СОЕДИНЕНИЯ С РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СКВАЖИННЫХ ОБРАБАТЫВАЮЩИХ КОМПОЗИЦИЙ
CONNECTION WITH RARE-EARTH ELEMENTS FOR IMPROVEMENT OF CHARACTERISTICS OF WELL PROCESSING COMPOSITIONS

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[1] Настоящая заявка испрашивает приоритет на основании патентной заявки США № 14/918637, поданной 21 октября 2015 г., которая во всей полноте введена в настоящий документ посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[2] Данное изобретение относится к скважинным обрабатывающим композициям, содержащим соединения с редкоземельными элементами, и к способам применения таких композиций в скважинном цементировании и буровых работах.
[3] Скважинные обрабатывающие композиции применяются в различных целях, например, для бурения, цементирования и вытеснения жидкости.  Плотность или масса на единицу объема часто оказывается критическим показателем, устанавливающим различие в эффективности разных обрабатывающих композиций в осуществлении различных функций. Например, плотность может придавать стабильность стволу скважины путем повышения давления, прилагаемого буровым раствором к поверхности пласта.  Аналогично, при таких обстоятельствах важно управлять плотностью цементной суспензии для сохранения должного управления скважиной путем регулирования гидростатического давления цементной колонны. Гидростатическое давление предотвращает неконтролируемый выход сжатых флюидов из пластового резервуара в скважину. Для регулирования плотности буровых растворов и цементных суспензий в прошлом использовали утяжелители, такие как барит, кальцит и гематит.  В связи с широким применением утяжелителей в скважинах в отрасли существует потребность в альтернативных экономически эффективных материалах.  Дополнительным преимуществом может быть способность альтернативных утяжелителей придавать обрабатывающим композициям дополнительные полезные механические или химические свойства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[4] Способ цементирования ствола скважины, включающий закачку в ствол скважины цементной суспензии, содержащей соединение с редкоземельным элементом, водный носитель и цементный компонент; создание возможности схватывания суспензии.
[5] Способ вытеснения первого флюида из ствола скважины, включающий закачку первого флюида в ствол скважины; и вытеснение первого флюида буферной жидкостью, содержащей: носитель, соединение с редкоземельным элементом в качестве утяжелителя и добавку, содержащую один или более из следующих компонентов: загуститель; поверхностно-активное вещество; утяжелитель, не являющийся соединением с редкоземельным элементом; смазку; понизитель водоотдачи; реагент, предотвращающий набухание глин; биоцид; кислоту; ингибитор коррозии; или раскислитель.
[6] Способ бурения ствола скважины в подземном пласте, включающий прокачку бурового раствора по замкнутой системе в подземном пласте; при этом буровой раствор содержит соединение с редкоземельным элементом.
[7] Скважинная обрабатывающая композиция содержит соединение с редкоземельным элементом, причем обрабатывающая композиция представляет собой цементную суспензию, буровой раствор или буферную жидкость.
[8] В способах и композициях, раскрытых в настоящем документе, соединение с редкоземельным элементом содержит один или более из следующих элементов: скандий; иттрий; лантан; церий; празеодим; неодим; прометий; самарий; лютеций; европий; гадолиний; тербий; диспрозий; гольмий; эрбий; тулий; или иттербий.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[9] На фигуре изображен процент расширения цемента при атмосферном давлении как функция времени отверждения для составов, содержащих EC1 и оксид цезия (IV), соответственно.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[10] Было обнаружено, что соединения с редкоземельными элементами, описанные в настоящем документе, придают желательные свойства многим скважинным обрабатывающим композициям, таким как цементные суспензии, буровые растворы или буферные жидкости.  Желательные свойства включают высокую относительную плотность, который дает возможность использовать меньше материала для достижения заданной плотности и создавать более высокую максимальную плотность.  Соединения с редкоземельными элементами также обладают способностью объемно расширяться, что может уменьшать проблемы микрозазоров и контролировать миграцию газа и приток мелких вод.  Полезно, что соединения с редкоземельными элементами оказывают благоприятное воздействие на одно или более из механических свойств, включая прочность на сжатие, прочность на растяжение, модуль Юнга, коэффициент Пуассона и прочность связи при сдвиге.
