Управление теплотой гидратиции путем определения характеристик вяжущих компонентов
Настоящее изобретение относится к цементным композициям, используемым в подземных применениях, таких как ремонт и строительство скважин, герметизация высокопроницаемых зон формации или трещин для установки цементной пробки. Способ разработки цементной композиции, предназначенной для использования в подземных применениях, включает: выбор целевой теплоты гидратации для целевого времени и температуры; выбор одного или большего количества вяжущих компонентов и массового процента для каждого из одного или большего количества вяжущих компонентов таким образом, чтобы сумма теплоты гидратации одного или большего количества вяжущих компонентов была меньше или равна целевой теплоте гидратации; приготовление цементной композиции и предоставление возможности цементной композиции схватиться. Система создания указанной выше цементной композиции, содержащая множество вяжущих компонентов и компьютерную систему, выполненную с возможностью приема данных от пользователя, определяющих технические требования к создаваемой цементной композиции, и создания концентраций вяжущих компонентов для цементной композиции, причем компьютерная система выполнена с возможностью создавать концентрации вяжущих компонентов на основе целевой теплоты гидратации, целевого времени достижения теплоты гидратации или обоих. Технический результат – обеспечение выработки удовлетворительных механических свойств в цементной композиции при контроле тепла, выделяемого при схватывании цемента. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] В процессе цементирования скважин, например при строительстве или ремонте скважин, обычно применяются цементные композиции. Эти композиции могут быть использованы в различных подземных применениях. Например, при строительстве подземной скважины колонна труб (например, обсадная колонна, хвостовики, расширяемые трубные элементы и т.д.) могут быть опущены в ствол скважины и зацементированы на месте. Процесс цементирования колонны труб на месте обычно называют «первичным цементированием». В типичном способе первичного цементирования цементная композиция может закачиваться в затрубное пространство между стенками ствола скважины и внешней поверхностью расположенной в стволе колонны труб. Цементная композиция может схватываться в кольцевом зазоре, образуя кольцевую оболочку из затвердевшего, по существу непроницаемого цемента (т.е. цементную оболочку), которая может поддерживать и удерживать на месте колонну труб в стволе скважины, и может связывать внешнюю поверхность колонны труб с подземным пластом. Помимо прочего, цементная оболочка, окружающая колонну труб, предотвращает миграцию флюидов в затрубном пространстве и защищает колонну труб от коррозии. Цементные композиции могут также использоваться в способах ремонтно-изоляционного цементирования, например, для герметизации трещин или отверстий в колоннах труб или цементных оболочках, для герметизации высокопроницаемых зон формации или трещин, для установки цементной пробки и тому подобных работ.
[0002] Особой проблемой при цементировании скважин является выработка удовлетворительных механических свойств в цементной композиции при контроле тепла, выделяемого при схватывании цемента. Избыточное выделение тепла может привести к ослаблению схватывания цемента из-за образования трещин и дефектов в цементе. Важность генерируемого тепла может быть особенно важной в применениях с высокой жесткостью режима работы, таких как в районах вечной мерзлоты и в применениях с гидратами газа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0003] Приведенные графические материалы иллюстрируют некоторые аспекты некоторых вариантов реализации согласно настоящему изобретению, и их не следует использовать для ограничения или определения границ объема данного изобретения.
[0004] На фиг. 1 приведена схематическая иллюстрация приведенной в качестве примера системы для анализа вяжущих компонентов.
[0005] На фиг. 2 приведена схематическая иллюстрация представленной в качестве примера системы для получения цементных композиций.
[0006] На фиг. 3 представлена схематическая иллюстрация, демонстрирующая введение цементной композиции в ствол скважины.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] Настоящее раскрытие в целом может относиться к способам и системам цементирования. Без ограничения в данном документе предоставлены способы идентификации и классификации источников кремнезема, цементов и других вяжущих материалов на основе физико-химических свойств. Физико-химические свойства каждого вяжущего компонента цементной композиции могут влиять на конечные механические свойства суспензии, а также на динамические или временные свойства, такие как смешиваемость, реология, вязкость и другие. В контексте данного документа вяжущий компонент означает любой минерал или химикат, который может участвовать в одной или большем количестве вяжущих реакций. Одним из физико-химических свойств, представляющих особый интерес, может быть теплота гидратации и влияние каждого вяжущего компонента на теплоту гидратации. Используя методы, описанные в данном документе, может быть получена цементная композиция с заданной теплотой гидратации, которая подходит для конкретного применения.
[0008] Когда цементная композиция смешивается с водой, тепло выделяется от гидратации вяжущих материалов и происходящих вяжущих реакций. Например, экзотермическая реакция между портландцементом и водой может значительно повысить температуру схватывающегося цементного состава. Повышенная температура может иметь множество эффектов, таких как увеличение скорости схватывания и объемного расширения, среди прочего. В некоторых случаях применения цемента, например, в скважинах, выделяемое тепло может рассеиваться в обсадной колонне и пласте. В применениях, когда требуется относительно больший диаметр цемента, тепло может рассеиваться недостаточно быстро, и внутренняя температура цементного состава может резко возрасти. Если повышение температуры значительно выше и цементная композиция подвергается неравномерному или быстрому охлаждению во время схватывания, в цементной композиции может произойти термическое растрескивание. Потенциал для термического растрескивания может зависеть, среди прочего, от таких факторов, как прочность на разрыв цементного состава и коэффициент теплового расширения. В условиях экстремальных температур, таких как вечная мерзлота, цементная композиция может терять тепло в окружающую среду до полного схватывания. Потеря тепла может привести к медленному схватыванию цемента или к тому, что он не полностью схватится. Приспособление теплоты гидратации может позволить выделению тепла быть достаточным для преодоления потерь тепла в окружающую среду, чтобы обеспечить более благоприятную температуру отверждения.
[0009] Подходящие цементные композиции обычно могут содержать воду и вяжущий компонент, такой как портландцемент. В некоторых примерах цементная композиция может дополнительно содержать по меньшей мере один другой вяжущий компонент. Цементные композиции могут иметь плотность подходящую для конкретного применения, включая, но не ограничиваясь этим, плотность от около 8 фунтов на галлон («pounds per gallon - ppg») до около 16 ppg (от 1 г/см3 до 1,9 г/см3). В указанных примерах вспененные цементные композиции согласно данному изобретению могут иметь плотность в диапазоне от около 8 ppg до около 13 ppg (от 1 г/см3 до 1,6 г/см3) (или даже ниже). По желанию цементные композиции могут быть вспененными или невспененными, или могут содержать другие средства для снижения плотности, такие как полые микросферы, эластичные гранулы низкой плотности или другие добавки для снижения плотности, известные в данной области техники. При помощи данного описания специалисты в данной области техники должны определять подходящую плотность для конкретного применения.
[0010] Вода, используемая в цементных композициях, может представлять собой, например, пресную воду, соленую воду (например, воду, содержащую растворенную в ней одну или большее количество солей), рассол (например, насыщенную соленую воду, добываемую из подземных пластов), морскую воду или их комбинации. Обычно вода может быть из любого источника при условии, что она не содержит избытка соединений, которые могут нежелательно влиять на другие компоненты в цементной композиции. Вода может быть включена в количестве достаточном для образования способной к перекачиванию суспензии, включая, но не ограничиваясь этим, диапазон от около 40% по массе до около 200% по массе вяжущих компонентов («by weight of cementitious components - bwoc»), присутствующих в цементной композиции. Используемый в данном документе термин «вяжущий компонент» относится к материалам, которые обладают вяжущими свойствами, таким как, среди прочего, материалы с гидравлической или пуццолановой активностью, включая портландцемент и источник кремнезема. Для целей этого раскрытия известь также считается вяжущим компонентом, поскольку она реагирует с источником кремнезема в пуццолановой реакции. В некоторых примерах вода может быть включена в количестве в диапазоне от около 40% bwoc до около 150% bwoc. Специалисты в данной области техники с помощью этого раскрытия должны иметь возможность выбрать подходящее количество и тип воды для конкретного применения.
