания в количестве, достаточном для активирования цементной композиции замедленного схватывания с обеспечением схватывания с получением затвердевшей массы. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения активатор схватывания цемента можно добавить к цементной композиции замедленного схватывания в количестве, составляющем от примерно 1% до примерно 20% относительно массы пемзы. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения активатор схватывания цемента может присутствовать в количестве, варьирующем в диапазоне между любыми из значений, составляющими примерно 1%, примерно 5%, примерно 10%, примерно 15% или примерно 20% относительно массы пемзы, и/или в количестве, включающем любое из перечисленных значений. Специалист в данной области техники на основании настоящего описания сможет определить подходящее необходимое для включения количество активатора схватывания цемента для выбранного применения.
Как будет понятно специалистам в данной области техники, варианты реализации цементных композиций замедленного схватывания можно использовать в различных выполняемых под землей операциях, включая первичное и ремонтное цементирование. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения можно обеспечить цементную композицию замедленного схватывания, содержащую воду, пемзу, гашеную известь, замедлитель схватывания и необязательно диспергирующий агент. Цементную композицию замедленного схватывания можно ввести в подземный пласт и оставить в указанном пласте для схватывания. В настоящем документе введение цементной композиции замедленного схватывания в подземный пласт включает введение в любую часть подземного пласта, в том числе, без ограничения, в ствол скважины, пробуренный в подземном пласте, в призабойную зону скважины, окружающую ствол скважины, или и в то и другое место. Варианты реализации изобретения могут дополнительно включать активацию цементной композиции замедленного схватывания. Активация цементной композиции замедленного схватывания может включать, например, добавление к цементной композиции замедленного схватывания активатора схватывания цемента.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения можно обеспечить цементную композицию замедленного схватывания, содержащую воду, пемзу, гашеную известь, замедлитель схватывания и, необязательно, диспергирующий агент. Цементную композицию замедленного схватывания можно хранить, например, в резервуаре или другом подходящем контейнере. Цементную композицию замедленного схватывания можно оставить на хранении в течение требуемого периода времени. Например, цементная композиция замедленного схватывания может оставаться на хранении в течение периода времени, составляющего примерно 1 день, примерно 2 недели, примерно 2 года или дольше. Например, цементная композиция замедленного схватывания может оставаться на хранении в течение периода времени, составляющего примерно 1 день, примерно 2 дня, примерно 5 дней, примерно 7 дней, примерно 10 дней, примерно 20 дней, примерно 30 дней, примерно 40 дней, примерно 50 дней, примерно 60 дней, примерно 2 года или дольше. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения цементная композиция замедленного схватывания может оставаться на хранении в течение периода времени, составляющего от примерно 1 дня до примерно 2 лет или дольше. После этого цементную композицию замедленного схватывания можно активировать, например, путем добавления активатора схватывания цемента, который вводят в подземный пласт, и оставить схватываться в указанном пласте. Необязательно, перед введением в подземный пласт цементную композицию замедленного схватывания можно вспенивать.
В вариантах реализации первичного цементирования, например, варианты реализации цементной композиции замедленного схватывания можно ввести в кольцевое пространство между трубопроводом, расположенным в стволе скважины, и стенками ствола скважины (и/или трубопроводом большего размера в стволе скважины), при этом ствол скважины проходит через подземный пласт. Цементную композицию замедленного схватывания можно оставить схватываться в кольцевом пространстве с получением кольцевой оболочки из затвердевшего цемента. Цементная композиция замедленного схватывания может образовать барьер, препятствующий перемещению текучих сред в стволе скважины. Кроме того, цементная композиция замедленного схватывания может, например, обеспечивать опору трубопровода в стволе скважины.
В случае вариантов реализации первичного цементирования цементную композицию замедленного схватывания можно использовать, например, при операциях цементирования под высоким давлением или при размещении цементных пробок. Например, композицию замедленного схватывания можно поместить в ствол скважины для закупоривания отверстия, такого как полость или трещина, имеющаяся в пласте, в гравийной набивке, в трубопроводе, в цементной оболочке и/или между цементной оболочкой и трубопроводом (например, микрозазор между обсадной колонной и цементным камнем).
Один из типичных вариантов реализации изобретения включает способ цементирования в подземном пласте, включающий: обеспечение цементной композиции замедленного схватывания, содержащей воду, пемзу, гашеную известь и замедлитель схватывания; обеспечение вспенивания цементной композиции замедленного схватывания; активирование вспененной цементной композиции замедленного схватывания; введение вспененной цементной композиции замедленного схватывания в подземный пласт; и обеспечение схватывания вспененной цементной композиции замедленного схватывания в подземном пласте.