[11] В одном варианте реализации изобретения в настоящем документе раскрыта скважинная обрабатывающая композиция, содержащая соединение с редкоземельным элементом.  Соединение с редкоземельным элементом содержит один или более из следующих элементов: скандий; иттрий; лантан; церий; празеодим; неодим; прометий; самарий; лютеций; европий; гадолиний; тербий; диспрозий; гольмий; эрбий; тулий; или иттербий, предпочтительно, соединение с редкоземельным элементом содержит церий или лантан.
2
2
3
[12] Соединение с редкоземельным элементом присутствует в виде оксидов, галоидов, гидроксидов, карбонатов, сульфатов, нитратов, ацетатов или комбинации, содержащей, по меньшей мере, одно из вышеперечисленных соединений.  В одном варианте реализации изобретения соединение с редкоземельным элементом включает одно или более из следующих веществ: оксид церия; хлорид церия; бромид церия; гидроксид церия; карбонат церия; сульфат церия; нитрат церия; нитрат аммония-церия; или ацетат церия. Особо упоминаются оксид церия, гидроксид церия (также упоминаемый как гидроокись церия) и хлорид церия.  Композиция может включать два или более соединений с редкоземельными элементами.  Такие соединения могут содержать одинаковые или различные редкоземельные элементы и могут иметь переменную валентность или степени окисления.  Например, в случаях, когда соединение с редкоземельным элементом содержит оксид церия, соединение может содержать один или более оксидов церия, таких как CeO (IV) и CeO (III).  Соединение, содержащее редкоземельный элемент, имеет относительную плотность от около 5 до около 10 или от около 5 до около 8.
[13] В одном варианте реализации изобретения скважинная обрабатывающая композиция представляет собой цементную суспензию, содержащую водный носитель, цементный компонент и соединение с редкоземельным элементом.
[14] Водный носитель присутствует в цементных суспензиях в количестве от около 10 % до около 60 % по массе, более предпочтительно, в количестве от около 20 % до около 40 % по массе относительно общей массы цементной суспензии.  Водный флюид-носитель может представлять собой пресную воду, минерализованный раствор (включая морскую воду), водный раствор основания или комбинацию, содержащую по меньшей мере одно из вышеперечисленного.
2
2
2
2
2
2
2
2
4
[15] Минерализованный раствор может представлять собой, например, морскую воду, добытую воду, жидкость заканчивания скважин или комбинацию, содержащую по меньшей мере одно из вышеперечисленного.  Свойства минерализованного раствора могут зависеть от назначения и компонентов минерализованного раствора.  Морская вода, например, может содержать многочисленные составляющие, включая сульфат, бром и следовые металлы, помимо обычных галоидсодержащих солей.  Добытая вода может представлять собой воду, извлеченную из пластового резервуара (например, углеводородного резервуара) или полученную из подземного резервуара-источника пресной воды или солоноватой воды.  Добытая вода может также упоминаться как пластовый минерализованный раствор и содержать компоненты, включающие барий, стронций и тяжелые металлы.  Помимо природных минерализованных растворов (например, морская вода и добытая вода), жидкость заканчивания скважин может быть произведена из пресной воды путем добавления различных солей, например, KCl, NaCl, ZnCl, MgCl или CaCl для повышения плотности минерализованного раствора, например, до 1,39 кг/л (11,6 ф./галлон) в случае раствора CaCl.  Жидкости заканчивания скважин обычно создают гидростатическое давление, оптимизированное для компенсации забойных пластовых давлений.  Описанные выше минерализованные растворы могут быть модифицированы введением одной или более дополнительных солей.  Дополнительные соли, введенные в минерализованный раствор, могут представлять собой NaCl, KCl, NaBr, MgCl, CaCl, CaBr, ZnBr, NHCl, формиат натрия, формиат цезия и комбинации, содержащие по меньшей мере одно из вышеперечисленного.  Соль NaCl может присутствовать в минерализованном растворе в количестве от около 0,5 до около 25 массовых процентов (% мас.), конкретно, от около 1 до около 15% мас. и, более конкретно, от около 3 до около 10% мас., относительно массы носителя.
