(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメントキルンダスト、ポルトランドセメント、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される成分と、３０重量％以上の量のムライトを含有し、１０重量％以上の量のコランダムを含有し、且つアモルファス材料を実質的に含まない高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランと、水とを含有するセメント組成物を地下層に導入すること、並びに、
前記セメント組成物を凝結させること、
を含むセメンチング方法。
【請求項２】
前記成分が前記ポルトランドセメントを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記成分が前記セメントキルンダストを含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランが、耐火れんが、耐火れんがグロッグ、耐火モルタル、耐火粘土、ムライト、溶融ムライト、及びこれらの任意の組み合わせから選択される化合物を含有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランが、前記成分の５０重量％〜１５０重量％の量で存在する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記セメント組成物が、発泡剤、強度戻り添加剤、凝結促進剤、凝結遅延剤、軽量化剤、ガス発生剤、機械特性増強剤、逸泥防止剤、流体損失制御剤、発泡剤、消泡剤、チクソトロピー付与剤、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される少なくとも１種の添加剤を更に含有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記セメント組成物が、地下層の中に配置されたパイプストリングと、坑井孔の壁もしくは前記地下層に配置されたより大きい導管と、の間の坑井孔アニュラスに導入される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記セメント組成物が一次セメンチング作業で使用される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記セメント組成物が補修セメンチング作業で使用される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記セメント組成物が、１台以上のポンプを使用してケーシングを通り坑井孔アニュラスへと導入される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記セメント組成物が約１２１℃（２５０°Ｆ）以上の温度で凝結させられる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
セメントキルンダスト、ポルトランドセメント、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される成分と、
３０重量％以上の量のムライトを含有し、１０重量％以上の量のコランダムを含有し、且つアモルファス材料を実質的に含まない高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランと、
水と、
を含有する、坑井セメント用セメント組成物。
【請求項１３】
前記成分が前記ポルトランドセメントを含む、請求項１２に記載の組成物。
【請求項１４】
前記成分が前記セメントキルンダストを含む、請求項１２または１３に記載の組成物。
【請求項１５】
前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランが、耐火れんが、耐火れんがグロッグ、耐火モルタル、耐火粘土、ムライト、溶融ムライト、及びこれらの任意の組み合わせから選択される化合物を含有する、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の組成物。
【請求項１６】
前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランが、前記成分の５０重量％〜１５０重量％の量で存在する、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の組成物。
【請求項１７】
前記セメント組成物が、発泡剤、強度戻り添加剤、凝結促進剤、凝結遅延剤、軽量化剤、ガス発生剤、機械特性増強剤、逸泥防止剤、流体損失制御剤、発泡剤、消泡剤、チクソトロピー付与剤、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される少なくとも１種の添加剤を更に含有する、請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の組成物。
【請求項１８】
セメントキルンダスト、ポルトランドセメント、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される成分と、３０重量％以上の量のムライトを含有し、１０重量％以上の量のコランダムを含有し、且つアモルファス材料を実質的に含まない高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランと、水とを含有するセメント組成物、
前記セメント組成物を混合するための混合装置、並びに
前記セメント組成物を坑井孔へ移送するためのポンプ装置、
を含む坑井セメンチングシステム。
【請求項１９】
前記セメント組成物が、請求項１２〜１６のいずれか１項に規定の特徴の１つ以上を有する、請求項１８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施形態はセメンチング作業に関し、より詳しくは、特定の実施形態において、坑井セメンチングで高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを利用する方法及び組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
坑井の建設及び補修セメンチングなどのセメンチング作業では、セメント組成物が一般的に利用されている。セメント組成物は一次セメンチング作業で使用される場合があり、これによってケーシングやライナーなどのパイプストリングが坑井孔中にセメント固定される。典型的な一次セメンチング作業では、セメント組成物は、その中に配置されたパイプストリングの外表面と坑井孔の壁（または坑井孔中のより大きな導管）との間のアニュラスにポンプ注入される場合がある。セメント組成物は環状空間で凝結し、それにより硬化した、実質的に不浸透性の材料の環状シース（すなわちセメントシース）を形成することができる。これは坑井孔中のパイプストリングを支持し、位置づけると共に、パイプストリングの外表面を坑井孔の壁（またはより大きな導管）と結合させることができる。パイプストリングの周囲のセメントシースは、特に、腐食からパイプストリングを保護するだけでなく、アニュラス中の流体の移動を妨げるように機能する必要がある。セメント組成物は、パイプストリング、セメントシース、グラベルパック、地下層などにある隙間を塞ぐためのスクィズセメンチング等の補修セメンチング法でも使用される場合がある。セメント組成物は例えば構造物のセメンチングなどの地上用途でも使用される場合がある。
【０００３】
セメンチング作業を成功させるためには、セメント組成物は、レオロジー、流体損失、シックニングタイム、及び強度発現を含む数多くの具体的な要件を満たす必要がある。高温井で使用される場合（例えば＞２５０°Ｆ）、ポルトランドセメントを含有する従来のセメント組成物は、連続的に高温に曝されると強度が損なわれること（「強度戻り（ｓｔｒｅｎｇｔｈ  ｒｅｔｒｏｇｒｅｓｓｉｏｎ）」と一般的に呼ばれる現象）が知られている。ポルトランドセメントの強度戻りは、通常の結合相（水酸化カルシウム）が高温でα−ケイ酸二カルシウムへと転移するために生じると考えられている。強度戻りは、セメント組成物にシリカ微粉またはケイ砂などの二酸化ケイ素系物質を添加することによって対処することができる。強度戻りを有効に抑制するために二酸化ケイ素系物質が使用されてきたものの、高温で使用できる更なるセメント組成物の開発が求められている。
【０００４】
これらの図面は本発明のいくつかの実施形態の特定の態様を示すものであり、本発明を限定または定義するために使用すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを含有するセメント組成物を調製して坑井孔へ運ぶための例示的なシステムの概略図である。