Один из типичных вариантов реализации изобретения включает вспененную цементную композицию замедленного схватывания, содержащую: воду, пемзу, гашеную известь, пенообразующую добавку, захваченный газ и замедлитель схватывания.
Один из типичных вариантов реализации изобретения включает систему для цементирования, содержащую: цементную композицию замедленного схватывания, содержащую: воду, пемзу, гашеную известь, замедлитель схватывания, пенообразующую добавку для вспенивания цементной композиции замедленного схватывания; газ для вспенивания цементной композиции замедленного схватывания; и активатор схватывания цемента для активации цементной композиции замедленного схватывания.
Обратимся теперь к фиг. 1, на которой показано получение цементной композиции замедленного схватывания согласно типичным вариантам реализации изобретения. На фиг. 1 показана система 2 для получения цементной композиции замедленного схватывания и доставки в ствол скважины согласно некоторым вариантам реализации изобретения. Как показано, цементную композицию замедленного схватывания можно перемешивать в смесительном оборудовании 4, таком как, например, струйный смеситель, рециркуляционный смеситель или смеситель периодического действия, и затем закачивать с помощью насосного оборудования 6 в ствол скважины. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения смесительное оборудование 4 и насосное оборудование 6 можно расположить на одном или более автоцементовозах, как будет понятно специалистам в данной области техники. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения струйный смеситель можно использовать, например, для обеспечения непрерывного смешивания извести/способного к схватыванию материала с водой, когда ее закачивают в ствол скважины.
Типичный способ размещения цементной композиции замедленного схватывания в подземном пласте будет теперь описан со ссылкой на фиг. 2A и 2B. На фиг. 2A показано наземное оборудование 10, которое можно использовать при размещении цементной композиции замедленного схватывания согласно некоторым вариантам реализации изобретения. Следует отметить, что, хотя на фиг. 2A в общем изображена проводимая на суше операция, специалисты в данной области техники легко поймут, что в пределах объема настоящего изобретения описанные здесь принципы одинаково применимы к проводимым под водой операциям, в которых используют плавучие или морские платформы и буровые установки. Как показано на фиг. 2A, наземное оборудование 10 может содержать установку 12 для цементирования, которая может включать один или более автоцементовозов. Как будет понятно специалистам в данной области техники, установка 12 для цементирования может включать смесительное оборудование 4 и насосное оборудование 6 (например, фиг. 1). С помощью установки 12 для цементирования цементную композицию 14 замедленного схватывания можно закачивать через питающую трубу 16 в цементировочную головку 18, которая обеспечивает перемещение цементной композиции 14 замедленного схватывания вниз в скважину.
Что касается фиг. 2B, цементную композицию 14 замедленного схватывания можно поместить в подземный пласт 20 согласно типичным вариантам реализации изобретения. Как показано, в подземном пласте 20 можно пробурить ствол 22 скважины. Хотя ствол 22 скважины показан проходящим в подземный пласт 20 в общем вертикально, принципы, описанные в настоящем документе, также применимы к стволам скважин, которые проходят через подземный пласт 20 под углом, таким как горизонтальные и наклонные стволы скважин. Как показано, ствол 22 скважины содержит стенки 24. Согласно показанному варианту реализации изобретения в ствол 22 скважины вставлена кондукторная обсадная колонна 26. Кондукторную обсадную колонну 26 можно прикрепить путем цементирования к стенкам 24 ствола 22 скважины посредством цементной оболочки 28. Согласно показанному варианту реализации изобретения в стволе 22 скважины можно также расположить один или более дополнительных трубопроводов (например, промежуточную обсадную колонну, эксплуатационную обсадную колонну, хвостовики и т.п.), показанных на данном чертеже в виде обсадной колонны 30. Как показано, в стволе скважины имеется межтрубное пространство 32, образованное между обсадной колонной 30 и стенками 24 ствола 22 скважины и/или кондукторной обсадной колонной 26. К обсадной колонне 30 можно прикрепить один или более центраторов 34, например, для центрирования обсадной колонны 30 в стволе 22 скважины перед операцией цементирования и во время нее.
Как показано на фиг. 2B, цементную композицию 14 замедленного схватывания можно закачать вниз во внутреннюю часть обсадной колонны 30. Можно обеспечить возможность стекания цементной композиции 14 замедленного схватывания во внутреннюю часть обсадной колонны 30 через башмак 42 обсадной колонны в нижней части обсадной колонны 30 и вокруг обсадной колонны 30 в межтрубное пространство 32 ствола скважины. Цементную композицию 14 замедленного схватывания можно оставить схватываться в межтрубном пространстве 32 ствола скважины, например, с обеспечением формирования цементной оболочки, которая поддерживает и устанавливает в требуемое положение обсадную колонну 30 в стволе 22 скважины. Хотя это и не показано, можно также использовать и другие способы введения цементной композиции 14 замедленного схватывания. Например, можно использовать способы обратной циркуляции, включающие введение цементной композиции 14 замедленного схватывания в подземный пласт 20 посредством межтрубного пространства 32 ствола скважины вместо введения через обсадную колонну 30.