[0011] Любой из множества портландцементов может быть подходящим для использования в настоящем раскрытии, включая те, которые классифицированы как цементы классов А, С, G и H согласно Американскому нефтяному институту (American Petroleum Institute - API), Спецификация API для материалов и испытаний для скважинных цементов, Спецификация API 10, Пятое издание, Июль, 1, 1990. Кроме того, в некоторых примерах цементы, подходящие для использования в настоящем изобретении, могут быть классифицированы как ASTM типа I, II или III. Цементные композиции, которые могут считаться «низко портландцементными», могут быть разработаны с помощью применения методик, раскрытых в данном документе, в которых цементные композиции могут содержать портландцемент в количестве около 50% или менее по массе вяжущих компонентов («bwoc»), присутствующих в композитной цементной композиции. Портландцемент может присутствовать в цементных композициях в любом подходящем количестве, включая диапазон от около 0% bwoc до около 100% bwoc. В некоторых примерах портландцемент может присутствовать в количестве, варьирующемся между любым из и/или включая любое из около 1% bwoc, около 5% bwoc, около 10% bwoc, около 20% bwoc, около 40% bwoc, около 50% bwoc, около 60% bwoc, около 70% bwoc, около 80% bwoc, около 90% bwoc или около 100% bwoc. Могут быть разработаны цементные композиции, которые не содержат (или практически не содержат) портландцемент. Специалисты в данной области техники с помощью этого раскрытия должны иметь возможность выбрать подходящее количество портландцемента для конкретного применения.
[0012] Указанные цементные композиции могут дополнительно содержать источник кремнезема. Используемый в данном документе термин «источник кремнезема» относится к материалу, который растворяется или иным образом диссоциирует с образованием кремниевой кислоты, которая может реагировать с образованием цементного продукта. При включении источника кремнезема может быть использован другой путь для получения продукта, подобного портландцементу. Без ограничения может быть вызвана пуццолановая реакция, в которой кремниевая кислота (H4SiO4) и портландит (Са(ОН)2) реагируют с образованием цементного продукта (гидрат силиката кальция). Если в источнике кремнезема присутствуют другие соединения, такие как алюминат, могут происходить дополнительные реакции с образованием дополнительных продуктов цемента, таких как гидраты алюмината кальция. Гидроксид кальция, необходимый для реакции, может быть получен из других вяжущих компонентов, таких как портландцемент, или могут быть отдельно добавлены к цементной композиции. Примеры подходящих источников кремнезема могут включать, но не ограничиваются ими, зольную пыль, шлак, пыль кремнезема, кристаллический кремнезем, муку из кремнезема, пыль цементной печи («cement kiln dust - CKD»), цеолит, золу сельскохозяйственных отходов и природные пуццоланы, среди других. Некоторые из этих источников кремнезема будут рассматриваться более подробно ниже. Подходящие источники кремнезема обычно можно разделить на три основные категории, включая добываемые материалы, отходные материалы и биологический пепел. Добываемые материалы представляют собой природные источники кремнезема, обычно присутствующие на поверхности Земли. Отходные материалы могут обычно представлять собой отходы промышленных источников. Биологический пепел, как правило, может быть продуктом преднамеренного сжигания сельскохозяйственных, коммунальных и промышленных органических отходов. Биологический пепел может включать, но не ограничиваясь этим, золу сельскохозяйственных отходов, такую как зола рисовой шелухи, зола сахарного тростника и зола багассы. Кроме того, в определенных примерах цементных композиций, раскрытых в данном документе, пуццолан может содержать смесь одного или большего количества пуццоланов.
[0013] Пример подходящего источника кремнезема может содержать летучую золу. Может быть подходящим множество летучей золы, включая летучую золу, классифицированную как летучая зола класса С и класса F в соответствии с Американским институтом нефти, Спецификация API для материалов и испытаний для скважинных цементов, Спецификация API 10, Пятое издание, 1 июля, 1990. Летучая зола класса С содержит как кремнезем, так и известь, поэтому она может образовывать затвердевшую массу при смешивании с водой. Летучая зола класса F, как правило, не содержит достаточного количества извести, чтобы вызвать цементирующую реакцию, поэтому для композиционной цементной композиции, содержащей летучую золу класса F, может потребоваться дополнительный источник ионов кальция. При применении, известь может быть смешана с летучей золой класса F в количестве от около 0,1% до около 100% по массе летучей золы. В некоторых случаях известь может представлять собой гашеную известь. Подходящие примеры летучей золы содержат, но не ограничиваются ими, цементную добавку POZMIX® А, коммерчески доступную от Halliburton Energy Services, Inc., Хьюстон, Техас.
[0014] Другой пример подходящего источника кремнезема может содержать шлак. Шлак, как правило, является побочным продуктом при производстве различных металлов из соответствующих руд. Например, при производстве чугуна можно получить шлак в виде гранулированного побочного продукта доменной печи, причем шлак обычно содержит окисленные примеси, присутствующие в железной руде. Шлак, как правило, не содержит достаточного количества основного материала, поэтому шлак можно использовать вместе с основой для получения схватывающейся композиции, которая может реагировать с водой для схватывания с образованием затвердевшей массы. Примеры подходящих источников основ включают, но не ограничиваются ими, гидроксид натрия, бикарбонат натрия, карбонат натрия, известь и их комбинации.
[0015] Другой пример подходящего источника кремнезема может содержать пыль кремнезема. В качестве альтернативы пыль кремнезема может быть обозначена как «микрокремнезем» или «осажденная пыль кремнезема». Как правило, пыль кремнезема является побочным продуктом, который может быть получен, например, путем восстановления кварца углем в процессе производства определенных сплавов. Пыль кремнезема может быть переработана после восстановления, например, для контроля размера частиц. Пыль кремнезема может быть очень мелкой, например, со средним размером частиц менее 1 микрона и, альтернативно, менее 0,2 микрона. Средний размер частиц соответствует значениям d50, измеренным анализаторами размера частиц, такими как произведенные компанией Malvern Instruments, Вустершир, Великобритания. Пыль кремнезема может иметь большую площадь поверхности и обычно доступна в виде порошка или жидкости.
[0016] Другой пример подходящего источника кремнезема может содержать CKD. В данном документе пыль цементной печи или «CKD» относится к частично кальцинированному материалу, загружаемому в печь, который обычно удаляют из газового потока и собирают в пылеулавливатель в процессе производства цемента. Как правило, при производстве цемента собирают большие количества CKD, которые обычно утилизируют как отходы. Утилизация CKD в виде отходов может обусловливать нежелательное удорожание производства цемента, а также экологические проблемы, связанные с ее захоронением.