【図２】高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを含有するセメント組成物を坑井孔への打設に使用することができる例示的な地上装置の概略図である。
【図３】高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを含有するセメント組成物の坑井孔アニュラスへの例示的な打設の概略図である。
【図４】高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを含有する例示的なセメント組成物についての経時的な圧縮強度の発現を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本実施形態はセメンチング作業に関し、より詳しくは、特定の実施形態において、坑井セメンチングで高アルミナ質耐火性アルミノケイ塩ポゾランを利用する方法及び組成物に関する。高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを含有するセメント組成物は、一次セメンチング作業及び補修セメンチング作業などの様々な地上及び地下のセメンチング用途で使用することができる。このセメント組成物の実施形態は、あらゆるタイプの地下層における、水平の、垂直の、傾斜した、あるいはその他の非直線状の坑井孔で使用することができる。本実施形態は、炭化水素井や地熱井を含む、圧入井、観測井、及び生産井に適用可能である。
【０００７】
例示的なセメント組成物は、セメントキルンダスト及び／またはポルトランドセメントと、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランと、水とを含有していてもよい。例示的なセメント組成物は数多くのセメンチング作業に適する場合があるが、これらは特に約２５０°Ｆ以上の坑底静止温度（「ＢＨＳＴ」）の坑井を含む、高温井での使用に適する場合がある。例えば、セメント組成物は、最大で約５１０°Ｆ以上のＢＨＳＴの坑井中で使用される場合がある。本開示の数多くの潜在的な利点のうちの一つは、セメント組成物が高温井中で強度を維持できることであり、これによって、ポルトランドセメントを含有するセメント組成物の強度戻りを防止するために従来二酸化ケイ素系物質を使用していたことに対する代替手段を提供することができる。耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランの高いアルミナ含量によって、セメント組成物に高温安定性が付与される。例えば、ポルトランドセメントと共に使用される場合、最大５５０°Ｆまでの温度でアルミノケイ酸カルシウム（例えばヒブシュ柘榴石、加藤柘榴石）が形成される場合があり、これは高温安定性を有する。更に、セメントキルンダストと共に使用される場合、形成される主成分には、高温で形成されるが２００°Ｆ未満の温度では形成されないトバモライトと共に、高温安定性を有するムライト及びコランダムが含まれる場合がある。
【０００８】
更に、いくつかの実施形態にかかる高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾラン及び／またはセメントキルンダストは、コスト削減効果がある安価な市販の材料を原料とすることができる。いくつかの実施形態では、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランとセメントキルンダストのいずれかまたは両方は、リサイクル品及び／または廃棄物であってもよく、それによってその再利用による環境面での利益がもたらされる。また、いくつかの実施形態にかかるセメント組成物のｉｎ−ｓｉｔｕで凝結する能力により、有利なことにはセメンチング作業でクリンカー及びクリンカー由来の材料を使用する必要をなくすことができ、これによってこのような実施形態のセメント組成物に関連する環境への影響を一層減らすことができる。
【０００９】
前述したように、セメント組成物はポルトランドセメントを含有していてもよい。好適なポルトランドセメントの例としては、米国石油協会のＡＰＩ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ａｎｄ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｗｅｌｌ  Ｃｅｍｅｎｔｓ，ＡＰＩ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ  １０，Ｆｉｆｔｈ  Ｅｄ．，Ｊｕｌｙ  １，１９９０に基づいてクラスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｇ、またはＨのセメントに分類されるものを挙げることができる。好適なポルトランドセメントの追加的な例としては、ＡＳＴＭタイプＩ、II、III、IV、またはＶに分類されるものを挙げることができる。
【００１０】
いくつかの実施形態では、セメント組成物は、ポルトランドセメントと組み合わせて、あるいはその代わりに使用される、セメントキルンダストを含有していてもよい。本明細書で使用される用語「セメントキルンダスト」は、キルン中でセメント原材料を加熱する際の副生成物として生成する固体物質のことをいう。本明細書で使用される用語「セメントキルンダスト」には、本明細書に記載の通りに作られたセメントキルンダスト及びセメントキルンダストと等価な形態が含まれることが意図されている。その原料に応じて、セメントキルンダストは、水の存在下で凝結して硬化することができるセメント質特性を示す場合がある。セメントキルンダストは、セメント製造の副生成物として生成する場合もあり、これはガス流から取り除かれて例えば集塵装置などで回収される。通常、セメントの製造では大量のセメントキルンダストが回収され、これは通常廃棄物として廃棄される。セメントキルンダストの廃棄は、その廃棄に関連する環境への懸念が生じるだけでなく、セメント製造における望ましくないコストの上昇を生じさせる場合がある。様々なセメント製造由来のセメントキルンダストの化学分析は、具体的なキルン供給物、セメント製造作業の効率、及び関連する集塵システムなどの様々な要素によって変化する。セメントキルンダストは、通常はＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳＯ3、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏなどの様々な酸化物を含有する場合がある。
【００１１】
セメント組成物は、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを更に含有していてもよい。本明細書において、「高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾラン」とは、シリカに対するアルミナの比率（あるいはＡ：Ｓ）が約０．７以上であり、耐火れんがなどの耐火性材料由来であるポゾランのことをいう。いくつかの実施形態におけるＡ：Ｓの比率は約１．０以上であってもよく、ある実施形態では１７という高い値であってもよい。つまり、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランはシリカよりアルミナを多く含有していてもよく、いくつかの実施形態ではシリカよりアルミナの方が大幅に多い。好適な高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランの例としては、耐火れんが、耐火れんがグロッグ、耐火モルタル、耐火粘土、ムライト、溶融ムライト、及びこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
【００１２】
いくつかの実施形態では、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、ポルトランドセメントを含有するセメント組成物の低コスト補完物として機能する場合がある。更に、驚くべきことに、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランとセメントキルンダストとの混合物が水硬活性を有する追加的な物質を何も添加しなくてもセメント質材料を形成することが見出された。セメントキルンダスト中に存在する場合があるごく少量の石灰を除き、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランと共に石灰を使用する必要をなくすことができる。それとは対照的に、石灰はポゾランの活性化のために従来用いられている。更に、セメント組成物に高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを含有させると、セメント組成物はより高い耐熱性を示すことができる。つまり、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランの使用は、坑井のセメンチングにおける強度戻りに関連する問題の軽減に役立つ場合がある。いくつかの実施形態では、これは高アルミナ含量の耐火性アルミノケイ酸塩ポゾラン中に存在するムライトやコランダムなどの種によるものである場合がある。耐火れんがまたは耐火れんがグロッグなどの高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩は、元々備えている耐熱性及び耐薬品性を、このような材料を含有するセメント組成物に対して付与することができる。下の表１は、セメント組成物中に含まれる場合がある、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾラン（表１、耐火れんがグロッグ「ＦＢＧ」）のＸ線回折（「ＸＲＤ」）組成分析を示している。表２は、耐火れんがグロッグの全酸化物分析を示す。