[16] Цементный компонент цементной суспензии может представлять собой любой вяжущий материал, который схватывается и затвердевает в результате реакции с водой и пригоден для образования схватившегося цемента в скважине, включая жидкий цементный раствор и бетон.  Подходящие цементные компоненты включают те, которые обычно используются в окружающей скважину среде, например, те, которые содержат кальций, алюминий, кремний, кислород и/или серу.  Такие цементы включают, но не ограничены ими, портланд-цементы, пуццолановые цементы, гипсоцементы, высокоглиноземистые цементы, кремнеземистые цементы и высокощелочные цементы или их комбинации.  Особенно полезны портланд-цементы.  В некоторых вариантах реализации изобретения, подходящие для использования портланд-цементы классифицированы как цементы Класса A, B, C, G и H, в соответствии с классификацией Американского института нефти, API SpecificationforMaterialsandTestingforWellCements, и портланд-цементы ASTM, классифицированные как Тип I, II, III, IV и V. В данном изобретении, цементы могут также включать различные бетоны путем дальнейшего добавления заполнителей, таких как крупный заполнитель из гравия или дробленого камня, такого как кремнистый известняк, кварцит, гранит, и/или мелкий заполнитель, такой как песок или дробленый песок.  Заполнитель может быть добавлен в количестве от около 10 % до около 70 % по массе гидравлического цемента и, более конкретно, от около 20 % до около 40 % по массе.
[17] Цементный компонент может присутствовать в суспензии в количестве от около 50 до около 95 % мас., предпочтительно, от около 60 до около 90 % мас., более предпочтительно, от около 65 до около 85 % мас. относительно общей массы цементной суспензии.
[18] Соединение с редкоземельным элементом присутствует  в суспензии в количестве более чем 0 % мас. и менее чем около 50 % мас., более чем около 5 % мас. и менее чем около 50 % мас., более чем около 10 % мас. и менее чем около 50 % мас., от более чем около 5 % мас. до менее чем около 40 % мас. или от более чем около 10 % мас. до около менее чем около 30 % мас. относительно общей массы цементной суспензии.
о
[19] Цементные суспензии могут дополнительно содержать другие известные компоненты, используемые в цементировании, например, ускоритель схватывания для сокращения времени схватывания, замедлитель схватывания для увеличения временисхватывания, понизитель водоотдачи, расширитель для снижения плотности, вспенивающий агент для снижения плотности, утяжелитель для повышения плотности, диспергатор для снижения вязкости, другие понизители водоотдачи, тиксотропные добавки, закупоривающий агент или материал для борьбы с поглощениями (например, гильсонит или чешуйки целлофана), силикатные материалы, такие как песок, кварцевая мука, высокодисперсный кремнезем, которые упрочняют цемент, а также создают защиту от эффектов снижения прочности при температурах выше 110С (230ºF), реагент, предотвращающий набухание глин, или комбинацию, содержащую по меньшей мере одно из вышеперечисленного.  Эти дополнительные компоненты выбирают, чтобы избежать придания цементным суспензиям нежелательных характеристик и предотвратить повреждение ствола скважины или подземного пласта.  Каждая добавка может присутствовать в количествах, хорошо известных специалистам в данной области техники.
[20] Ускорители схватывания включают соединения, такие как триэтаноламины, хлорид кальция, хлорид калия, хлорид натрия, формиат натрия, нитрат натрия и другие галиды, формиаты, нитраты и сульфаты щелочных и щелочноземельных металлов.
2-12
[21] Замедлители схватывания включают соединения, такие как гидроксикарбоновые кислоты и их соли, такие как виннокислый натрий, лимоннокислый натрий, глюконат натрия, итаконат натрия, винная кислота, лимонная кислота и глюконовая кислота, лигносульфонаты, сахариды, полисахариды, фосфатоорганические соединения, такие как C алкиленфосфоновые кислоты, соли, такие как хлорид натрия, и оксиды цинка и свинца и т. п.