[0017] Другой пример подходящего источника кремнезема может содержать цеолит. Цеолиты обычно представляют собой пористые алюмосиликатные минералы, которые могут быть природным или синтетическим материалом. Природные цеолиты могут быть добыты с поверхности Земли. Также могут быть использованы синтетические цеолиты, которые созданы в лаборатории. Синтетические цеолиты основаны на структурном элементе того же типа, что и природные цеолиты, и могут содержать алюмосиликатные гидраты. Используемый в данном документе термин «цеолит» относится ко всем природным и синтетическим формам цеолита. Примеры цеолитов могут включать, но не ограничиваться им, морденит, zsm-5, цеолит х, цеолит у, цеолит а и т.д. Кроме того, примеры, содержащие цеолит, могут включать цеолит в комбинации с катионом, таким как Na+, K+, Са2+, Mg2+ и т.д. Цеолиты, содержащие катионы, такие как натрий, могут также обеспечивать дополнительные источники катионов для цементной композиции по мере растворения цеолитов.
[0018] Другой пример источника кремнезема может содержать золу сельскохозяйственных отходов. Примеры золы сельскохозяйственных отходов, которые могут быть использованы в композиционной цементной композиции, включают, например, древесную (например, опилки, кору, ветки, ветви, другие древесные отходы) золу, золу листьев деревьев, золу кукурузного початка, золу рисовой шелухи, тростниковую (например, сахарный тростник) золу, золу багассы, золу зерна (например, амарант, ячмень, кукурузное льняное семя, просо, овес, лебеда, рожь, рис, пшеница и т.д.) и связанного с ним побочных продуктов (например, шелуха, шелуха и т.д.), садовую золу, золу обрези винограда, золу трав (например, Корай, Тифтон, нативная сиба и т.д.), золу солома, золу молотой скорлупы ореха, золу бобовых (например, соя) и их комбинации.
[0019] Другой пример подходящего пуццолана может содержать природные пуццоланы. Природные пуццоланы обычно присутствуют на поверхности Земли и могут проявлять пуццолановую активность. Подходящие природные пуццоланы могут содержать вулканическую породу, диатомовую землю, туф, метакаолин, кальцинированные глины, сланцы (например, кальцинированные сланцы, опаловые сланцы и т.д.) и их комбинации. Природные пуццоланы могут быть молотыми или не измельченными. Природные пуццоланы могут содержать материалы, такие как прокаленные глины, метакаолин и прокаленный сланец, которые были подвергнуты термообработке, например, в печи для усиления их пуццолановой активности. В общем, природные пуццоланы могут иметь любое распределение частиц по размерам для конкретного применения, включая, но не ограничиваясь этим, средний размер частиц в диапазоне от около 0,1 микрона до около 200 микрон или даже меньше. В конкретных примерах природные пуццоланы могут иметь средний размер частиц в диапазоне от около 1 микрометра до около 200 микрометров, от около 5 микрометров до около 100 микрометров или от около 10 микрометров до около 50 микрометров. При помощи данного описания, рядовые специалисты будут способны выбрать природные пуццоланы и размер частиц, пригодный для использования в выбранном применении.
[0020] Любой из ранее упомянутых источников кремнезема может присутствовать в цементных композициях в любом подходящем количестве, включая, но не ограничиваясь этим, количество в диапазоне от около 10% bwoc до около 100% bwoc, от около 50% bwoc до около 100% bwoc, от около 50% bwoc до около 80% bwoc или от 80% bwoc до 100% bwoc. В некоторых примерах указанный источник кремнезема может присутствовать в количестве, варьирующемся от любого и/или включая любое из около 1% bwoc, около 5% bwoc, около 10% bwoc, около 20% bwoc, около 40% bwoc, около 60% bwoc, около 80% bwoc или около 90% bwoc. Специалисты в данной области техники с помощью этого раскрытия должны иметь возможность выбрать подходящие тип и количество источника кремнезема для конкретного применения.
[0021] Цементные композиции могут дополнительно содержать известь. Известь может присутствовать в цементной композиции в различных формах, в том числе в виде оксида кальция и/или гидроксида кальция. Используемый в данном документе термин «известь» включает как оксид кальция, так и гидроксид кальция. Гидроксид кальция также обычно называют гидратной известью или гашеной известью. В некоторых примерах гашеная известь может поставляться как негашеная известь (оксид кальция), которая гидратируется при смешивании с водой, образуя гашеную известь. В дополнение указанная дополнительная известь в качестве отдельного компонента, по меньшей мере часть извести в цементной композиции также может быть получена из других вяжущих компонентов. Например, гидравлическая реакция портландцемента с водой может привести к выделению гидратированной извести в цементную композицию. Кроме того, источники кремнезема также могут содержать известь или выделять известь в цементную композицию. Известь, присутствующая в источнике кремнезема в виде СаО, может называться свободной известью, если она не связана с другими минералами. Гидратированная известь может быть включена в примеры цементных композиций, например, для взаимодействия с источником кремнезема. Там, где она присутствует, известь может быть включена в цементные композиции в любом подходящем количестве, включая, но не ограничиваясь этим, количество, например, в диапазоне от около 10% bwoc до около 100% bwoc. В некоторых примерах гашеная известь может присутствовать в количестве в диапазоне между любыми и/или включая значения около 10% bwoc, около 20% bwoc, около 40% bwoc, около 60% bwoc, около 80% bwoc или около 100% bwoc. При помощи данного описания специалисты в данной области техники должны определить подходящее количество используемой гашеной извести для выбранного применения.
[0022] Цементная композиция может дополнительно содержать другие добавки, подходящие для использования в операциях цементирования. Примеры таких добавок включают, но не ограничиваются ими: утяжелители, замедлители, ускорители, активаторы, газовые контрольные добавки, легкие добавки, газообразующие добавки, добавки, улучшающие механические свойства, материалы для борьбы с поглощениями, добавки для контроля фильтрации, добавки для контроля потерь жидкости, пеногасители, пенообразователи, модификаторы времени перехода, диспергаторы, тиксотропные добавки, суспендирующие агенты и их комбинации. Специалисты в данной области техники с помощью этого раскрытия должны иметь возможность выбрать подходящую добавку для конкретного применения.
[0023] Цементные композиции могут быть приготовлены с использованием любой подходящей технологии. Вяжущие компоненты, такие как портландцемент, источник кремнезема, добавки для цемента и/или известь, могут быть смешаны в сухом виде перед смешиванием с водой для образования цементной композиции. Эта сухая смесь может быть приготовлена за пределами площадки и затем транспортирована на участок скважины, например, где она может быть разведена водой. Дополнительная сухая цементная добавка также может быть включена в сухую смесь. Другие подходящие технологии могут быть использованы для приготовления цементных композиций, что должно быть понятно специалистам в данной области в соответствии с настоящим раскрытием.
[0024] Картирование реактивности - это процесс использования лабораторных методов для анализа физико-химических свойств вяжущего компонента и создания прогнозных карт и моделей поведения компонента в цементной композиции. Представление реакционной способности может включать несколько этапов. Один этап может включать измерение физических и химических свойств различных материалов с помощью стандартных испытаний. Другой этап может включать классификацию материалов путем анализа собранных данных и прогнозируемого влияния на свойства цементной суспензии. Еще один этап может включать использование данных для оценки реакционной способности материала, оптимизации характеристик цемента, математического прогнозирования механических свойств смеси на основании аналитических результатов и/или прогнозирования зависимости плотности цементной суспензии от прочности на сжатие.