表1. 耐火れんがグロッグのXRD
0006266787.tif 000002
表2. 耐火れんがグロッグの全酸化物分析
0006266787.tif 000003
【００１３】
上の表に示されているように、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、約３０重量％以上の量でムライトを含有する場合がある。例えば、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、約３０重量％、約３５重量％、約４０重量％、約４５重量％、約５０重量％、約５５重量％、約６０重量％、約６５重量％、約７０重量％、またはそれ以上の量でムライトを含有していてもよい。更には、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、約１０重量％以上の量でコランダムを含有していてもよい。例えば、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、約１０重量％、約１５重量％、約２０重量％、約２５重量％、約３０重量％、またはそれ以上の量でコランダムを含有していてもよい。同様に、いくつかの実施形態にかかる、セメント組成物中に含まれる高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、実質的にアモルファス（非晶質）材料を含まない場合がある。高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、具体的な用途に望ましい量でセメント組成物中に存在させることができる。例えば、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは約１０％〜約２００％ｂｗｏｃの範囲の量で存在してもよい。本明細書において、「ｂｗｏｃ」とはセメント組成物中のセメントキルンダスト及び／またはポルトランドセメントの重量基準の、セメント組成物中に含まれる材料の量のことをいう。特定の実施形態では、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは約１０％、約２０％、約４０％、約６０％、約８０％、約１００％、約１２０％、約１４０％、約１６０％、約１８０％、または約２００％ｂｗｏｃのいずれかの間の範囲の量で、及び／またはこれらのいずれかに含まれる量で、セメント組成物中に存在していてもよい。ある具体的な実施形態では、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは約５０％〜約１５０％ｂｗｏｃの範囲の量で、あるいは約８０％〜１２０％ｂｗｏｃの範囲の量で存在していてもよい。
【００１４】
更に、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、破砕された、粉砕された、粉末状の、または他の適切な微粒子状の形態でセメント組成物中に含まれていてもよい。いくつかの実施形態では、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは４メッシュ以下の粒子サイズを有していてもよい。本明細書において、メッシュに関しての全ての言及は、Ｕ．Ｓ．Ｓｉｅｖｅ  Ｓｅｒｉｅｓについてである。例えば、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、４メッシュ、６メッシュ、８メッシュ、１０メッシュ、２０メッシュ、３０メッシュ、４０メッシュ、５０メッシュ、６０メッシュ、７０メッシュ、８０メッシュの、または更に小さい粒子サイズを有していてもよい。本実施形態では下限はなくてもよいが、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランの粒子サイズの下限は、４００メッシュ、２００メッシュ、１００メッシュ、８０メッシュ、４０メッシュ、２０メッシュ、１０メッシュ、またはそれより大きくてもよい。高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランの好適な粒子サイズ分布の例としては、−８０／＋４００メッシュ；−２００／＋４００メッシュ；−３０／＋１００メッシュ；−６０／＋８０メッシュ；または−１８／＋８０メッシュが挙げられる。
【００１５】
例示的なセメント組成物で使用される水としては、例えば淡水、塩水（例えばその中に溶解している１種以上の塩を含有する水）、濃塩水（例えば地下層から生成される飽和塩水）、海水、またはこれらの任意の組み合わせを挙げることができる。通常、例えばセメント組成物中の他の成分に望ましくない影響を与えるおそれのある化合物を過剰に含まない限り、水は任意の供給源からのものであってもよい。水は、ポンプ移送可能なスラリーを形成するのに十分な量で含まれていてもよい。例えば、水はセメント組成物中に約４０％〜約２００％ｂｗｏｃの範囲の量で、あるいは約４０％〜約１５０％ｂｗｏｃの範囲の量で含まれていてもよい。更なる例として、水は、約４０％、約５０％、約６０％、約７０％、約８０％、約９０％、約１００％、約１１０％、約１２０％、約１３０％、約１４０％、約１５０％、約１６０％、約１７０％、約１８０％、約１９０％、または約２００％ｂｗｏｃのいずれかの間の範囲の量で、及び／またはこれらのいずれかに含まれる量で、存在していてもよい。本開示の利益を享受する当業者であれば、選択した用途のために含有させるべき適切な水の量を認識するはずである。
【００１６】
本開示の利益を享受する当業者であれば、セメント組成物が通常具体的な用途に適した密度を有してよいことを理解するはずである。例えば、セメント組成物は約５ポンド毎ガロン（「ｌｂｓ／ｇａｌ」）〜約２５ｌｂｓ／ｇａｌの密度を有していてもよい。例えば、セメント組成物は約５ｌｂｓ／ｇａｌ、約１０ｌｂｓ／ｇａｌ、約１５ｌｂｓ／ｇａｌ、約２０ｌｂｓ／ｇａｌ、または約２５ｌｂｓ／ｇａｌのいずれかの間の範囲の、及び／またはこれらのいずれかに含まれる、密度を有していてもよい。ある実施形態では、セメント組成物は約１４ｌｂｓ／ｇａｌ〜約１７ｌｂｓ／ｇａｌの密度を有していてもよい。セメント組成物は、発泡していても発泡していなくてもよく、また中空ミクロスフェア、低密度弾性体ビーズ、または当該技術分野で公知の他の低密度化剤などの、密度を下げるための他の手段を含んでいてもよい。本開示の利益を享受する当業者であれば、具体的な用途に適した密度を認識するであろう。
【００１７】
地下セメンチング作業での使用に適した他の添加剤も、具体的な用途での必要に応じてセメント組成物に添加してもよい。そのような添加剤の例としては、発泡剤、強度戻り添加剤、凝結促進剤、凝結遅延剤、軽量化剤、ガス発生剤、機械特性増強剤、逸泥防止剤、流体損失制御剤、消泡剤、チクソトロピー付与剤、及びこれらの任意の組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。これらの、及び他の添加剤の具体的な例としては、パーライト、頁岩、アモルファスシリカ、メタカオリン、結晶性シリカ、フュームドシリカ、ケイ酸塩、塩、繊維、水和性粘土、ミクロスフェア、ケイソウ土、天然ポゾラン、ゼオライト、フライアッシュ、籾殻灰、膨潤性エラストマー、樹脂、これらの任意の組み合わせなどが挙げられる。本開示の利益を享受する当業者であれば、具体的な用途と望ましい結果のために有用な添加剤の種類及び量を容易に決定することができるであろう。
【００１８】