[22] Расширители включают заполнители низкой плотности, глины, такие как гидратированные алюмосиликаты (например, бентонит (85 % минеральной глины смектит), пуццолан (тонкоизмельченная пемзазольнойпыли), диатомовая земля, кремнезем, например, α кварц и кремнезем, конденсированныйиз тонкой кремнеземной пыли, вспученный перлит, гильсонит, пылевидныйуголь и т. п.
[23] Водный флюид-носитель суспензии может быть вспенен жидким углеводородом или газом, или сжиженным газом, таким как азот или воздух.  Флюид может быть дополнительно вспенен введением негазообразного вспенивающего агента.  Негазообразный вспенивающий агент может быть амфотерным, катионным или анионным.  Подходящие амфотерные вспенивающие агенты включают алкилбетаины, алкилсултаины и алкилкарбоксилаты.  Подходящие анионные вспенивающие агенты могут включать алкилэфирсульфаты, этоксилированныеэфирсульфаты, сложные эфиры фосфорной кислоты, алкилэфирфосфаты, этоксилированные сложные эфиры спирта и фосфорной кислоты, алкилсульфаты и альфа-олефин сульфонаты.  Подходящие катионные вспенивающие агенты могут включать четвертичные алкил-содержащие аммониевые соли, алкилбензил-содержащие четвертичные аммониевые соли и алкил-амидо-амин-содержащие четвертичные аммониевые соли.  Пеносостав используется, главным образом, в пластах с низким давлением или в водо-восприимчивых пластах.  Возможно использование смеси вспенивающих и стабилизирующих пену диспергаторов.  В общем случае, смесь можно вводить в цементные суспензии в количестве от около 1 % до около 5 % от объема воды в цементной суспензии.
[24] Утяжелители представляют собой тонкоизмельченные твердые материалы с высокой относительной плотностью, которые используются для повышения плотности.  Соединение с редкоземельным элементом может быть единственным утяжелителем, присутствующим в цементной суспензии.  Альтернативно, соединения с редкоземельными элементами могут использоваться вместе с другими утяжелителями, такими как кварцевая мука, зольная пыль, карбонат кальция, барит, гематит, ильменит, сидерит и т. п.
[25] Примеры подходящих диспергаторов включают, но не ограничиваются ими, конденсаты нафталинсульфонат-формальдегида, конденсаты ацетон-формальдегид-сульфита и производные глюкан-дельта-лактона.  В зависимости от необходимых применений, могут использоваться также другие диспергаторы.
[26] Могут присутствовать понизители водоотдачи, например латекс, латексные сополимеры, неионные, водорастворимые полимеры и сополимеры, такие как гуаровые смолы и их производные, поли(этиленимин), производные целлюлозы и полистиролсульфонат.
2
[27] Реагенты, предотвращающие набухание глин, предотвращают набухание глины в забое при контакте с водой или приложенном давлении разрыва и могут представлять собой, например, четвертичный амин, минерализованный раствор (например, минерализованный раствор KCl), холинхлорид, хлорид тетраметиламмония или т. п.  Реагенты, предотвращающие набухание глин, включают также различные соли, такие как NaCl, CaCl и KCl, которые при низких концентрациях действуют также как общие ускорители, сокращающие время схватывания цементной суспензии.