При введении цементная композиция 14 замедленного схватывания может вытеснить другие текучие среды 36, такие как буровые растворы и/или вытесняющие текучие среды, которые могут присутствовать во внутренней части обсадной колонны 30 и/или в межтрубном пространстве 32 ствола скважины. По меньшей мере часть вытесняемых текучих сред 36 может выйти из межтрубного пространства 32 ствола скважины через выкидную линию 38 и осесть, например, в одном или более сточных прудов 40 (например, в амбаре для хранения бурового раствора), как показано на фиг. 2A. Обратимся снова к фиг. 2B, на которой показано, что перед цементированием в ствол 22 скважины перед введением цементной композиции 14 замедленного схватывания можно ввести нижнюю пробку 44, например, с обеспечением отделения цементной композиции 14 замедленного схватывания от текучих сред 36, которые могут находиться внутри обсадной колонны 30. После того как нижняя пробка 44 достигнет муфты 46 для подвешивания колонны, диафрагма или другое подходящее устройство должно разрушиться, чтобы позволить цементной композиции 14 замедленного схватывания пройти через нижнюю пробку 44. На фиг. 2B, нижняя пробка 44 показана на муфте 46 для подвешивания колонны. Согласно показанному варианту реализации изобретения в ствол 22 скважины после цементной композиции 14 замедленного схватывания можно ввести верхнюю пробку 48. Верхняя пробка 48 может отделять цементную композицию 14 замедленного схватывания от вытесняющей текучей среды 50 и также проталкивать цементную композицию 14 замедленного схватывания через нижнюю пробку 44.
Типичные цементные композиции замедленного схватывания, описанные в настоящем документе, могут прямо или косвенно влиять на один или более компонентов или деталей оборудования, связанного с приготовлением, доставкой, повторным захватом, рециркуляцией, повторным использованием и/или удалением описанных цементных композиций замедленного схватывания. Например, описанные цементные композиции замедленного схватывания могут прямо или косвенно влиять на один или более смесителей, связанное смесительное оборудование, амбары для хранения бурового раствора, складские сооружения или устройства для хранения, сепараторы для композиции, теплообменники, датчики, измерительные приборы, насосы, компрессоры и т.п., применяемые для генерирования, хранения, мониторинга, регулирования и/или ремонтирования типичных цементных композиций замедленного схватывания. Описанные цементные композиции замедленного схватывания могут также прямо или косвенно влиять на любое транспортное оборудование или оборудование для доставки, применяемое для перемещения цементных композиций замедленного схватывания к месту расположения скважины или вниз в скважину, такое как, например, любые сосуды для транспортировки, нефтепроводы, трубопроводы, грузовые автомобили, трубные изделия и/или трубы, применяемые для составного перемещения цементных композиций замедленного схватывания из одного места в другое, любые насосы, компрессоры или двигатели (например, наземные или погружные), применяемые для приведения цементных композиций замедленного схватывания в движение, любые клапаны или связанные места сочленения, применяемые для регулирования давления или скорости потока цементных композиций замедленного схватывания, и любые датчики (т.е. давления и температуры), измерительные приборы и/или их комбинации и т.п. Кроме того, описанные цементные композиции замедленного схватывания могут прямо или косвенно влиять на различное погружное оборудование и инструменты, которые могут вступить в контакт с цементными композициями замедленного схватывания, такие как, но не ограничиваясь ими, приствольная обсадная колонна, приствольный хвостовик, эксплуатационная колонна, бурильные колонны со вставками, бурильная колонна, колтюбинг, тросовая проволока, вспомогательный канат, буровая труба, муфты для буровых работ, забойные турбинные двигатели, погружные двигатели и/или насосы, цементировочные насосы, установленные на поверхности двигатели и/или насосы, центраторы, турболизаторы, скребки, поплавки (например, башмаки, муфты, клапаны и т.п.), скважинные зонды для каротажа и связанное телеметрическое оборудование, механизмы управления клапанами или штуцерами (например, электромеханические устройства, гидромеханические устройства и т.п.), скользящие муфты, типовые муфты, пробки, сетчатые фильтры, фильтры, устройства для регулирования потока (например, регуляторы притока, автономные регуляторы притока, регуляторы оттока и т.п.), соединения (например, электрогидравлический влажный соединитель, сухой соединитель, индуктивный соединитель и т.п.), контрольные линии (например, электрические, волоконно-оптические, гидравлические и т.п.), линии технического обследования, буровые долота и расширители, датчики или распределенные датчики, погружные теплообменники, клапаны и соответствующие управляющие устройства, уплотнения для инструментов, пакеры, цементные пробки, мостовые пробки и другие устройства для изоляции ствола скважины или компоненты и т.п.