任意選択的には、発泡剤は、例えば発泡を促進するために及び／またはそれと共に形成される得られた泡を安定化するために、セメント組成物中に添加されていてもよい。発泡剤としては、水の表面張力を低下させる界面活性剤または界面活性剤の組み合わせが挙げられる。当業者によって認識されるであろうように、発泡剤は、発泡したセメント組成物を製造するためにガスと併用してもよい。例えば、発泡剤はアニオン性、非イオン性、両性（双性イオン性界面活性剤も含む）、カチオン性の界面活性剤、またはこれらの組み合わせを含んでいてもよい。好適な発泡剤の例としては、ベタイン；加水分解ケラチンなどのアニオン性界面活性剤；アルキルもしくはアルケンジメチルアミンオキシドなどのアミンオキシド；コカミドプロピルジメチルアミンオキシド；メチルエステルスルホネート；コカミドプロピルベタインなどのアルキルもしくはアルケンアミドベタイン；アルファ−オレフィンスルホン酸塩、トリメチル牛脂アンモニウムクロリド及びトリメチルココアンモニウムクロリドなどの四級界面活性剤；Ｃ８〜Ｃ２２のアルキルエトキシレート硫酸塩；及びこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。好適な発泡剤の具体的な例としては、アルキルエーテル硫酸のアンモニウム塩とコカミドプロピルベタイン界面活性剤とコカミドプロピルジメチルアミンオキシド界面活性剤と塩化ナトリウムと水との混合物；アルキルエーテル硫酸のアンモニウム塩とコカミドプロピルヒドロキシスルタイン界面活性剤とコカミドプロピルジメチルアミンオキシド界面活性剤と塩化ナトリウムと水との混合物；加水分解ケラチン；エトキシ化アルコールエーテル硫酸塩界面活性剤とアルキルもしくはアルケンアミドプロピルベタイン界面活性剤とアルキルもしくはアルケンジメチルアミンオキシド界面活性剤との混合物；アルファ−オレフィンスルホン酸塩界面活性剤とベタイン界面活性剤との水溶液；及びこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。好適な発泡剤の例は、Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．から入手可能な薬剤ＺＯＮＥＳＥＡＬＡＮＴTM２０００である。
【００１９】
任意選択的には、例えばセメント組成物が高温に曝される場合に、セメント組成物の圧縮強度を発現させた後に強度戻りを更に防止するために、セメント組成物に強度戻り添加剤が添加されていてもよい。本明細書で述べる例示的なセメント組成物には耐火れんがグロッグが含まれているため、特定の用途においては強度戻り添加剤が必要とされない場合がある。これらの添加剤によって、セメント組成物を意図した通りに形成することができ、セメント質組成物のひび及び早期の損傷を防ぐことができる。好適な強度戻り添加剤の例としては、アモルファスシリカ、粗粒結晶性シリカ、微粒結晶性シリカ、またはこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
【００２０】
任意選択的には、例えば凝結反応の速度を増加させるために、セメント組成物に凝結促進剤が添加されていてもよい。凝結時間を制御することによって、坑井孔の条件に合わせたり、個々の現場のために凝結時間をカスタマイズしたりすることができる。好適な凝結促進剤の例としては、硫酸アルミニウム、ミョウバン、塩化カルシウム、硫酸カルシウム、半水石膏、アルミン酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、塩化ナトリウム、ケイ酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、塩化鉄、またはこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
【００２１】
任意選択的には、例えばセメント組成物のシックニングタイムを増加させるために、セメント組成物に凝結遅延剤が添加されていてもよい。好適な凝結遅延剤の例としては、アンモニウム塩、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ホウ砂、リグノスルホン酸カルシウムの金属塩、カルボキシメチルヒドロキシエチルセルロース、スルホアルキル化リグニン、ヒドロキシカルボン酸、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸塩とアクリル酸もしくはマレイン酸とのコポリマー、飽和塩、またはこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。好適なスルホアルキル化リグニンの１つの例にはスルホメチル化リグニンが含まれる。
【００２２】
任意選択的には、例えばセメント組成物の密度を減らすために、セメント組成物に軽量化剤が添加されていてもよい。好適な軽量化剤の例としては、ベントナイト、石炭、ケイソウ土、膨張パーライト、フライアッシュ、ギルソナイト、中空ミクロスフェア、低密度弾性体ビーズ、窒素、ポゾラン−ベントナイト、ケイ酸ナトリウム、これらの組み合わせ、または当該技術分野で公知の他の軽量化剤が挙げられるが、これらに限定されない。
【００２３】
任意選択的には、所定の時間にガスを放出させるために、セメント組成物にガス発生剤が添加されていてもよく、これはセメント組成物が硬化する前にセメント組成物を通って地層からガスが移動するのを防ぐのに有益な場合がある。発生したガスは、地層ガスによるセメント組成物の浸透と結びつくまたはこれを防止することができる。好適なガス発生剤の例としては、アルカリ溶液と反応して気体を生成する金属粒子（例えばアルミニウム粉末）が挙げられるが、これらに限定されない。
【００２４】
任意選択的には、例えば十分な圧縮強度及び長期的な構造健全性を確保するために、セメント組成物に機械特性増強剤が添加されていてもよい。これらの特性は、地下環境による歪み、応力、温度、圧力、及び衝撃の影響を受ける場合がある。機械特性増強剤の例としては、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維、鉱物繊維、シリカ繊維、高分子エラストマー、ラテックス、及びこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
【００２５】
任意選択的には、例えば流体循環の地下層への損失を防ぐために、セメント組成物に逸泥防止剤が添加されていてもよい。逸泥防止剤の例としては、杉皮、細断したサトウキビの茎、鉱物繊維、雲母片、セロファン、炭酸カルシウム、粉砕ゴム、高分子材料、プラスチック片、粉砕大理石、木、木の実の殻、メラミン積層体（例えばＦｏｒｍｉｃａ（登録商標）積層体）、トウモロコシの穂軸、綿の殻、及びこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
【００２６】
任意選択的には、例えば地下層へ失われる流体の量を減らすために、セメント組成物に流体損失制御剤が添加されていてもよい。セメント組成物の特性は、その含水量によって大きく影響を受ける場合がある。流体の損失によって、セメント組成物は設計特性が損なわれたり完全に失われたりする可能性がある。好適な流体損失制御剤の例としては、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルヒドロキシエチルセルロース、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸とアクリルアミドもしくはＮ，Ｎ−ジメチルアクリルアミドとのコポリマー、並びに、リグニンもしくはリグナイトである主鎖と、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸、アクリロニトリル、及びＮ，Ｎ，−ジメチルアクリルアミドからなる群から選択される少なくとも１つを含むペンダント基と、を含有するグラフトコポリマー、などの特定のポリマーが挙げられるが、これらに限定されない。
【００２７】
任意選択的には、例えばセメント組成物の混合時及びポンプ移送時のセメント組成物の泡立ち傾向を抑えるために、セメント組成物に消泡剤が添加されていてもよい。好適な消泡剤の例としてはポリオールシリコーン化合物が挙げられるが、これに限定されない。好適な消泡剤は、Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．から製品名Ｄ−ＡＩＲ（登録商標）消泡剤として入手可能である。
【００２８】
任意選択的には、例えば、薄いあるいは低粘度の流体としてポンプ移送可能であるが静止状態においた際には比較的高粘度になるセメント組成物とするために、セメント組成物にチクソトロピー付与剤が添加されていてもよい。特に、チクソトロピー付与剤は、自由水の抑制を補助すること、スラリーが凝結するにつれて急速にゲル化させること、逸泥を食い止めること、環状カラム中の「フォールバック」を防止すること、及びガスの移動を最小限にすること、のために使用することができる。好適なチクソトロピー付与剤の例としては、石膏、水溶性カルボキシアルキル、ヒドロキシアルキル、セルロースの混合カルボキシアルキルヒドロキシアルキルエーテル、多価金属塩、ヒドロキシエチルセルロースを含む塩化オキシジルコニウム、またはこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
【００２９】