[0025] Измерение физических и химических свойств каждого выбранного вяжущего компонента может включать в себя множество лабораторных методов и процедур, включая, но не ограничиваясь этим, микроскопию, спектроскопию, рентгеновскую дифракцию, рентгеновскую флуоресценцию, анализ размера частиц, анализ потребности в воде, сканирующую электронную микроскопию, энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию, оценку площади поверхности, анализ удельного веса, термогравиметрический анализ, морфологический анализ, инфракрасную спектроскопию, спектроскопию в ультрафиолетовой и видимой области спектра, масс-спектроскопию, вторичную ионную масс-спектрометрию, электронно-энергетическую масс-спектрометрию, дисперсионную рентгеновскую спектроскопию, электронную оже-спектроскопию, анализ индуктивно связанной плазмы, термоионизационную масс-спектроскопию, масс-спектроскопию с тлеющим разрядом, рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, проверку механических свойств, проверку модуля Юнга, реологические свойства, коэффициент Пуассона. Одно или большее количество из предыдущих испытаний могут рассматриваться как испытания API, как указано в рекомендуемой практике API для тестирования скважинных цементов (опубликовано как рекомендуемая практика ANSI/API 10В-2). Дополнительные испытания API, конкретно не перечисленные выше, также могут использоваться для измерений. Могут быть измерены физические и химические свойства для группы вяжущих компонентов. Два или более из измеренных вяжущих компонентов могут быть различными типами вяжущих компонентов (например, вулканическая порода, CKD, летучая зола и т.д.). Два или большее количество вяжущих компонентов могут быть одного типа, но из разных источников (например, вулканическая порода из источника 1, вулканическая порода из источника 2 и т.д.).
[0026] Дифракция рентгеновских лучей на порошке является одним из методов анализа, который может использоваться для измерения физических и химических свойств вяжущих компонентов. Дифракция рентгеновских лучей на порошке представляет собой метод воздействия на образец рентгеновских лучей, нейтронов или электронов и измерения величины межатомной дифракции. Образец действует на дифракционную решетку, создавая различный сигнал под разными углами. Типичными свойствами, которые могут быть измерены, являются идентификация фазы для выполнения определения и характеристики кристаллического твердого вещества. Другими свойствами могут быть кристалличность, параметры решетки, тензоры расширения, объемный модуль и фазовые переходы.
[0027] Рентгеновская флуоресценция - это еще один метод анализа, который можно использовать для измерения физических и химических свойств вяжущих компонентов. Рентгеновская флуоресценция может использовать коротковолновое рентгеновское излучение для ионизации атомов в образце, тем самым вызывая их флуоресценцию при определенных характерных длинах волн. Характерное излучение, испускаемое образцом, может позволить точно идентифицировать атомы компонентов в образце, а также их относительные количества.
[0028] Анализ размера частиц является еще одним методом анализа, который может использоваться для измерения физических и химических свойств вяжущих компонентов. Анализ размера частиц может быть выполнен посредством анализа различными лабораторными методами, включая, но не ограничиваясь этим, лазерную дифракцию, динамическое рассеяние света, статический анализ изображения и динамический анализ изображения. Анализ размера частиц может также предоставить информацию о морфологии конкретного образца. Морфология может включать такие параметры, как сферичность и округлость, а также общую форму частицы, такую как диск, сфероид, лопасть или валик. Зная морфологию и размер частиц, можно оценить среднюю площадь поверхности и объем. Площадь поверхности и объем могут быть важны при определении потребности в воде, а также реакционной способности. В общем, частицы с относительно меньшим размером могут реагировать быстрее, чем частицы с относительно большими размерами. Также относительно меньший размер частиц может приводить к большей потребности в воде для полной гидратации, чем относительно больший размер частиц.
[0029] Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия является еще одним методом анализа, который может использоваться для измерения физических и химических свойств вяжущих компонентов. Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия - это аналитическая методика, используемая для анализа элементов, присутствующих в образце, и определения химической характеристики образца. Другие методы могут включать инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье, спектроскопию в видимой ультрафиолетовой области, масс-спектроскопию, масс-спектрометрию с вторичными ионами, масс-спектрометрию с энергией электронов, дисперсионную рентгеновскую спектроскопию, электронную оже-спектроскопию и рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию. Методы, перечисленные в данном документе, могут идентифицировать химические компоненты образца, например, минеральный состав, а также количества каждого компонента в образце.
[0030] Вяжущие компоненты могут быть проанализированы для определения их удельной площади поверхности. Удельная площадь поверхности обычно относится к общей площади поверхности и может быть представлена как общая площадь поверхности на единицу массы. Значения, полученные для конкретной площади, зависят от метода анализа. Среди всего могут использоваться любые подходящие методы анализа, включая, помимо прочего, методы, основанные на адсорбции, такие как анализ Брунауэра-Эммета-Теллера (Brunauer-Emmett-Teller - BET), окрашивание метиленовым синим, адсорбция моноэтиленового эфира этиленгликоля и способ удержания белка.
[0031] Термогравиметрический анализ является еще одним методом анализа, который может использоваться для измерения физических и химических свойств вяжущих компонентов. Термогравиметрический анализ представляет собой метод термического анализа, в ходе которого могут быть оценены изменения физических и химических свойств образца. В общем случае свойства могут быть измерены как функция повышения температуры, например, с постоянной скоростью нагрева, или как функция времени с постоянной температурой или постоянным изменением массы. Свойства, определенные термогравиметрическим анализом, могут включать фазовые переходы первого порядка и фазовые переходы второго порядка, такие как испарение, сублимация, адсорбция, десорбция, абсорбция, хемосорбция, десольватация, дегидратация, разложение, реакции окисления и восстановления, ферромагнитный переход, сверхпроводящий переход и другие свойства.
[0032] Прочность на сжатие в общем случае представляет собой способность материала или структуры выдерживать силы сдавливания, приложенные в осевом направлении. Прочность на сжатие вяжущего компонента может быть измерена в определенное время после того, как вяжущий компонент смешан с водой, и полученная цементная композиция поддерживается при определенных условиях температуры и давления. Например, прочность на сжатие может быть измерена за время в диапазоне от около 24 часов до около 48 часов (или дольше) после того, как флюид был смешан, и температура флюида поддерживается в диапазоне температур от 100°F (38°С) до около 200°F (93°С) и атмосферном давлении. Прочность на сжатие можно измерить либо разрушающим, либо неразрушающим способом. В разрушающем методе физически испытывают прочность образцов состава для обработки приствольной зоны в различных точках времени, разрушая образцы в машине для испытания на сжатие. Прочность на сжатие рассчитывают по разрушающей нагрузке, деленной на площадь поперечного сечения, выдерживающую указанную нагрузку, и записывают в единицах фунт-силы на квадратный дюйм (pound-force per square inch - psi). Неразрушающие методы обычно могут использовать ультразвуковой цементный анализатор («Ultrasonic Cement Analyzer - UCA»), предлагаемый компанией Fann® Instrument Company, Хьюстон, Техас. Прочность на сжатие может быть определена в соответствии с руководством API RP 10В-2, Recommended Practice for Testing Well Cements, первое издание, июль, 2005.
[0033] Прочность на растяжение обычно представляет собой способность материала противостоять нагрузкам, имеющим тенденцию удлинять материал, в отличие от прочности на сжатие. Прочность на растяжение вяжущего компонента может быть измерена в определенное время после того, как вяжущий компонент смешан с водой, и полученная цементная композиция поддерживается при определенных условиях температуры и давления. Например, прочность на растяжение может быть измерена за время в диапазоне от около 24 часов до около 48 часов (или дольше) после того, как флюид был смешан, и температура флюида поддерживается в диапазоне температур от 100°F (38°С) до около 200°F (93°С) и атмосферном давлении. Прочность на растяжение может быть измерена с использованием любого подходящего метода, включая без ограничения в соответствии с процедурой, описанной в ASTM С307. То есть образцы могут быть приготовлены в брикетных формах, имеющих вид галеты, с площадью поперечного сечения в один квадратный дюйм в середине. Затем можно приложить напряжение к увеличенным концам образцов, пока образцы не разорвутся в центральной области. Растяжение, выраженное в фунтах на квадратный дюйм, при котором разрушается образец, является пределом прочности на разрыв испытуемого материала.