-1
[28] Суспензия пригодна к перекачке насосом.  Поддающаяся перекачке цементная суспензия может иметь вязкость менее чем 1000 мПа-сек при скорости сдвига 100 сек.  Цементная суспензия является цементной суспензией низкой плотности или цементной суспензией высокой плотности.  Хотя плотность цементной суспензии низкой плотности, такой как очищающая жидкость, может варьироваться в широком диапазоне, в зависимости от подземных условий, такие плотности могут включать от около 0,6 до около 1,44 кг/л  (5 - 12 ф./галлон) при вспенивании.  В отсутствие вспенивания плотность очищающей жидкости или цементной суспензии низкой плотности может варьироваться в диапазоне от около 1,08 до включительно около 1,8 кг/л (от около 9 до включительно около 15 ф./галлон), или от около 1,2 до около 1,68 кг/л (от около 10 до около 14 ф./галлон) или от около 1,32 до включительно около 1,56 кг/л (от около 11 до включительно около 13 ф./галлон).  Цементные суспензии высокой плотности могут иметь плотность от около 1,8 до около 3 кг/л (от около 15 до около 25 ф./галлон).
[29] В другом варианте реализации изобретения обрабатывающая композиция представляет собой буферную жидкость, в которой соединение с редкоземельным элементом присутствует в количестве, достаточном для достижения плотности от 1,02 до 2,88, от 1,2 до 2,64, от 1,8 до 3 [кг/л](от 8,5 до 24, от 10 до 22 или от 15 до 19 [ф./галлон]).  Например, соединение с редкоземельным элементом может присутствовать в количестве от 2,2 % до 77 %, от 19 % до 73 % или от 52 % до 66 % относительно общей массы буферной жидкости.
[30] Буферная жидкость может дополнительно содержать другие компоненты, которые, как известно, используются в буферных жидкостях, например, загуститель, поверхностно-активное вещество, утяжелитель, не являющийся соединением с редкоземельным элементом, смазку, понизитель водоотдачи, реагент, предотвращающий набухание глин, биоцид, кислоту, ингибитор коррозии, раскислитель, или комбинацию, содержащую по меньшей мере одно из вышеперечисленного.  Особо упоминается загуститель.  Эти дополнительные компоненты выбирают так, чтобы избежать придания буферной жидкости нежелательных характеристик и предотвратить повреждение оборудования, находящегося в контакте с буферной жидкостью и избежать повреждения ствола скважины или подземного пласта.
1-8
[31] Загуститель может представлять собой природные полимеры, такие как гуаровые смолы, производные гуара, такие как гидропропилгуар (HPG), карбоксиметилгуар (CMG) и карбоксимет-гидроксипропилилгуар (CMHPG), гидратируемые полисахариды с высокой молекулярной массой, ксантановую смолу (которая может необязательно быть сшитой), галактоманнановые смолы, глюкоманнановые смолы, целлюлозу, производные целлюлозы, такие как гидроксиэтилцеллюлоза (HEC), карбоксиметилцеллюлоза (CMC), гидроксипропилцеллюлоза (HPC) и карбоксиметилгидроксиэтилцеллюлоза (CMHEC); синтетические полимеры, такие как поли((мет)акриловые кислоты), поли((мет)акриламиды), сополимеры (мет)акриловой кислоты и (мет)акриламида, и C алкил поли(мет)акрилаты; или глины, такие как бентонит, сепиолит и аттапульгит, и т. п.; или комбинацию, содержащую по меньшей мере один из вышеперечисленных загустителей.
1-4
[32] Поверхностно-активные вещества могут увеличивать совместимость буферной жидкости и бурового раствора и/или цементной суспензии.  Поверхностно-активное вещество может быть анионным, катионным, цвиттерионным или неионным.  Другие полезные поверхностно-активные вещества включают те, которые имеют поли(алкиленгликолевые) боковые цепи, жирные кислоты или фторированные группы, такие как перфторированные Cсульфоновые кислоты, привитые к основной цепи полимера.  Основные цепи полимеров включают основанные на сложном полиэфире, поли(мет)акрилате, полистирол, поли(стирол-(мет)акрилате), поликарбонате, полиамиде, полиимиде, полиуретане, поливиниловом спирте или сополимере, содержащем по меньшей мере одну из этих основных цепей полимера.
[33] Смазки минимизируют трение и включают такие материалы, как полиакриламид, нефтяной дистиллят, гидрированный легкий нефтяной дистиллят, короткоцепочечный спирт (например, метанол) или полиол (например, этиленгликоль или глицерин-полиизобутилметакрилат, полиметилметакрилат, полиизобутилен, гуар, производные гуара, полисахариды, такие как целлюлоза и крахмал, и полиэтиленоксид, либо используется комбинация, содержащая по меньшей мере одно из вышеперечисленного.