セメント組成物の成分は、地下層に打設することができるセメント組成物を形成するのに望ましい任意の順序で混合することができる。また、セメント組成物の成分は、例えばバルクミキサーなどの、組成物に対応可能ないずれの混合装置を使用して混ぜ合わせてもよい。ある具体的な実施例では、セメント組成物は、乾燥成分（例えばこれはポルトランドセメント／セメントキルンダストと高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランであってもよい）を水と混ぜ合わせることによって調製することができる。液体添加剤（あれば）は、水を乾燥成分と混ぜ合わせる前に（あるいは後に）、水と混ぜ合わせてもよい。乾燥成分は、水との混合の前に乾式混合されてもよい。例えば、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランとポルトランドセメント／セメントキルンダストとを含有する乾燥ブレンド物が調製されてもよい。例示的な実施形態に基づいて当業者によって認識されるであろうセメント組成物調製のための他の好適な手段を使用してもよい。
【００３０】
地下層への打設の後、ポルトランドセメント／セメントキルンダストと高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランと水とを含有するセメント組成物は、坑井セメンチングに望ましい圧縮強度を有するように凝結することができる。本明細書において、用語「凝結する」、「凝結」、または「凝結可能」とは、スラリー状態から固化した状態に硬化するセメント組成物などの材料のプロセス、及び／またはそのような硬化を示すセメント組成物の能力のことをいう。例えば、「凝結」は水の存在下での少なくとも部分的な水和（またはポゾラン）反応によって硬化するセメント組成物のことをいう場合がある。いくつかの実施形態では、凝結は特に適切な条件下（例えば適切な温度及び／または圧力）におけるセメント組成物の打設であってもよい。この打設は、いくつかの実施形態に従い、地下層中であってもよい。いくつかの実施形態では、凝結は適切な凝結遅延剤の使用によって遅らせられてもよい。
【００３１】
圧縮強度は、通常は軸方向に押す力に耐える材料または構造の能力である。圧縮強度は、セメント組成物を配置して所定の温度及び圧力条件に維持した後、所定の時間に測定することができる。圧縮強度は、破壊的方法によっても非破壊的方法によっても測定することができる。破壊的方法は、圧縮試験機中で試料を破壊することによって、様々な時点でのセメント組成物試料の強度を物理的に試験する。圧縮強度は、破壊荷重をその荷重に耐える断面積で割ることによって算出され、重量ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）の単位で報告される。非破壊的方法には、テキサス州ヒューストンのＦａｎｎ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＵＣＡTM超音波セメント分析計を用いることができる。圧縮強度はＡＰＩ  ＲＰ  １０Ｂ−２，Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ  Ｐｒａｃｔｉｃｅ  ｆｏｒ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  Ｗｅｌｌ  Ｃｅｍｅｎｔｓ，Ｆｉｒｓｔ  Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｊｕｌｙ  ２００５に従って決定してもよい。
【００３２】
例えば、ポルトランドセメント／セメントキルンダストと、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランとを含有するセメント組成物は、約５０ｐｓｉ〜約５０００ｐｓｉの範囲の２４時間圧縮強度を発現することができ、あるいは約１００ｐｓｉ〜約４５００ｐｓｉの、またあるいは約５００ｐｓｉ〜約４０００ｐｓｉの圧縮強度を発現することができる。いくつかの実施形態では、セメント組成物は約５０ｐｓｉ、約１００ｐｓｉ、約５００ｐｓｉ、または更に高い２４時間圧縮強度を発現することができる。いくつかの実施形態では、圧縮強度の値は１００°Ｆ〜２００°Ｆの範囲の温度で破壊的または非破壊的方法を使用して決定されてもよい。更に、セメント組成物の複数の実施形態は高温でも圧縮強度を維持することができる。例えば、セメント組成物は、５５０°Ｆという高い温度でも約３０００ｐｓｉ、約４０００ｐｓｉ、またはそれより更に高い７日間圧縮強度を有する場合がある。
【００３３】
ポルトランドセメント／セメントキルンダストと、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランと、水とを含有するセメント組成物は、一次セメンチング及び補修セメンチングを含む様々な地下セメンチング用途で使用することができる。例えば、ポルトランドセメント／セメントキルンダストと、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランと、水とを含有するセメント組成物が提供されてもよい。上で述べたような追加的な添加剤も添加されていてもよい。セメント組成物の成分の濃度及び量は上述されている。セメント組成物は地下層に導入され、その中で凝結されてもよい。本明細書において、セメント組成物の地下層への導入には、地下層に掘削した坑井孔への、坑井孔の周囲の坑井孔近傍領域への、またはその両方を制限なく含む、地下層のあらゆる部分への導入が含まれる。
【００３４】
例えば一次セメンチングで使用される場合、セメント組成物は地下層を貫通する坑井孔の中に位置する導管（例えばケーシング）と、坑井孔の壁（及び／または坑井孔中のより大きな導管）との間の環状空間に導入されてもよい。セメント組成物は環状空間の中で凝結し、硬化したセメントの環状シースを形成することができる。セメント組成物は坑井孔中の流体の移動を防ぐ障壁を形成することができる。セメント組成物は、例えば坑井孔中の導管を支持することもできる。
【００３５】
補修セメンチングに用いられる場合、セメント組成物は例えばスクィズセメンチング作業またはセメントプラグの打設で使用することができる。例えば、セメント組成物は地下層の中、グラベルパックの中、導管の中、セメントシースの中、及び／またはセメントシースと導管との間（例えばマイクロアニュラス）にある開口（例えば隙間または割れ目）を塞ぐために坑井孔の中に打設することができる。
【００３６】
ある実施形態には、セメントキルンダスト、ポルトランドセメント、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される成分と、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランと、水とを含有するセメント組成物を地下層へ導入すること、並びに、セメント組成物を凝結させること、を含むセメンチング方法が含まれていてもよい。使用することのできるセメント組成物の成分及びその様々な濃度は例示的な実施形態に関して上で述べられている。
【００３７】
ある実施形態には、セメントキルンダスト、ポルトランドセメント、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される成分と、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランと、水とを含有するセメント組成物が含まれていてもよい。使用することのできるセメント組成物の成分及びその様々な濃度は例示的な実施形態に関して上で述べられている。
【００３８】
ある実施形態には、セメントキルンダスト、ポルトランドセメント、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される成分と、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランと、水とを含有するセメント組成物、セメント組成物を混合するための混合装置、並びに、セメント組成物を坑井孔へ移送するためのポンプ装置を含む、坑井セメンチングのためのシステムが含まれていてもよい。使用することのできるセメント組成物の成分及びその様々な濃度は例示的な実施形態に関して上で述べられている。
【００３９】
次に、坑井セメンチングで高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを使用する例示的な方法を、図１〜３を参照しつつより詳しく説明する。図１は、ポルトランドセメント／セメントキルンダストと、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランと、水とを含有するセメント組成物の調製、及びセメント組成物の坑井孔への移送のための例示的なシステム５を示している。図示のように、セメント組成物は、例えば、ジェットミキサーや再循環ミキサーやバッチ式ミキサーなどの混合装置１０の中で混合されてもよく、その次にポンプ装置１５を介して坑井孔へとポンプ移送されてもよい。いくつかの実施形態では、混合装置１０とポンプ装置１５は、当業者に認識されるであろうように、１台以上のセメントトラックの上に配置されていてもよい。いくつかの実施形態では、例えば、ポルトランドセメント／セメントキルンダスト及び高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを含有する乾燥ブレンド物を、例えば坑井孔へポンプ移送されるに伴って水と連続的に混合するために、ジェットミキサーが使用されてもよい。