ПРИМЕРЫ
Для лучшего понимания настоящих вариантов реализации изобретения приведены следующие примеры некоторых аспектов некоторых вариантов реализации изобретения. Никоим образом не следует считать, что следующие примеры ограничивают или определяют объем вариантов реализации изобретения.
Пример 1
Образец цементной композиции замедленного схватывания был приготовлен с применением следующих компонентов: пемзы (легкого заполнителя DS-325), гашеной извести, диспергирующего агента (Liquiment® (Ликумент) 5581F), первичного замедлителя (замедлителя схватывания цемента Micro Matrix® (Микро Матрикс)), утяжеляющей добавки (утяжеляющей добавки MicroMax® (МикроМакс), которую можно приобрести в компании Halliburton Energy Services, Inc., Хьюстон, Техас), вторичного замедлителя (замедлителя схватывания цемента HR®-5, который можно приобрести в компании Halliburton Energy Services, Inc., Хьюстон, Техас), портландцемента класса H и воды. Каждый компонент, за исключением первичного замедлителя (замедлителя схватывания цемента Micro Matrix® (Микро Матрикс)), представлен в виде процента от массы пемзы (bwoP). Первичный замедлитель измеряли в единицах галлонов на 46 фунтовый (примерно 21 кг) мешок пемзы (гал/мешок). Состав композиции приведен ниже в таблице 1.
Таблица 1
Состав образца цементной композиции замедленного схватывания
| Материал | Количество | Единицы | Масса (г) | % bw в сумме |
| Пемза | 100 | % bwoP | 58682,7 | 55,56 |
| Гашеная известь | 20 | % bwoP | 11736,5 | 11,11 |
| Диспергирующий агент | 0,5 | % bwoP | 291,1 | 0,28 |
| Первичный замедлитель | 0,06 (0,23 л/мешок) |
гал/мешок | 734,6 | 0,70 |
| Утяжеляющая добавка | 2 | % bwoP | 1173,7 | 1,11 |
| Вторичный замедлитель | 0,5 | % bwoP | 293,4 | 0,28 |
| Портландцемент | 2 | % bwoP | 1173,7 | 1,11 |
| Вода | 53,7 | % bwoP | 31534,5 | 29,86 |
| Всего | -- | -- | 105620,2 | 100 |
Образец в примере 1 в течение более 40 дней оставался в текучем состоянии, поддающимся смешиванию, пригодным для перекачивания и стабильным без осаждения твердых веществ или образования геля. Измеренная плотность образца составляла 13,5 фунтов на галлон (примерно 1,6 кг/л). Для поддержания оптимальных реологических свойств суспензии во время периода хранения добавляли минимальные дозы диспергирующего агента. Такой типичный образец служил в качестве базовой суспензии для остальных примеров, описанных ниже.
Пример 2
Реологические свойства образца цементной композиции замедленного схватывания, описанной в примере 1, были измерены после хранения образцов при комнатной температуре и давлении в течение 41 дня. После получения реологические свойства образцов были определены с применением вискозиметра модели 35A Fann и пружины № 2 с помощью устройства Fann Yield Stress Adapter согласно процедуре, изложенной в API RP Practice 10B-2, Recommended Practice for Testing Well Cements. Результаты указанного испытания приведены ниже в таблице 2.