[34] Понизители водоотдачи обычно представляют собой водорастворимые полимеры, такие как гуаровые смолы, поли(этиленимин), производные целлюлозы и полистиролсульфонат.  В некоторых вариантах реализации изобретения один и тот же полимер действует и как загуститель, и как понизитель водоотдачи.
[35] Реагент, предотвращающий набухание глин, и утяжелитель, не являющиеся соединениями с редкоземельными элементами, могут быть теми же самыми, что и применяемые в цементных суспензиях.
[36] Биоцид предотвращает внесение микробов (например, бактерий) под землю, уничтожая или сокращая количество бактерий в разделяющем флюиде, таким образом, сокращая производство, например, сернистого нефтяного газа.  Примеры биоцидов включают альдегиды, такие как глютаральдегид, окисляющие биоциды, такие как гипохлоритный белитель (например, гипохлорит кальция и гипохлорит лития), надуксусную кислоту, моноперсульфат калия, пероксимоносульфат калия, бромхлордиметилгидантоин, дихлорэтилметилгидантоин, хлоризоцианурат, трихлоризоциануровые кислоты, дихлоризоциануровые кислоты, хлорированные гидантоины и т. п., стабилизированный гипобромит натрия, активированный бромид натрия, бромированныегидантоины, диоксид хлора, озон, неорганические персульфаты, такие как персульфат аммония, или пероксиды, такие как перекись водорода, и органические пероксиды, и неокисляющие биоциды, такие как дибромнитрилопропионамид, тиоцианометилтиобензотиазол, метилдитиокарбамат, тетрагидродиметилтиадиазонтион, оксид трибутилолова, бромнитропропандиол, бромнитростирол, метилен бистиоцианат, хлорметилизотиазолон, метилизотиазолон, бензизотиазолон, додецилгуанидина гидрохлорид, полигексаметиленабигуанид, тетракис(гидроксиметил)фосфония сульфат, глютаральдегид, алкилдиметилбензил-аммония хлорид, дидецилдиметиламмония хлорид, поли[оксиэтилен-(диметилимино) этилен (диметилимино) этилен дихлорид], децилтиоэтанамин, тербутилазин, четвертичные аммониевые соли (например, имеющие жирную алкильную группу и три метильные группы) и четвертичные фосфониевые соли, имеющие метильные группы, гидроксиметильные группы или арильные группы.  Конкретные примеры биоцидов включают формальдегид, глиоксаль, фурфурал, акролеин, метакролеин, пропиональдегид, ацетальдегид, кротональдегид, пиридиниевыебиоциды, бензалкония хлорид, цетримид,  цетилтриметиламмония хлорид, бензэтония хлорид, цетилпиридиния хлорид, хлорфеноктияамзонат, деквалиния ацетат, деквалиния хлорид, домифена бромид, лауролиния ацетат, метилбензэтония хлорид, миристил-гамма-пиколиния хлорид, ортафония хлорид, триклобизония хлорид, алкилдиметилбензиламмония хлорид, кокодиамин, дазомет 1-(3-хлораллил)-хлорид.3,5,7-триаза-1-азония адамантан, либо используется комбинация, содержащая по меньшей мере одно из вышеперечисленных соединений.  В одном варианте реализации изобретения биоцид инкапсулирован или имеет покрытие.
[37] Носитель для буферной жидкости может быть тем же самым, что и для цементных суспензий.  Он может быть вспенен таким же образом, как флюид-носитель для цементных суспензий.
[38] Различные свойства буферных жидкостей можно изменять и можно приспосабливать в соответствии с параметрами управления скважиной и совместимости конкретного бурового раствора, цементной суспензии или другого выделенного флюида.  Например, вязкость буферной жидкости можно изменять в широком диапазоне, например, динамическая вязкость (AV) может варьироваться в диапазоне от около 0,9 мПа сек до около 200 мПа сек (от около 0,9 до около 200 сантипуаз).