【００４０】
次に地下層へセメント組成物を打設するための例示的な手法を、図２及び３を参照しつつ説明する。図２は、セメント組成物の打設に使用することができる例示的な坑外設備２０を示す。図２では地上での作業が概略的に描写されているが、当業者であれば、本開示の範囲から逸脱することなしに本明細書に記載されている原理をフローティングまたは海上プラットフォーム及びリグを用いる海上作業に等しく適用可能であることを容易に認識するであろうことに留意すべきである。図２に示されているように、坑外設備２０には、セメンチングユニット２５が含まれていてもよく、これには１台以上のセメントトラックが含まれていてもよい。セメンチングユニット２５には、当業者に明白であろうように、混合装置１０及びポンプ装置１５（例えば図１）が含まれていてもよい。セメンチングユニット２５は、水とポルトランドセメント／セメントキルンダストと高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランとを含有していてもよいセメント組成物３０を、供給パイプ３５を介して、セメント組成物３０を坑底に運ぶセメンチングヘッド３６へ、ポンプ移送することができる。
【００４１】
次に図３を見ると、ポルトランドセメント／セメントキルンダストと高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾラン廃棄物と水とを含有していてもよいセメント組成物３０は、例示の実施形態に従って地下層４５に打設されてもよい。図示のように、坑井孔５０は１つ以上の地下層４５の中に掘削されていてもよい。１つ以上の地下層４５に概して垂直に延在する坑井孔５０が示されているが、本明細書に記載の原理は、水平な坑井孔及び傾斜した坑井孔などの、ある角度で１つ以上の地下層４５を通って延在する坑井孔にも適用可能である。図示のように、坑井孔５０は壁５５を含んでいる。図示の実施形態では、サーフェイスケーシング６０が坑井孔５０の中に挿入されている。サーフェイスケーシング６０は、セメントシース６５によって坑井孔５０の壁５５にセメント固定されていてもよい。図示の実施形態では、ケーシング７０としてここに示されている１つ以上の追加的な導管（例えば中間ケーシング、生産ケーシング、ライナー等）も、坑井孔５０の中に配置されていてもよい。図示のように、ケーシング７０と、坑井孔５０の壁５５及び／またはサーフェイスケーシング６０と、の間に形成される坑井孔アニュラス７５が存在する。例えば、セメンチング作業の前にあるいは作業中に、坑井孔５０の中でケーシング７０を中心に位置させるために、ケーシング７０に１つ以上のセントラライザー８０が取り付けられていてもよい。
【００４２】
引き続き図３を参照すると、セメント組成物３０はケーシング７０内部にポンプダウンされてもよい。セメント組成物３０はケーシング７０の内部を流下してケーシング７０の底部でケーシングシュー８５を通り、坑井孔アニュラス７５へとケーシング７０周りで上ることができる。セメント組成物３０は、例えばケーシング７０を坑井孔５０の中で支持し、かつ位置づけるセメントシースを形成するために、坑井孔アニュラス７５の中で凝結されてもよい。図示されてはいないが、セメント組成物３０を導入するために他の技術を利用することもできる。例えば、ケーシング７０を通る代わりに坑井孔アニュラス７５によって地下層４５の中へセメント組成物３０を導入することが含まれる、逆循環技術を使用してもよい。
【００４３】
セメント組成物３０は、導入されるにつれ、ケーシング７０内部及び／または坑井孔アニュラス７５に存在する場合がある掘削流体及び／またはスペーサー流体などの他の流体９０と置き換わることができる。置換された流体９０の少なくとも一部は、フローライン９５を経由して坑井孔アニュラス７５を出て、例えば図２に示されているような１つ以上の貯留ピット１００（例えば泥溜め）に溜め置かれる場合がある。再び図３を参照すると、例えばセメンチングの前にケーシング７０内部にある場合がある他の流体９０からセメント組成物３０を分離するために、セメント組成物３０の前にボトムプラグ１０５を坑井孔５０の中に入れてもよい。ボトムプラグ１０５がランディングカラー１１０に到達した後、セメント組成物３０がボトムプラグ１０５を通過できるように、ダイヤフラムまたは他の好適な装置を破裂させる必要がある。図３では、ボトムプラグ１０５がランディングカラー１１０の上部に示されている。図示の実施形態では、トッププラグ１１５がセメント組成物３０の後に坑井孔５０の中へ入れられてもよい。トッププラグ１１５は、セメント組成物３０を置換流体１２０から分離できると共に、セメント組成物３０をボトムプラグ１０５から押し出すこともできる。
【００４４】
本明細書の例示的な高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、直接的または間接的に、１つ以上の成分に、または高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾラン及び関連するセメント組成物の調製、移送、回収、リサイクル、再使用、及び／または廃棄に関係する装置の１つ１つに、影響を与える場合がある。例えば、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、直接的または間接的に、例示した高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾラン及びこれを含有する流体の生成、貯蔵、観察、調整、及び／または再生に使用される、１つ以上のミキサー、関連する混合装置１５、泥溜め、貯蔵設備もしくはユニット、組成物分離装置、熱交換器、センサー、ゲージ、ポンプ、コンプレッサーなどに影響を与える場合がある。開示した高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、直接的または間接的に、例えば高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを１つの場所から他の場所へ組成物状で動かすために使用される任意の輸送容器、導管、パイプライン、トラック、管、及び／またはパイプなどの、坑井現場へもしくは坑底へ高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランを運ぶために使用される任意の輸送装置または移送装置、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランまたはこれを含有する流体を動かすために使用される任意のポンプ、コンプレッサー、もしくはモーター（例えば上部または坑底）、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾラン（またはこれを含有する流体）の圧力もしくは流速を制御するために使用される任意のバルブもしくは関連するジョイント、任意のセンサー（すなわち圧力及び温度）、ゲージ、及び／またはこれらの組み合わせなどに影響を与える場合もある。開示した高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランは、直接的または間接的に、坑井孔ケーシング７０、坑井孔ライナー、仕上ストリング、インサートストリング、ドリルストリング、コイルドチュービング、スリックライン、ワイヤーライン、ドリルパイプ、ドリルカラー、マッドモーター、ダウンホールモーター及び／またはポンプ、セメントポンプ、地表設置モーター及び／またはポンプ、セントラライザー８０、ターボライザー、スクラッチャー、フロート（例えばシュー、カラー、バルブ等）、検層工具、及び関連する遠隔装置、アクチュエータ（例えば電気機械式装置、油圧機械式装置等）、スライディングスリーブ、生産スリーブ、プラグ、スクリーン、フィルター、流量制御装置（例えば流入制御装置、自律流入制御装置、流出制御装置等）、連結器（例えば電気油圧式ウエットコネクト、ドライコネクト、誘導結合器等）、制御ライン（例えば電気式、光ファイバー式、油圧式等）、監視ライン、ドリルビット及びリーマー、センサーもしくは分散型センサー、ダウンホール熱交換器、バルブ及び関連する作動装置、工具シール、パッカー、セメントプラグ、ブリッジプラグ、並びに他の坑井孔分離装置または構成要素など（ただしこれらに限定されない）の、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランと接触する可能性がある様々なダウンホール設備及び工具に影響を与える場合もある。