[0034] Модуль Юнга, также называемый модулем упругости, является мерой отношения приложенного напряжения к результирующей деформации. Как правило, сильно деформируемый (пластичный) материал будет демонстрировать более низкий модуль при увеличении ограниченного напряжения. Таким образом, модуль Юнга представляет собой постоянную упругости, которая демонстрирует способность испытуемого материала выдерживать приложенные нагрузки. Ряд различных лабораторных методов может быть использован для измерения модуля Юнга флюида для обработки, содержащего вяжущий компонент, после того, как флюиду для обработки позволили отстояться в течение некоторого периода времени при определенных условиях температуры и давления.
[0035] Калориметрия может быть методом, используемым для анализа цементных композиций и компонентов. Калориметрия относится к науке об измерении теплопередачи в физической или химической реакции. Подходящие калориметры могут включать, помимо прочего, адиабатические калориметры, реакционные калориметры, такие как калориметры с тепловым потоком, калориметры с тепловым балансом, калориметры с компенсацией мощности или калориметры с постоянным магнитным потоком, калориметры с бомбой, калориметры с постоянным давлением и калориметры с дифференциальным сканированием. Образец цемента может быть введен в выбранный калориметр и оставлен для схватывания или гидратации. При этом могут быть собраны данные о выделении тепла в зависимости от времени.
[0036] Методика анализа теплоты гидратации конкретной смеси вяжущих компонентов, например, летучей золы, извести, портландцемента, а также воды, может включать в себя сначала формирование исходного уровня с использованием чистого портландцемента и воды. Суспензия портландцемента и воды может быть испытана в подходящем калориметре для изучения тепла, выделяемого с течением времени. Второй тест может включать замену части портландцемента летучей золой и известью, например, около 10%, и затем проведение другого калориметрического теста. Может быть проведен третий тест, который снова уменьшает количество портландцемента. Указанный процесс замены части портландцемента может выполняться многократно, пока смесь не станет просто известью, летучей золой и водой. Затем способ может быть повторен для другого вяжущего компонента, такого как, например, портландцемент, шлак и известь. Затем можно определить вклад каждого вяжущего компонента в общую теплоту гидратации, например, путем проведения многолинейного регрессионного анализа.
[0037] Данные о каждом вяжущем компоненте могут храниться в базе данных. Данные могут включать общее количество тепла, генерируемого каждым компонентом, скорость выделения тепла и любые другие данные, собранные в ходе калориметрических испытаний. Хотя могут быть упомянуты только некоторые избранные лабораторные методы, следует понимать, что существуют много аналитических методов, которые являются подходящими или не подходящими для определенного образца. Специалист в данной области техники с помощью этого раскрытия должен иметь возможность выбрать подходящую аналитическую методику для определения определенного свойства, представляющего интерес.
[0038] Теплота гидратации цементной композиции может быть аппроксимирована как сумма теплоты гидратации каждого компонента.
.
[0039] Цементная суспензия может быть приспособлена для обеспечения удельной теплоты гидратации, поскольку теплота гидратации отдельных компонентов известна из предыдущих испытаний. В частности, цементная композиция может быть выбрана таким образом, чтобы иметь определенную 24-часовую теплоту гидратации и 48-часовую теплоту гидратации. Зависимая от времени температура цементной композиции также может быть определена из скорости выделения тепла, общей теплоты гидратации и физических свойств, таких как теплоемкость и коэффициенты теплопередачи. Как упоминалось ранее, в некоторых скважинах высокой степени жесткости режима работы, таких как скважины, содержащие гидраты газа и вечную мерзлоту, могут потребоваться специальные цементные композиции. В таких применениях, как газовые гидраты и вечная мерзлота, может потребоваться цементная композиция, содержащая относительно более низкую теплоту гидратации, чтобы снизить или уменьшить влияние гидратации цемента на скважину. Используя методы, раскрытые в данном документе, оператор или инженер по цементу может смешивать цементную композицию с заданной теплотой гидратации для конкретной цели. В некоторых скважинах может быть выгодно иметь высокую теплоту гидратации, поскольку более высокая теплота гидратации может в целом означать более быстрое схватывание цемента. Для цемента, специально разработанного для высокой теплоты гидратации, может потребоваться меньшее количество ускорителя схватывания цемента. В других примерах цемент имеет низкую теплоту гидратации и может схватываться относительно медленнее, тем самым уменьшая количество замедлителя схватывания цемента. Приспособление теплоты гидратации может уменьшить количество используемых добавок и может снизить стоимость цемента.
[0040] Способ использования теплоты гидратации для разработки цементной композиции может включать выбор целевой теплоты гидратации. Вклад теплоты гидратации каждого из компонентов цементной композиции может в сумме составлять меньше, чем целевая теплота гидратации. В более чувствительных операциях, таких как в примере газовых гидратов, теплота гидратации цементной композиции может быть ниже, чем целевая максимально допустимая теплота гидратации. Теплота гидратации, которая ниже максимальной целевой теплоты гидратации, может быть достигнута путем выбора массового процента для каждого из вяжущих компонентов таким образом, чтобы суммарный вклад каждого вяжущего компонента был меньше или равен максимальной целевой теплоте гидратации. Кроме того, может быть максимально допустимая температура. Достигнутая максимальная температура, или пиковая температура, может контролироваться путем выбора массового процента для каждого из вяжущих компонентов, чтобы температура не достигала максимально допустимого значения. Вяжущий компонент может реагировать и выдавать заданное количество теплоты на единицу массы материала. Температура, достигаемая материалом, может зависеть от таких факторов, как коэффициент теплопередачи, площадь поверхности, через которую может проходить тепло, температура ствола скважины и другие факторы, хорошо известные специалистам в данной области техники. Температурой композиции можно управлять, выбирая материалы, которые выделяют тепло медленнее, так что выделяемое тепло может быть удалено за счет проводимости. В некоторых примерах может быть выбрана целевая температура или максимальная температура, и композиция может быть адаптирована для достижения целевой или максимальной температуры. В другом примере композиция может быть адаптирована таким образом, чтобы достигаемая температура была меньше целевой или максимальной температуры. Пиковая температура композиции также может быть рассчитана с помощью ранее описанных методик.
[0041] Используя ранее описанные методы, данные о содержании кремнезема, размере частиц, площади поверхности и составе могут быть использованы для прогнозирования теплоты гидратации и зависящих от времени характеристик теплоты гидратации цементной смеси. Без ограничения может быть вызвана пуццолановая реакция, в которой кремниевая кислота (H4SiO4) и портландит (Са(ОН)2) реагируют с образованием цементного продукта (гидрат силиката кальция). Указанная пуццолановая реакция между кремниевой кислотой (H4SiO4) и портландитом может протекать в соответствии со следующими уравнениями. Во-первых, кремнезем может быть гидратирован с образованием кремниевой кислоты, а оксид кальция может гидратироваться с образованием портландита или гидратированной извести. Как будет понятно специалистам в данной области техники, гидроксид кальция также может быть получен из других компонентов в цементной композиции, например, посредством гидравлической реакции портландцемента. Затем кремниевая кислота и гидратированная известь могут реагировать с образованием гидрата силиката кальция. Если в источнике кремнезема присутствуют другие соединения, такие как алюминат, могут происходить дополнительные реакции с образованием дополнительных вяжущих продуктов, таких как гидраты алюмината кальция. Теплота гидратации может быть оценена по содержанию кремнезема, извести и глинозема, если скорость растворения известна, и может использоваться для прогнозирования характеристик цемента.