Таблица 2
Испытания на вязкость
| Возраст образца (дни) | Показания FYSA (Fann Yield Stress Adapter) | |||||||
| Об/мин | 3 | 6 | 100 | 200 | 300 | 3D | 6D | |
| 41 | Среднее | 13 | 13 | 35 | 56 | 75,5 | 5 | 4 |
Пример 3
Из базовой суспензии, описанной в примере 1, были приготовлены три образца цементных композиций замедленного схватывания, образцы 1-3, и два контрольных образца, контрольные образцы 1 и 2. Пенообразователь 1026™, пенообразующую добавку, добавляли к каждому из трех образцов в варьирующих количествах через 41 день. Кроме того, к образцу 2 и контрольному образцу 2 добавляли активатор схватывания цемента, CaCl2. Количество активатора схватывания цемента, добавленного к каждому образцу, было достаточным для доставки в цементную композицию замедленного схватывания активатора в количестве 5% относительно массы пемзы. Были измерены плотности базовой и вспененной композиций. Кроме того, был измерен предел прочности при разрушающем сжатии с применением механического пресса согласно API RP Practice 10B-2, Recommended Practice for Testing Well Cements. Кроме того, был измерен предел прочности при разрушающем сжатии путем отверждения образцов в пластмассовом цилиндре размером 2”×4” (5,08 см ×10,16 см), помещенном в водяную баню при 190 °F (примерно 88 °С), с формированием отвержденных цилиндров. Сразу же после удаления из водяной бани были определены величины предела прочности при разрушающем сжатии с применением механического пресса согласно API RP 10B-2, Recommended Practice for Testing Well Cements. Результаты указанного испытания приведены ниже. Приведенные пределы прочности при сжатии представляют собой среднее значение для двух цилиндров каждого образца. Образцы и контрольные образцы отверждались при давлении в 1 атмосферу, 190 °F (примерно 88 °С); измерения предела прочности при сжатии были проведены через 72 часа.
Таблица 3
Состав и характеристики композиции
| Образец 1 | Образец 2 | Образец 3 | Контрольный образец 1 | Контрольный образец 2 | |
| Масса образца (г) | 1363,2 | 1363,2 | 1363,2 | 817,5 | 817,5 |
| Пенообразующая добавка (г) | 8,14 | 12,21 | 14 | - | - |
| Активатор (г) | - | 37,87 | - | - | 25,8 |
| Плотность базовой композиции (фунт/гал) | 13,5 (примерно 1,6 кг/л) |
13,5 (примерно 1,6 кг/л) |
13,5 (примерно 1,6 кг/л) |
13,5 (примерно 1,6 кг/л) |
13,3* (примерно 1,59 кг/л) |
| Плотность вспененной композиции (фунт/гал) | 11 (примерно 1,3 кг/л) |
9,1 (примерно 1,1 кг/л) |
9,2 (примерно 1,1 кг/л) |
- | - |
| Качество пены | 19% | 33% | 32% | - | - |
| Предел прочности при сжатии (psi) | 639,37 (примерно 4408 кПа) |
534,45 (примерно 3684 кПа) |
135,18 (примерно 932 кПа) |
1222,46 (примерно 8428 кПа) |
1360,14 (примерно 9377 кПа) |
*Плотность контрольного образца 2 с активатором.
Наряду с характеристиками, приведенными в таблице 3, была измерена стабильность пены в образцах 1-3, как в состоянии суспензии, так и схваченном состоянии. Полученные данные приведены ниже в таблице 4.
Таблица 4
Результаты измерений стабильности пены
| Стабильность пены | Образец 1 | Образец 2 | Образец 3 | |||
| Суспензия | Схваченное состояние | Суспензия | Схваченное состояние | Суспензия | Схваченное состояние | |
| Больше, чем следовое количество свободной жидкости? | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет |
| Пузырьки на поверхности слипания пузырьков (разрыв, расширение, слияние)? | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет |
| Чрезмерное снижение высоты колонны? | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет |
| Признаки расслоения плотности (образование полос или темное окрашивание сверху донизу)? | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет |
Для измерения плотности суспензии образцов 1-3 в верхней, средней и нижней частях использовали метод Архимеда. Плотности, которые были близки по весу сверху донизу, указывают на стабильную пену, тогда как значительное изменение плотностей указывает на нестабильность пены. Все единицы даны в фунтах на галлон. Полученные данные приведены ниже в таблице 5.
Таблица 5
Однородность плотности
| Метод Архимеда | Пример 1 | Пример 2 | Пример 3 |
| Верхняя часть (фунт/гал) | 10,50 (примерно 1,26 кг/л) |
8,95 (примерно 1,07 кг/л) | 9,26 (примерно 1,11 кг/л) |
| Средняя часть (фунт/гал) | 10,52 (примерно 1,26 кг/л) |
8,99 (примерно 1,08 кг/л) | 9,30 (примерно 1,11 кг/л) |
| Нижняя часть (фунт/гал) | 10,46 (примерно 1,25 кг/л) |
8,83 (примерно 1,06 кг/л) | 9,25 (примерно 1,11 кг/л) |
В заключении были измерены реологические свойства вспененных образцов 1-3 с применением того же способа, который использовали в примере 2 для измерения реологических свойств базовой суспензии. Ниже в таблице 6 базовая суспензия обозначена как контрольный образец 1. Реологические данные приведены ниже в таблице 6.