実施例
【００４５】
本発明をより理解しやすくするため、複数の好ましい実施形態である以下の実施例が示される。これらの実施例は本発明の範囲を限定または定義するために解釈すべきではない。
実施例１
【００４６】
以降の一連の試験は、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランとポルトランドセメントとを含有するセメント組成物の機械特性を評価するために行われた。重量比１：１で混合された耐火れんがグロッグとクラスＧのポルトランドセメントとを含み、７０％ｂｗｏｃの量で水を有する、密度１６．６ｌｂｓ／ｇａｌのセメント組成物試料（設計試料１）を調製した。耐火れんがグロッグはＡｌｓｅｙ  Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｉｅｓ  Ｃｏ．から入手可能なハイデューティー耐火れんがグロッグであった。耐火れんがグロッグの粒径分析は、１６０ミクロンのｄ５０を示した。このセメント組成物試料は、４０００ｒｐｍで撹拌しながらブレンダーピッチャー中の水にポルトランドセメントを添加した後、得られたスラリーに耐火れんがグロッグを４０００ｒｐｍで添加することによって調製した。固体の添加が完了した後、スラリーを４０００〜６０００ｒｐｍで１分間、ブレンダー中で撹拌した。その後、スラリーを２”×４”の円筒状の硬化鋳型に移し、密封し、１９０°Ｆの水浴の中に置いた。試料を周囲条件、１９０°Ｆで２４時間及び７日間硬化させ、その後圧縮強度の測定のために取り出した。別の一組の試料を１９０°Ｆで２４時間硬化させ、次いでオートクレーブへ移し、２０００ｐｓｉで７日間、５５０°Ｆで更に硬化させた。凝結後、ＡＰＩ  ＲＰ  １０Ｂ−２に従って機械プレスを用いて破壊圧縮強度を決定した。
【００４７】
これらの試験の結果（表３）は、強度戻りが高温で生じなかったことを示している。示されているように、１９０°Ｆ、周囲条件での２４時間後の圧縮強度は１５３３ｐｓｉであり、１９０°Ｆでの７日後の圧縮強度は３３６３ｐｓｉであった。興味深いことに、７日間５５０°Ｆに曝した試料では、ポルトランドセメントで見込まれているようなこのような高温での強度の低下は生じなかった。下の表中のデータは各試料について２回行った試験の平均である。
表3. 試料1 圧縮強度試験
0006266787.tif 000004
【００４８】
ＸＲＤ回折パターンに基づくＸＲＤ組成分析（表４）は、高温（５５０°Ｆ）で硬化すると、より低い温度（１９０°Ｆ）で凝結させたものと比較して、セメント組成物中の組成が変化することを示した。示されているように、低温でのＸＲＤ分析では、ポルトランダイト及び少量のポルトランドセメント由来の他の材料の存在のみならず、かなりの量のムライトの存在が示された。しかし、５５０°Ｆで硬化した場合、ほとんどのムライトが消費され、アルミノケイ酸カルシウムのヒブシュ柘榴石及び加藤柘榴石が主成分として形成された。コランダムの量も高温試料で増加し、ポルトランダイトは存在しなかった。試料組成物中に耐火れんがグロッグが存在することによって生成する種が存在する。
表4. 硬化した試料1のXRD分析
0006266787.tif 000005
実施例２
【００４９】
以降の一連の試験は、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランとセメントキルンダストとを含有するセメント組成物の機械特性を評価するために行われた。重量比１：１で混合された耐火れんがグロッグとセメントキルンダストとを含み、セメントキルンダストの重量基準で５５％の水を有する、密度１６．２ｌｂｓ／ｇａｌのセメント組成物試料（設計試料２）を調製した。耐火れんがグロッグはＡｌｓｅｙ  Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｉｅｓ  Ｃｏ．から入手可能なハイデューティー耐火れんがグロッグであった。耐火れんがグロッグの粒径分析は、１６０ミクロンのｄ５０を示した。セメントキルンダストはＨｏｌｃｉｍ（米国）Ａｄａセメントプラントから供給された。このセメント組成物試料は、瓶の中で耐火れんがグロッグとセメントキルンダストとを乾式混合した後、この乾燥ブレンド物を４０００ｒｐｍで撹拌しながらブレンダーピッチャー中の水に添加することによって調製した。乾燥ブレンド物と水とを混合しつつ、ポリカルボン酸系分散剤（ＢＡＳＦ  Ｇｌｏｂａｌ  Ｏｉｌｆｉｅｌｄ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓから入手可能なＬｉｑｕｉｍｅｎｔ（登録商標）５５８１Ｆ）を添加して、混合及び固体の濡れを促した。固体の添加が完了した後、スラリーを４０００〜６０００ｒｐｍで１分間、ブレンダー中で撹拌した。その後、スラリーを２”×４”の円筒状の硬化鋳型に移し、密封し、１９０°Ｆの水浴の中に置いた。試料を周囲条件、１９０°Ｆで２４時間及び７日間硬化させ、その後圧縮強度の測定のために取り出した。別の一組の試料を１９０°Ｆで２４時間硬化させ、次いでオートクレーブへ移し、２０００ｐｓｉで７日間、５５０°Ｆで更に硬化させた。凝結後、ＡＰＩ  ＲＰ  １０Ｂ−２に従って機械プレスを用いて破壊圧縮強度を決定した。
【００５０】
これらの試験の結果は下の表５に示されている。示されているように、１９０°Ｆ、周囲条件での２４時間後の圧縮強度は１９３９ｐｓｉであり、１９０°Ｆでの７日後の圧縮強度は４１４７ｐｓｉであった。興味深いことに、この結果は７日間５５０°Ｆに曝した試料は１９０°Ｆで２４時間硬化させた試料よりも低い圧縮強度を有さなかったことを示している。データは各試料について２回行った試験の平均である。
表5. 試料2 圧縮強度試験
0006266787.tif 000006
【００５１】
これらの組成物を更に評価するため、耐火れんがグロッグとセメントキルンダストとを含有する別のセメント組成物試料（設計試料３）に対して、試料を破壊することによる圧縮強度だけでなく、Ｆａｎｎ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＵＣＡTM超音波セメント分析計を用いた試験を行った。セメント組成物試料は、１５．７ｌｂｓ／ｇａｌの密度を有しており、６５％ｂｗｏｃキルンダストの量の水と共に、重量比１：１で混合された耐火れんがグロッグとセメントキルンダストを含んでいた。セメント組成物試料を上述のように調製し、スラリーの半分をＵＣＡTM超音波セメント分析計に移し、残り半分を１”×２”の硬化用の真鍮製円筒状鋳型に移した。真鍮製円筒状鋳型の中の試料を密封し、２４時間または７日間のいずれかの間、１９０°Ｆの水浴の中に置いた。その後、ＡＰＩ  ＲＰ  １０Ｂ−２に従って機械プレスを用いて破壊し、破壊圧縮強度を決定した。ＵＣＡTM超音波セメント分析計の中に置かれた試料の試験条件は５００°Ｆ及び３００ｐｓｉであった。圧縮強度の発現はＵＣＡTM超音波セメント分析計で７日間モニタリングされ、その後セメント試料組成物を取り出してＡＰＩ  ＲＰ  １０Ｂ−２に従って機械プレスを用いて破壊し、圧縮強度を決定した。
【００５２】
これらの追加的な試験の結果（表６）は、高温に曝した試料に強度戻りが起こらなかったことを示している。示されているように、真鍮製円筒状鋳型で試験した試料の１９０°Ｆ、周囲条件での２４時間後の圧縮強度は１０２１ｐｓｉであり、１９０°Ｆでの７日後の圧縮強度は３１８３ｐｓｉであった。上の表５と対照的なこれら試料の低い圧縮強度は、含水量の増加によるものである可能性がある。ＵＣＡTM超音波セメント分析計の測定結果は、破壊測定とよく相関している。ＵＣＡTM超音波セメント分析計の２４時間の測定結果は１３８２ｐｓｉであり、ＵＣＡTM超音波セメント分析計からのセメント試料組成物を７日後に破壊すると３３５１ｐｓｉであった。また、ＵＣＡTM超音波セメント分析計中のセメント組成物試料は急速に強度を増し、４３分で５０ｐｓｉ、３時間１７分で５００ｐｓｉに達した。更に、圧縮強度のプロファイルは５００°Ｆでの７日間の試験期間を通じて強度の低下を示さなかった。図４はＵＣＡTM超音波セメント分析計を用いた試験についての圧縮強度発現のプロット示している。
表6. 試料3 圧縮強度試験
0006266787.tif 000007
1 UCATM超音波セメント分析計上の試料についての7日間圧縮強度は、分析計から試料を取り出した後、機械プレスを用いて決定された破壊強度である。
【００５３】
ＸＲＤ回折パターンに基づくＸＲＤ組成分析（表７）は、試料２及び試料３共に主成分としてムライト、コランダム、及び方解石を有していることを示した。示されているように、高温（５５０°Ｆ）で処理された両方の試料でかなりの量の高温アルミノケイ酸カルシウム相（トバモライト）が形成される。ムライトとコランダムは、これらの高温安定性のため全ての温度範囲にわたって存在しており、５５０°Ｆでもほとんど失われない。方解石の存在はセメントキルンダストに由来する。試料２と比較して試料３で特定の種が存在しないのは、セメントキルンダスト固有のばらつきによるものであると説明できる。試料２と３にはポルトランダイトとアモルファスＣＳＨのいずれも存在しないことも注目すべきである。全体的に見て、トバモライトの形成を除いては、高温で硬化しても試料はほとんど変化しないままであった。