[0042] Соответственно, это раскрытие описывает системы, композиции и способы, относящиеся к управлению теплотой гидратации. Без ограничения, системы, композиции и способы могут дополнительно характеризоваться одним или большим количеством из следующих утверждений:
[0043] Утверждение 1. Способ разработки цементной композиции, который включает в себя: выбор целевой теплоты гидратации для заданного времени и температуры; выбор одного или большего количества вяжущих компонентов и массового процента для каждого из одного или большего количества вяжущих компонентов таким образом, чтобы сумма теплоты гидратации одного или большего количества вяжущих компонентов была меньше или равна целевой теплоте гидратации; приготовление цементной композиции; и предоставление возможности цементной композиции схватиться.
[0044] Утверждение 2. Способ по утверждению 1, отличающийся тем, что один или большее количество вяжущих компонентов содержит по меньшей мере один вяжущий компонент, выбранный из группы, состоящей из портландцемента, извести, летучей золы, шлака, пыли кремнезема, кристаллического кремнезема, кремнеземной муки, пыли цементной печи, цеолита, золы сельскохозяйственных отходов, пуццоланов и их комбинаций.
[0045] Утверждение 3. Способ по утверждению 1 или утверждению 2, отличающийся тем, что цементная композиция дополнительно содержит одну или большее количество добавок, выбранных из группы, состоящей из утяжелителей, замедлителей, ускорителей, активаторов, газовых контрольных добавок, легких добавок, газообразующих добавок, добавок, улучшающих механические свойства, суспендирующих агентов, материалов для борьбы с поглощениями, добавок для контроля фильтрации, добавок для контроля потерь жидкости, пеногасителей, пенообразователей, модификаторов времени перехода, диспергаторов, тиксотропных добавок и их комбинаций.
[0046] Утверждение 4. Способ по любому предшествующему утверждению, отличающийся тем, что один или большее количество вяжущих компонентов включает портландцемент, и при этом портландцемент присутствует в количестве от примерно 10% по массе до примерно 90% по массе.
[0047] Утверждение 5. Способ по любому предшествующему утверждению, дополнительно включающий этап вычисления пиковой температуры, достижимой в цементной композиции.
[0048] Утверждение 6. Способ по утверждению 5, отличающийся тем, что вычисленную пиковую температуру сравнивают с максимально допустимой температурой, и массовый процент по меньшей мере одного из одного или большего количества вяжущих компонентов корректируют до тех пор, пока вычисленная пиковая температура не станет меньше или равна максимально допустимой температуре.
[0049] Утверждение 7. Способ по любому предшествующему утверждению, отличающийся тем, что указанное приготовление цементной композиции включает в себя смешивание компонентов цементной композиции с использованием смесительного оборудования, при этом компоненты включают один или большее количество вяжущих компонентов.
[0050] Утверждение 8. Способ по любому из предшествующих утверждений, дополнительно включающий в себя введение цементной композиции в ствол скважины, применяя один или большее количество насосов.
[0051] Утверждение 9. Способ разработки цементной композиции, который включает в себя: выбор целевого времени и температуры; выбор одного или большего количества вяжущих компонентов и массовых процентов каждого из одного или большего количества вяжущих компонентов; вычисление зависящей от времени концентрации каждого из одного или большего количества вяжущих компонентов в цементной композиции при выбранной температуре; вычисление теплоты гидратации при заданном времени и температуре на основе зависящей от времени концентрации каждого из одного или большего количества вяжущих компонентов; приготовление цементной композиции; и обеспечение возможности цементной композиции схватиться.
[0052] Утверждение 10. Способ по утверждению 9, дополнительно включающий в себя: регулирование массового процента по меньшей мере одного из одного или большего количества вяжущих компонентов таким образом, чтобы теплота гидратации была меньше или равна целевой теплоте гидратации при заданном времени.
[0053] Утверждение 11. Способ по утверждению 9 или утверждению 10, отличающийся тем, что один или большее количество вяжущих компонентов содержит по меньшей мере один вяжущий компонент, выбранный из группы, состоящей из портландцемента, извести, летучей золы, шлака, пыли кремнезема, кристаллического кремнезема, кремнеземной муки, пыли цементной печи, цеолита, золы сельскохозяйственных отходов, пуццоланов и их комбинаций.
[0054] Утверждение 12. Способ по любому одному из утверждений 9-11, отличающийся тем, что цементная композиция дополнительно содержит одну или большее количество добавок, выбранных из группы, состоящей из утяжелителей, замедлителей, ускорителей, активаторов, газовых контрольных добавок, легких добавок, газообразующих добавок, добавок, улучшающих механические свойства, суспендирующих агентов, материалов для борьбы с поглощениями, добавок для контроля фильтрации, добавок для контроля потерь жидкости, пеногасителей, пенообразователей, модификаторов времени перехода, диспергаторов, тиксотропных добавок и их комбинаций.
[0055] Утверждение 13. Способ по любому одному из утверждений 9-12, отличающийся тем, что один или большее количество вяжущих компонентов включают портландцемент, и при этом портландцемент присутствует в количестве от примерно 10% по массе до примерно 50% по массе.
[0056] Утверждение 14. Способ по любому одному из утверждений 9-13, дополнительно включающий этап вычисления пиковой температуры, достижимой в цементной композиции.
[0057] Утверждение 15. Способ по утверждению 14, отличающийся тем, что вычисленную пиковую температуру сравнивают с максимально допустимой температурой, и массовый процент одного или большего количества вяжущих компонентов корректируют до тех пор, пока вычисленная пиковая температура не станет меньше или равна максимально допустимой температуре.
[0058] Утверждение 16. Система создания цементной композиции, содержащая: множество вяжущих компонентов; и компьютерную систему, выполненную с возможностью приема ввода от пользователя и создания концентраций вяжущих компонентов для цементной композиции, причем компьютерная система выполнена с возможностью создавать концентрации вяжущих компонентов на основе целевой теплоты гидратации, целевого времени достижения теплоты гидратации или обоих.
[0059] Утверждение 17. Система по утверждению 16, отличающаяся тем, что компьютерная система дополнительно выполнена с возможностью вычисления теплоты гидратации и регулирования массового процента по меньшей мере одного из каждого вяжущих компонентов таким образом, чтобы вычисленная теплота гидратации была меньше или равна целевой теплоте гидратации.
[0060] Утверждение 18. Система по утверждению 16 или утверждению 17, отличающаяся тем, что компьютерная система дополнительно выполнена с возможностью создавать цементную композицию на основе зависящего от времени количества теплоты гидратации.
[0061] Утверждение 19. Система по любому одному из утверждений 16-18, дополнительно содержащая базу данных, причем база данных содержит информацию о вяжущих компонентах, стоимости, соответствующей каждому из вяжущих компонентов, теплоте гидратации компонента, соответствующей каждому из вяжущих компонентов, и данных о растворении, соответствующих для каждого из вяжущих компонентов, причем компьютерная система дополнительно выполнена с возможностью использования данных о стоимости, чтобы минимизировать стоимость цементной композиции.
[0062] Утверждение 20. Система по утверждению 19, отличающаяся тем, что компьютерная система дополнительно выполнена с возможностью создавать цементную композицию на основе зависящего от температуры количества теплоты гидратации.