Таблица 6
Испытания на вязкость
| Показания FYSA (Fann Yield Stress Adapter) | |||||||||
| Плотность (фунт/гал) | Об/мин | 3 | 6 | 100 | 200 | 300 | 3D | 6D | |
| Контрольный образец 1 | 13,5 (примерно 1,6 кг/л) |
Среднее | 13 | 13 | 35 | 56 | 75,5 | 5 | 4 |
| Образец 1 | 11 (примерно 1,3 кг/л) |
Среднее | 10 | 10,5 | 33,5 | 50,25 | 65,5 | 3,5 | 2,5 |
| Образец 2 | 9,1 (примерно 1,1 кг/л) |
Среднее | 2,25 | 3 | 17,5 | 29,5 | 40 | 1,5 | 1 |
| Образец 3 | 9,2 (примерно 1,1 кг/л) |
Среднее | 17 | 17,5 | 40,5 | 56,5 | 70,5 | 12 | 9 |
Таким образом, пример 3 указывает, что вспененные суспензии проявляют хороший предел прочности при сжатии при одновременном поддержании подходящих реологических свойств и равномерной плотности.
Пример 4
Из базовой суспензии, описанной в примере 1, были приготовлены два образца цементных композиций замедленного схватывания, образцы 4 и 5. Активатор схватывания цемента, CaCl2, добавляли к образцам в количестве, достаточном для доставки в цементную композицию замедленного схватывания активатора в количестве 5% относительно массы пемзы. Образец 5 дополнительно включал волокна из графитового углерода в количестве примерно 0,18% относительно массы пемзы. Волокна из графитового углерода представляли собой углеродные ПАН-волокна, полученные из полиакрилонитрила. К каждому из образцов добавляли пенообразователь 1026™, пенообразующую добавку, в количестве 0,18% относительно массы пемзы. Кроме того, был измерен предел прочности при разрушающем сжатии путем отверждения образцов в пластмассовом цилиндре размером 2”×4” (5,08 см ×10,16 см), помещенном в водяную баню при 190 °F (примерно 88 °С), с формированием отвержденных цилиндров. Сразу же после удаления из водяной бани были определены величины предела прочности при разрушающем сжатии с применением механического пресса согласно API RP 10B-2, Recommended Practice for Testing Well Cements. Результаты указанного испытания приведены ниже. Приведенные пределы прочности при сжатии представляют собой среднее значение для трех цилиндров каждого образца. Образцы и контрольные образцы отверждались при давлении в 1 атмосферу, 190 °F (примерно 88 °С); измерения предела прочности при сжатии были проведены через 72 часа.
Таблица 7
Состав и характеристики композиции
| Образец 4 | Образец 5 | |
| Базовая суспензия (г) | 1000 | 1000 |
| Углеродное волокно (г) | -- | 10 |
| Активатор (г) | 27,8 | 27,8 |
| Пенообразующая добавка (г) | 10 | 10 |
| Плотность базовой композиции (фунт/гал) | 13,5 (примерно 1,6 кг/л) |
13,5 (примерно 1,6 кг/л) |
| Плотность вспененной композиции (фунт/гал) | 8,33 (примерно 0,99 кг/л) |
8,33 (примерно 0,99 кг/л) |
| Предел прочности при сжатии (psi) | 62 (примерно 427 кПа) |
143 (примерно 986 кПа) |
Следует понимать, что предложенные композиции и способы описаны как «включающие» или «содержащие» различные компоненты или стадии, при этом такие композиции и способы также могут «состоять по существу из» или «состоять из» различных компонентов и стадий. Более того, подразумевают, что существительные в единственном числе, используемые в формуле изобретения, обозначают в настоящем документе один или более одного элемента.
Для краткости в настоящем документе в явном виде приведены только некоторые диапазоны. Однако диапазоны от любого нижнего предела можно объединить с любым верхним пределом с обеспечением диапазона, не приведенного в явном виде, а также, диапазоны от любого нижнего предела можно объединить с любым другим нижним пределом с обеспечением диапазона, не приведенного в явном виде, таким же образом, диапазоны от любого верхнего предела можно объединить с любым другим верхним пределом с обеспечением диапазона, не приведенного в явном виде. Кроме того, всегда, когда приводят численный диапазон с нижним пределом и верхним пределом, любое число и любой включенный диапазон, попадающие в рамки указанного диапазона, являются специально описанными. В частности, подразумевают, что каждый диапазон значений (в форме «от примерно a до примерно b» или эквивалентно «от приблизительно a до b» или эквивалентно «от приблизительно a-b»), описанный в настоящем документе, устанавливает каждое число и диапазон, включенные в более широкий диапазон значений, даже если это не описано в явном виде. Таким образом, каждая точка или отдельное значение может служить в качестве своего собственного нижнего или верхнего предела, объединенного с любой другой точкой или отдельным значением или любым другим нижним или верхним пределом, с получением диапазона, не приведенного в явном виде.