表7. 硬化した試料2及び3のXRD分析
0006266787.tif 000008
【００５４】
簡潔化のために、特定の範囲のみが本明細書に明示的に開示されている。しかしながら、明示的に列挙されていない範囲を列挙するために、任意の下限からの範囲を任意の上限と組み合わせることができ、また明示的に列挙されていない範囲を列挙するために、任意の下限からの範囲を任意の他の下限と組み合わせることができ、同様に、明示的に列挙されていない範囲を列挙するために、任意の上限からの範囲を任意の他の上限と組み合わせることができる。更に、下限及び上限を有する数値範囲が開示されている場合は、その範囲に含まれる任意の数値及び任意の包含される範囲が具体的に開示されている。特に、本明細書で開示される値の全ての範囲（「約ａから約ｂ」、または等価的な「おおよそａからｂ」、または等価的な「おおよそａ〜ｂ」の形態）は、明示的に列挙されていなくても、値のより広い範囲に包含される全ての数値及び範囲を意味すると理解されるべきである。したがって、各点または個々の値は、明示的に列挙されていない範囲を列挙するために、任意の他の点もしは個々の値、または任意の他の下限もしくは上限と結びついて、独自の下限もしくは上限としての役割を果たすことができる。
【００５５】
したがって、本発明は述べられている目的及び利点を達成するためのみならず、それに内在されるものを達成するためにもよく適している。本発明は、本明細書の教示の利益を有する当業者にとって明白な、異なるが均等な方法に修正または実施でき、上に開示した具体的な実施形態は例示的なものに過ぎない。個別の実施形態について論じられているが、本発明はこれら全ての実施形態の全ての組み合わせを網羅している。更に、以下の請求項で記載されているもの以外に、本明細書で示した構造または設計の詳細に限定することは意図されていない。また、請求項の中の用語は、特許権者によって明示的にかつ明確に定義されていない限り、普通の、通常の意味を有する。したがって、上に開示された具体的な例示的実施形態を変更または修正することができ、また全てのそのようなバリエーションが本発明の範囲及び趣旨に含まれるとみなされることは明白である。本明細書と、参照によって本明細書に包含されてもよい１つ以上の特許もしくは他の文書とに、単語もしくは用語の使用法において何らかの矛盾が存在する場合には、本明細書と一致する定義が採用されるものとする。
本発明の好ましい態様は、下記の通りである。
〔１〕セメントキルンダスト、ポルトランドセメント、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される成分と、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランと、水とを含有するセメント組成物を地下層に導入すること、並びに、
前記セメント組成物を凝結させること、
を含むセメンチング方法。
〔２〕前記成分が前記ポルトランドセメントを含む、前記〔１〕に記載の方法。
〔３〕前記成分が前記セメントキルンダストを含む、前記〔１〕または〔２〕に記載の方法。
〔４〕前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランが、耐火れんが、耐火れんがグロッグ、耐火モルタル、耐火粘土、ムライト、溶融ムライト、及びこれらの任意の組み合わせから選択される化合物を含有する、前記〔１〕〜〔３〕のいずれか１項に記載の方法。
〔５〕前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランが、前記成分の約５０重量％〜約１５０重量％の量で存在する、前記〔１〕〜〔４〕のいずれか１項に記載の方法。
〔６〕前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランが約３０重量％以上の量のムライトを含有し、前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランが約１０重量％以上の量のコランダムを含有し、前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランがアモルファス材料を実質的に含まない、前記〔１〕〜〔５〕のいずれか１項に記載の方法。
〔７〕前記セメント組成物が、発泡剤、強度戻り添加剤、凝結促進剤、凝結遅延剤、軽量化剤、ガス発生剤、機械特性増強剤、逸泥防止剤、流体損失制御剤、発泡剤、消泡剤、チクソトロピー付与剤、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される少なくとも１種の添加剤を更に含有する、前記〔１〕〜〔６〕のいずれか１項に記載の方法。
〔８〕前記セメント組成物が、地下層の中に配置されたパイプストリングと、坑井孔の壁もしくは前記地下層に配置されたより大きい導管と、の間の坑井孔アニュラスに導入される、前記〔１〕〜〔７〕のいずれか１項に記載の方法。
〔９〕前記セメント組成物が一次セメンチング作業で使用される、前記〔１〕〜〔８〕のいずれか１項に記載の方法。
〔１０〕前記セメント組成物が補修セメンチング作業で使用される、前記〔１〕〜〔８〕のいずれか１項に記載の方法。
〔１１〕前記セメント組成物が、１台以上のポンプを使用してケーシングを通り坑井孔アニュラスへと導入される、前記〔１〕〜〔１０〕のいずれか１項に記載の方法。
〔１２〕前記セメント組成物が約１２１℃（約２５０°Ｆ）以上の温度で凝結させられる、前記〔１〕〜〔１１〕のいずれか１項に記載の方法。
〔１３〕セメントキルンダスト、ポルトランドセメント、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される成分と、
高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランと、
水と、
を含有するセメント組成物。
〔１４〕前記成分が前記ポルトランドセメントを含む、前記〔１３〕に記載の組成物。
〔１５〕前記成分が前記セメントキルンダストを含む、前記〔１３〕または〔１４〕に記載の組成物。
〔１６〕前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランが、耐火れんが、耐火れんがグロッグ、耐火モルタル、耐火粘土、ムライト、溶融ムライト、及びこれらの任意の組み合わせから選択される化合物を含有する、前記〔１３〕〜〔１５〕のいずれか１項に記載の組成物。
〔１７〕前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランが、前記成分の約５０重量％〜約１５０重量％の量で存在する、前記〔１３〕〜〔１６〕のいずれか１項に記載の組成物。
〔１８〕前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランが約３０重量％以上の量のムライトを含有し、前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランが約１０重量％以上の量のコランダムを含有し、前記高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランがアモルファス材料を実質的に含まない、前記〔１３〕〜〔１７〕のいずれか１項に記載の組成物。
〔１９〕前記セメント組成物が、発泡剤、強度戻り添加剤、凝結促進剤、凝結遅延剤、軽量化剤、ガス発生剤、機械特性増強剤、逸泥防止剤、流体損失制御剤、発泡剤、消泡剤、チクソトロピー付与剤、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される少なくとも１種の添加剤を更に含有する、前記〔１３〕〜〔１８〕のいずれか１項に記載の組成物。
〔２０〕セメントキルンダスト、ポルトランドセメント、及びこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される成分と、高アルミナ質耐火性アルミノケイ酸塩ポゾランと、水とを含有するセメント組成物、
前記セメント組成物を混合するための混合装置、並びに
前記セメント組成物を坑井孔へ移送するためのポンプ装置、
を含む坑井セメンチングシステム。
〔２１〕前記セメント組成物が、前記〔１３〕〜〔１８〕のいずれか１項に規定の特徴の１つ以上を有する、前記〔２０〕に記載のシステム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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