[0063] Утверждение 21. Система по любому одному из утверждений 16-20, отличающаяся тем, что компьютерная система дополнительно выполнена с возможностью принимать ввод максимальной температуры и создавать цементную композицию, которая не превышает максимальную температуру.
[0064] Утверждение 22. Система по любому одному из утверждений 16-21, дополнительно содержащая: цементную композицию, содержащую компоненты цемента и воду; насосный флюид, гидравлически связанный с трубным элементом, находящимся в гидравлической связи со стволом скважины, причем трубный элемент выполнен с возможностью передачи цементной композиции в ствол скважины; и сосуд, расположенный выше по потоку от насоса, причем цементная композиция находится в сосуде.
[0065] Примеры способов использования теплоты гидратации для разработки цементной композиции теперь будут описаны более подробно со ссылкой на фиг. 1. Проиллюстрирована система 100 для анализа вяжущих компонентов. Система 100 может содержать образец 105 вяжущего компонента, аналитический прибор 110 и компьютерную систему 115. Образец 105 вяжущего компонента может представлять собой любой вяжущий компонент (например, портландцемент, источник кремнезема, известь и т.д.), представляющий интерес. Образец вяжущего компонента может быть помещен или введен в аналитический прибор 110. В некоторых примерах аналитический инструмент 110 может быть выполнен с возможностью автоматической подачи образца 105 вяжущего компонента в аналитический инструмент 110. Аналитический прибор 110 может быть выполнен с возможностью анализа физических и химических свойств образца 105 вяжущего компонента. Как описано выше, физические и химические свойства могут содержать, без ограничения, помимо прочего, данные анализа оксида и других тестовых калориметрических измерений. Данные, сгенерированные аналитическим инструментом 110, могут быть отправлены в компьютерную систему 115 для обработки. Компьютерная система 115 может содержать процессор, память, внутреннюю память, средства ввода и вывода, средства сетевого подключения и/или другие компоненты, присущие компьютерным системам. Компьютерная система 115 может принимать данные от аналитического инструмента 110 в качестве входных данных и сохранять их в хранилище для последующей обработки. Обработка данных может включать ввод данных в алгоритмы, которые вычисляют результат. Компьютерная система может быть выполнена с возможностью анализа данных оксида из образца и генерирования корреляций, диаграмм и моделей, связанных с растворимостью, временем растворения, которое может быть получено, по меньшей мере частично, из модели растворения, зависимой от времени доступностью оксидов в растворе, прогнозируемой реакционной способностью, потребностью в извести, теплоты гидратации и других данных. Сгенерированные данные и данные, сгенерированные из аналитического инструмента 110, могут быть сохранены в базе данных 120. База данных 120 также может содержать данные о стоимости каждого вяжущего компонента. База данных 120 может храниться локально или в сети.
[0066] Перейдем теперь к фиг. 2, на которой проиллюстрирована система 200 для создания цементных композиций. Система 200 может содержать базу данных 120, как описано на фиг. 1, и компьютерную систему 210. В некоторых примерах компьютерная система 210 может быть такой же компьютерной системой 115, проиллюстрированной на фиг. 1. Данные, вводимые пользователем 220, могут определять технические параметры, такие как требуемая прочность на сжатие цементного состава, статическая температура забоя скважины, требуемые реологические свойства пульпы, время сгущения пульпы, доступные цементные материалы, доступные цементные добавки, свободная жидкость, проницаемость, поровое давление, градиент гидроразрыва, вес бурового раствора, плотность, кислотостойкость, солеустойчивость, требуемая теплота гидратации, дозволенная теплота гидратации и другие параметры. Компьютерная система 210 может быть выполнена с возможностью ввода пользовательских данных 220 и прогнозирующих моделей, карт и данных, хранящихся в базе 120 данных, в алгоритм прогнозирования цемента. Алгоритм прогнозирования цемента может создавать цементную композицию или композиции, которые соответствуют техническим требованиям, определенным пользовательскими данными 220. В частности, цементная композиция может иметь теплоту гидратации менее чем или равную теплоте гидратации, введенную пользователем. В некоторых примерах теплота гидратации может быть более чем или равная теплоте гидратации, введенной пользователем. Выход 230 алгоритма прогнозирования цемента может содержать относительные количества каждого вяжущего компонента в создаваемой цементной композиции, а также прогнозируемые свойства материала цементной композиции.
[0067] Хотя алгоритм прогнозирования цемента может создавать цементную композицию исключительно на основе теплоты гидратации, указанный алгоритм также может создавать цемент на основе комбинации других факторов. Одним из факторов может быть наличие оксидов и извести в зависимости от времени и температуры. Как описано ранее, концентрация кремниевой кислоты и портландита могут варьироваться по времени и температуре в зависимости от растворимости вяжущего компонента. Как описано ранее, доступные вяжущие компоненты могут иметь различные степени растворимости, которые также могут зависеть от температуры раствора. Вяжущий компонент может растворяться относительно медленно при температуре окружающей среды, но может растворяться относительно быстрее при статической температуре в забое скважины. По существу, наличие оксидов и извести из каждого компонента может зависеть не только от времени, но также от композиции. Как было отмечено ранее, зависящая от времени теплота может быть определена для каждого компонента. Алгоритм прогнозирования цемента может использовать данные о затратах из базы данных 120 для создания цементной композиции, которая имеет желаемую теплоту гидратации, а также оптимизирует стоимость композиции. В некоторых примерах алгоритм прогнозирования цемента может создавать цементную композицию с минимизированной стоимостью.
[0068] Теперь делается ссылка на фиг. 3, иллюстрирующую использование цементной композиции 300. Цементная композиция 300 может содержать любой из компонентов, описанных в данном документе. Цементная композиция 300 может быть разработана, например, с использованием балансировки извести-кремнезема, как описано в данном документе. Обращаясь к фиг. 3, цементная композиция 300 может быть помещена в подземный пласт 305 в соответствии с примерами систем, способов и цементных композиций. Как проиллюстрировано, ствол 310 скважины может быть пробурен в подземном пласте 305. Хотя ствол 310 скважины показан как направленный в основном вертикально в подземный пласт 305, принципы, описанные в настоящем документе, применимы также к стволам скважин, направленным через подземный пласт 305 под углом, таким как горизонтальные и наклонные стволы скважин. Как проиллюстрировано, ствол 310 скважины содержит стенки 315. Как проиллюстрировано, кондукторная колонна 320 была вставлена в ствол 310 скважины. Кондукторная колонна 320 может быть зацементирована со стенками 315 ствола 310 скважины посредством цементной оболочки 325. Как проиллюстрировано, в стволе 310 скважины также может быть расположены одна или более дополнительных труб (например, промежуточная колонна, эксплуатационная колонна, хвостовик и т.д.), показанные в настоящем документе как обсадная колонна 330. Как проиллюстрировано, кольцевой зазор 335 ствола скважины образован между обсадной колонной 330 и стенками 315 ствола 310 скважины и/или кондукторной колонной 320. Один или более центраторов 340 может быть присоединен к обсадной колонне 330, например, для центрирования колонны 330 в стволе 310 скважины до и во время операции цементирования.