Таким образом, настоящие варианты реализации изобретения хорошо адаптированы для достижения упомянутых целей и преимуществ, а также целей и преимуществ, которые присущи данному изобретению. Конкретные варианты реализации изобретения, описанные выше, являются только иллюстративными и могут быть модифицированы и реализованы на практике различными, но эквивалентными способами, очевидными специалистам в данной области техники, извлекающим пользу из идей, описанных в настоящем документе. Хотя рассмотрены отдельные варианты реализации, настоящее изобретение охватывает все комбинации всех указанных вариантов реализации изобретения. Кроме того, не подразумевают никаких ограничений в отношении деталей конструкции или устройства, предложенного в настоящем документе, кроме тех, которые описаны в приведенной ниже формуле изобретения. Кроме того, термины в формуле изобретения имеют свой простой обычный смысл, если иное явно и четко не определено патентообладателем. Поэтому очевидно, что конкретные иллюстративные варианты реализации изобретения, описанные выше, можно изменить или модифицировать, и считается, что все такие варианты находятся в пределах объема и сущности настоящего изобретения. Если имеется какое-нибудь противоречие при применении какого-либо слова или термина в настоящем описании изобретения и в одном или более патенте(ах) или других документах, которые могут быть включены в настоящий документ посредством ссылки, должны быть приняты определения, которые соответствуют данному описанию.
1. Способ цементирования в подземном пласте, включающий:
обеспечение цементной композиции замедленного схватывания, содержащей воду, пемзу, гашеную известь, диспергирующий агент и замедлитель схватывания, причем замедлитель схватывания содержит производную фосфоновой кислоты, а диспергирующий агент представляет собой эфир поликарбоновой кислоты;
вспенивание цементной композиции замедленного схватывания;
активирование цементной композиции замедленного схватывания;
введение цементной композиции замедленного схватывания в подземный пласт; и
обеспечение схватывания цементной композиции замедленного схватывания в подземном пласте.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вспенивание цементной композиции замедленного схватывания включает добавление к цементной композиции замедленного схватывания пенообразующей добавки и обеспечение захвата газа в цементную композицию замедленного схватывания.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что пенообразующая добавка выбрана из группы, состоящей из: бетаина; гидролизованного кератина; аминоксидов; алкил- или алкен- диметиламиноксида; кокоамидопропилдиметиламиноксида; сульфоната сложного метилового эфира; алкил- или алкен- диметиламидобетаина; кокоамидопропилбетаина; альфа-олефинсульфоната; четвертичного поверхностно-активного вещества; таллового триметиламмоний хлорида; триметилкокоаммоний хлорида; C8 - C22 алкилэтоксилатсульфата; и любой их комбинации.
4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что вспенивание цементной композиции замедленного схватывания обеспечивает получение вспененной цементной композиции замедленного схватывания, качество пены которой составляет от примерно 5% до примерно 80%.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вспенивание цементной композиции замедленного схватывания обеспечивает получение вспененной цементной композиции замедленного схватывания с плотностью от примерно 9 фунтов на галлон (примерно 1,1 кг/л) до примерно 11 фунтов на галлон (примерно 1,3 кг/л).
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что активирование вспененной цементной композиции замедленного схватывания включает добавление к цементной композиции замедленного схватывания активатора схватывания цемента, при этом указанный активатор схватывания цемента содержит по меньшей мере один активатор, выбранный из группы, состоящей из амина, силиката, формиата цинка, ацетата кальция, соли одновалентного катиона, соли двухвалентного катиона, нанокремнезема, полифосфата и любой их комбинации.
7. Способ по п. 1, в котором цементную композицию замедленного схватывания вводят в подземный пласт с применением способа, включающего закачивание цементной композиции замедленного схватывания через трубопровод, через башмак обсадной колонны и в межтрубное пространство ствола скважины.
8. Способ по п. 1, в котором отношение гашеной извести к пемзе составляет от примерно 3:1 к примерно 5:1.
9. Способ по п. 1, в котором отношение гашеной извести к пемзе составляет от примерно 10:1 к примерно 1:1.
10. Способ по п. 1, в котором вода присутствует в цементной композиции замедленного схватывания в количестве, составляющем от примерно 33% до примерно 200% относительно массы пемзы.
11. Способ по п. 1, в котором диспергирующий агент присутствует в количестве, составляющем от примерно 0,01% до примерно 5% относительно массы пемзы.