[39] Плотность буферной жидкости может варьироваться в широком диапазоне.  В одном варианте реализации изобретения буферная жидкость тяжелее (имеет большую плотность), чем предшествующий флюид (например, буровой раствор плотностью 1,44 кг/л(12 ф./галлон), затем буферная жидкость плотностью 1,68 кг/л(14 ф./галлон) и затем цемент плотностью 1,92 кг/л(16 ф./галлон)).
[40] В одном варианте реализации изобретения обрабатывающая композиция представляет собой буровой раствор, в котором соединение с редкоземельным элементом присутствует в количестве от около 2,2 % до около 77 %, от около 19 % до около 73 % или от около 52 % до около 66 % относительно общей массы композиции.
[41] Соединение с редкоземельным элементом может использоваться в буровых растворах на нефтяной основе или в буровых растворах на водной основе.  В флюидах на нефтяной основе, твердые частицы суспендированы в нефти и вода или минерализованный раствор могут быть эмульгированы с нефтью. Нефть обычно представляет собой дисперсионную фазу. В флюидах на водной основе, твердые частицы суспендированы в воде или минерализованном растворе, и нефть может быть эмульгирована в воде. Вода обычно представляет собой дисперсионную фазу.
[42] Известные добавки, обычно применяемые в буровых растворах, включают, но не ограничиваются ими, глину, загустители, пеногасители, понизители водоотдачи, бентонит и формиат калия.
[43] Скважинные композиции могут использоваться в различных назначениях.  В одном варианте реализации изобретения цементная суспензия используется для формирования скважинных компонентов, включая различные обсадные элементы, уплотнения, пробки, пакеры, хвостовики и т. п.
[44] Пригодная для перекачивания или текучая цементная суспензия может быть приготовлена любым подходящим способом.  В типичном варианте реализации изобретения суспензию или смесь, содержащую соединение с редкоземельным элементом, цементный компонент и воду или водный носитель, соединяют с использованием обычного оборудования для смешивания цемента.  Затем цементную суспензию можно вводить, например, закачивать и помещать различными традиционными цементировочными насосами и инструментами в любое заданное место внутри ствола скважины для заполнения любой формы заданного контура.  Когда цементная суспензия помещена и приняла форму заданной подземной детали, суспензии дают возможность схватываться и образовывать постоянную форму базовой цементной детали, например, обсадного элемента или цементной пробки.
[45] Особенно полезен для цементирования ствола скважины способ, который включает введение, обычно закачкой, в ствол скважины цементной суспензии, содержащей соединение с редкоземельным элементом, под давлением, достаточным для вытеснения бурового раствора, например глинистого раствора, цементного буфера или т. п., необязательно с “первой порцией цементного раствора” или “последней порцией цементного раствора”.  Цементную суспензию можно ввести между проницаемой/разрушаемой нижней пробкой и монолитной верхней пробкой.  После помещения, цементной суспензии дают затвердеть и, в некоторых вариантах реализации изобретения она формирует цементную пробку в кольцевом пространстве ствола скважины, которая предотвращает поток пластовых флюидов между двумя или более проницаемыми геологическими формациями, который существует при неравных пластовых давлениях.  Обычно суспензия затвердевает в результате гидратации и загустевания цемента.  Как известно специалистам в данной области техники, существует высокая степень вариабельности в приведенном выше описании цементации скважины (например, множественные нижние пробки, постепенно изменяющиеся плотности флюидов и т. д.), и на нее можно воздействовать с использованием предварительно сформированных синтетических полимеров, описанных в настоящем документе.