[0069] Продолжая ссылаться на фиг. 3, цементная композиция 300 может закачиваться внутрь обсадной колонны 330. Цементной композиции 300 можно дать возможность стекать вниз внутри обсадной колонны 330 через башмак обсадной колонны 345 на дне обсадной колонны 330, а также подниматься вверх вокруг обсадной колонны 330 в кольцевое пространство 335 ствола скважины. Цементная композиция 300 может быть оставлена для схватывания в кольцевом зазоре 335 ствола скважины, например, с образованием цементной оболочки, которая поддерживает и удерживает на месте колонну 330 в стволе 310 скважины. Хотя это не проиллюстрировано, для введения цементной композиции 300 могут быть использованы также другие технологии. Например, можно использовать способ обратной циркуляции, который включает введение цементной композиции 300 в подземную формацию 305 не через обсадную колонну 330, а через кольцевое пространство ствола скважины 335. После введения цементная композиция 300 может вытеснять другие флюиды 350, такие как буровые растворы и/или вытесняющие жидкости, которые могут присутствовать во внутренней части обсадной колонны 330 и/или в кольцевом пространстве ствола скважины 335. Хотя это не показано, по меньшей мере часть вытесненных флюидов 350 может выходить из кольцевого пространства 335 ствола скважины через линию потока и осаждаться, например, в одной или большем количестве удерживающих ям. Нижняя пробка 355 может быть введена в ствол 310 скважины перед цементной композицией 300, например, для отделения цементной композиции 300 от флюидов 350, которые могут находиться внутри обсадной колонны 330 до цементирования. После того как нижняя пробка 355 достигнет муфты 380 для подвешивания колонны, должна разорваться мембрана или другое подходящее устройство, чтобы цементная композиция 300 прошла через нижнюю пробку 355. Нижняя пробка 355 показана на муфте 380 для подвешивания колонны. На иллюстрации верхняя пробка 360 может быть введена в ствол 310 скважины за цементной композицией 300. Верхняя пробка 360 может отделять цементную композицию 300 от вытесняющей жидкости 365, а также проталкивать цементную композицию 300 через нижнюю пробку 355.
[0070] Раскрытые цементные композиции и связанные с ними способы могут прямо или косвенно влиять на любые насосные системы, которые, в качестве примера, содержат любые трубопроводы, трубопроводы, тележки, трубы и/или трубы, которые могут быть соединены с насосом и/или любыми насосными системами и могут использоваться для гидравлического транспортирования цементных композиций в скважине, любые насосы, компрессоры или двигатели (например, верхние или нижние), используемые для приведения цементных композиций в движение, любые клапаны или соответствующие соединения, используемые для регулирования давления или расхода цементных композиций, и любые датчики (то есть давления, температуры, скорости потока и т.д.), датчики и/или их комбинации и тому подобное. Цементные композиции также могут прямо или косвенно влиять на любые смесительные бункеры и удерживающие ямы и их различные варианты.
1. Способ разработки цементной композиции, предназначенной для использования в подземных применениях, который включает в себя: выбор целевой теплоты гидратации для целевого времени и температуры; выбор одного или большего количества вяжущих компонентов и массового процента для каждого из одного или большего количества вяжущих компонентов таким образом, чтобы сумма теплоты гидратации одного или большего количества вяжущих компонентов была меньше или равна целевой теплоте гидратации; приготовление цементной композиции и предоставление возможности цементной композиции схватиться.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что один или большее количество вяжущих компонентов содержит по меньшей мере один вяжущий компонент, выбранный из группы, состоящей из портландцемента, извести, летучей золы, шлака, пыли кремнезема, кристаллического кремнезема, кремнеземной муки, пыли цементной печи, цеолита, золы сельскохозяйственных отходов, пуццоланов и их комбинаций.
3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что цементная композиция дополнительно содержит одну или большее количество добавок, выбранных из группы, состоящей из утяжелителей, замедлителей, ускорителей, активаторов, газовых контрольных добавок, легких добавок, газообразующих добавок, добавок, улучшающих механические свойства, суспендирующих агентов, материалов для борьбы с поглощениями, добавок для контроля фильтрации, добавок для контроля потерь жидкости, пеногасителей, пенообразователей, модификаторов времени перехода, диспергаторов, тиксотропных добавок и их комбинаций.
4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что один или большее количество вяжущих компонентов включают портландцемент, и при этом портландцемент присутствует в количестве от примерно 10% по массе до примерно 90% по массе.
5. Способ по любому из предшествующих пунктов, дополнительно включающий в себя этап вычисления пиковой температуры, достижимой в цементной композиции, и, необязательно, при этом вычисленную пиковую температуру сравнивают с максимально допустимой температурой, и массовый процент по меньшей мере одного из одного или большего количества вяжущих компонентов корректируют до тех пор, пока вычисленная пиковая температура не станет меньше или равна максимально допустимой температуре.
6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что указанное приготовление цементной композиции включает в себя смешивание компонентов цементной композиции с использованием смесительного оборудования, при этом компоненты включают один или большее количество вяжущих компонентов.
7. Способ по любому из предшествующих пунктов, дополнительно включающий в себя введение цементной композиции в ствол скважины, применяя один или большее количество насосов.
8. Способ по любому из предшествующих пунктов, дополнительно включающий в себя:
вычисление зависящей от времени концентрации каждого из одного или большего количества вяжущих компонентов в цементной композиции при выбранной температуре;
вычисление теплоты гидратации при заданном времени и температуре на основе зависящей от времени концентрации каждого из одного или большего количества вяжущих компонентов; и регулирование массового процента по меньшей мере одного из одного или большего количества вяжущих компонентов таким образом, чтобы теплота гидратации была меньше или равна целевой теплоте гидратации при заданном времени.
9. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что один или большее количество вяжущих компонентов содержат портландцемент, и при этом портландцемент присутствует в количестве от примерно 10% по массе до примерно 50% по массе.
10. Способ по любому из предшествующих пунктов, дополнительно включающий в себя этап вычисления пиковой температуры, достижимой в цементной композиции, и, необязательно, отличающийся тем, что вычисленную пиковую температуру сравнивают с максимально допустимой температурой, и массовый процент одного или большего количества вяжущих компонентов корректируют до тех пор, пока вычисленная пиковая температура не станет меньше или равна максимально допустимой температуре.
11. Система создания цементной композиции, предназначенной для использования в подземных применениях, содержащая:
множество вяжущих компонентов; и
компьютерную систему, выполненную с возможностью приема данных от пользователя, определяющих технические требования к создаваемой цементной композиции, и создания концентраций вяжущих компонентов для цементной композиции, причем компьютерная система выполнена с возможностью создавать концентрации вяжущих компонентов на основе целевой теплоты гидратации, целевого времени достижения теплоты гидратации или обоих.
12. Система по п. 11, отличающаяся тем, что компьютерная система дополнительно выполнена с возможностью вычисления теплоты гидратации и регулирования массового процента по меньшей мере одного из каждого вяжущих компонентов таким образом, чтобы вычисленная теплота гидратации была меньше или равна целевой теплоте гидратации.
13. Система по п. 11 или 12, отличающаяся тем, что компьютерная система дополнительно выполнена с возможностью создавать цементную композицию на основе зависящего от времени количества теплоты гидратации.
14. Система по любому из пп. 11-13, дополнительно содержащая базу данных, причем база данных содержит информацию о вяжущих компонентах, стоимости, соответствующей каждому из вяжущих компонентов, теплоте гидратации компонента, соответствующей каждому из вяжущих компонентов, и данные о растворении, соответствующие для каждого из вяжущих компонентов, причем компьютерная система дополнительно выполнена с возможностью использования данных о стоимости, чтобы минимизировать стоимость цементной композиции.
15. Система по любому из пп. 11-14, отличающаяся тем, что компьютерная система дополнительно выполнена с возможностью создавать цементную композицию на основе зависящего от температуры количества теплоты гидратации.