12. Способ по п. 1, в котором активирование цементной композиции замедленного схватывания содержит добавление к цементной композиции замедленного схватывания активатора схватывания цемента в количестве от около 1% до около 20% относительно массы пемзы.
13. Способ по п. 1, в котором дополнительно сохраняют цементную композицию замедленного схватывания в течение периода около 1 дня или на более длительный период до этапа активирования цементной композиции замедленного схватывания.
14. Способ по п. 1, в котором дополнительно сохраняют цементную композицию замедленного схватывания в течение периода около 7 дней или на более длительный период до этапа активирования цементной композиции замедленного схватывания.
15. Вспененная цементная композиция замедленного схватывания, содержащая:
воду,
пемзу,
гашеную известь,
диспергирующий агент и замедлитель схватывания, причем замедлитель схватывания содержит производную фосфоновой кислоты, а диспергирующий агент представляет собой эфир поликарбоновой кислоты;
пенообразующую добавку,
захваченный газ.
16. Вспененная цементная композиция замедленного схватывания по п. 15, содержащая один или более компонентов, определенных в п. 3.
17. Система для цементирования, содержащая:
цементную композицию замедленного схватывания, содержащую:
воду,
пемзу,
гашеную известь, и
диспергирующий агент и замедлитель схватывания, причем замедлитель схватывания содержит производную фосфоновой кислоты, а диспергирующий агент представляет собой эфир поликарбоновой кислоты;
пенообразующую добавку для вспенивания цементной композиции замедленного схватывания;
газ для вспенивания цементной композиции замедленного схватывания; и
активатор схватывания цемента для активации цементной композиции замедленного схватывания.
18. Система по п. 17, дополнительно содержащая смесительное оборудование для смешивания пенообразующей добавки, газа и активатора схватывания цемента с цементной композицией замедленного схватывания и насосное оборудование для доставки цементной композиции в ствол скважины.
19. Система по п. 17 или 18, отличающаяся тем, что пенообразующая добавка выбрана из группы, состоящей из: бетаина; гидролизованного кератина; аминоксидов; алкил- или алкен- диметиламиноксида; кокоамидопропилдиметиламиноксида; сульфоната сложного метилового эфира; алкил- или алкендиметиламидобетаина; кокоамидопропилбетаина; альфа-олефинсульфоната; четвертичного поверхностно-активного вещества; таллового триметиламмоний хлорида; триметилкокоаммоний хлорида; C8 - C22 алкилэтоксилатсульфата; и любой их комбинации.
20. Система по п. 17, отличающаяся тем, что активатор схватывания цемента содержит по меньшей мере один активатор, выбранный из группы, состоящей из амина, силиката, формиата цинка, ацетата кальция, соли одновалентного катиона, соли двухвалентного катиона, нанокремнезема, полифосфата и любой их комбинации.
21. Система по п. 17, в которой цементная композиции замедленного схватывания характеризуются тем, что она остается в пригодном для перекачивания текучем состоянии в течение по меньшей мере примерно 7 дней.
22. Система по п. 17, в которой отношение гашеной извести к пемзе составляет от примерно 3:1 к примерно 5:1.
23. Система по п. 17, в которой вода присутствует в цементной композиции замедленного схватывания в количестве, составляющем от примерно 33% до примерно 200% относительно массы пемзы.
24. Система по п. 17, отличающаяся тем, что она содержит смесь производного фосфоновой кислоты с, по меньшей мере, одним замедлителем схватывания, выбранным из группы, состоящей из фосфоновой кислоты, лигносульфоната, соли органической кислоты, производного целлюлозы, синтетического полимера или тройного полимера, содержащего сульфонатные группы и группы карбоновой кислоты, боратного соединения и их комбинации.
25. Система по п. 17, дополнительно содержащая по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы, состоящей из сульфированного диспергирующего агента на основе формальдегида, диспергирующего агента, представляющего собой эфир поликарбоновой кислоты и их комбинации.
26. Система по п. 17, отличающаяся тем, что замедлитель схватывания содержит производное фосфоновой кислоты, при этом цементная композиция замедленного схватывания дополнительно содержит диспергирующий агент, представляющий собой эфир поликарбоновой кислоты.
27. Система по п. 17, отличающаяся тем, что активатор схватывания цемента содержит по меньшей мере один активатор, выбранный из группы, состоящей из амина, силиката, формиата цинка, ацетата кальция, гидроксида элемента IA группы; гидроксида элемента IIA группы, соли одновалентного катиона, соли двухвалентного катиона, нанокремнезема, полифосфата и любой их комбинации.