[46] Буферную жидкость можно использовать для вытеснения другого флюида в стволе скважины.  Соответственно, способ вытеснения первого флюида из ствола скважины включает закачку первого флюида в ствол скважины; и вытеснение первого флюида буферной жидкостью.  Буферные жидкости можно использовать также в качестве буфера между двумя флюидами во время подземных работ. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения буферную жидкость закачивают в ствол скважины между первым флюидом и вторым флюидом. Первый флюид вытесняется буферной жидкостью, и затем буферная жидкость вытесняется вторым флюидом. Помимо прочего, буферные жидкости совместимы с флюидом, который они вытесняют, и со вторым флюидом, вытесняющим буферную жидкость, в том отношении, что отсутствуют нежелательные взаимодействия между буферной жидкостью и первым или вторым флюидом. В общем случае, первый флюид может быть любым флюидом, который буферная жидкость должна вытеснять, таким как буровые растворы. Второй флюид может быть любым флюидом, предназначенным для введения в ствол скважины, таким как цементные суспензии и т. п.
[47] Способ бурения ствола скважины в подземном пласте включает прокачку бурового раствора по замкнутой системе в подземном пласте. Траектория циркуляции бурового раствора обычно проходит от буровой установки вниз через бурильную колонну к торцу коронки и обратно вверх через кольцевое пространство между бурильной колонной и поверхностью призабойной зоны к устьевому отверстию скважины и/или райзеру, с возвратом к установке. Буровой раствор выполняет ряд функций в процессе циркуляции через ствол скважины, включая охлаждение и смазку буровой коронки, удаление из ствола скважины обломков выбуренной породы, содействие в поддержке буровой трубы и буровой коронки и создание гидростатического давления для сохранения целостности стенок ствола скважины и предотвращения неуправляемых выбросов. При необходимости буровой раствор также предотвращает вспучивание и обрушения ствола скважины при бурении через восприимчивые к воде пласты.
[48] Положительные эффекты, связанные с использованием соединений с редкоземельными элементами в скважинной обрабатывающей композиции, дополнительно проиллюстрированы на следующих примерах.
Примеры
Утяжелитель
[49] Как показано в Таблице 1, оксид церия (IV), использованный в испытаниях, имеет относительную плотность 7,2, что почти вдвое выше, чем у гематита (оксид железа), W-10 (оксид марганца) или барита (сульфат бария).   Соответственно, для достижения той же плотности суспензии, оксида церия (IV) требуется на 20% меньше, чем этих других утяжелителей, при аналогичной потребности в воде.
[50] Более высокие плотности достижимы при сохранении аналогичных требований, с массами до включительно 3 кг/л (25 ф./галлон), по сравнению с 2,4 кг/л(20 ф./галлон), рекомендуемых для W-10, и 2,64 кг/л(22 ф./галлон), рекомендуемых для гематита.
о
о
[51] Для исследования схватывания приготовили два образца.  Образец А содержал цемент Joppa H, 33 % w-10a, 0,08 л/сек(0,02 галлон/сек) FP-12L (пеногаситель, поставляемый компанией BakerHughesInc.) и 16,28 л/сек(4,3 галлон/сек) водопроводной воды и имел плотность 2,22 кг/л(18,5 ф./галлон).  Образец B содержал Joppa H, 26 % w-10a, 0,08 л/сек(0,02 галлон/сек) FP-12L и 16,28 л/сек(4,3 галлон/сек) водопроводной воды и имел плотность 2,22 кг/л(18,5 ф./галлон).  Испытания на схватывание проводили с использованием водяной бани 21,1С(70F) в течение 24 часов.  Результаты приведены в Таблице 2.  Как показано в Таблице 2, суспензия с оксидом церия (IV) была несколько лучше, чем с W-10a, после перемешивания, достижения 2,22 кг/л(18,5 ф./галлон) и испытания в осадительной трубке.
Таблица 1.
Таблица 2.
Расширяющая способность
[52] Испытания на расширение проводили на водяной бане с использованием кольцеобразных компенсаторов. Результаты приведены в Таблицах 3 и 4, а также на Фигуре в настоящем документе.
Таблица 3.
Таблица 4.
[53] Как показано в Таблицах 3, 4 и на Фигуре, оксид церия (IV) и хлорид церия (III) имели аналогичные способности к расширению по сравнению с EC-1 (расширяющая добавка для цемента, поставляемая компанией BakerHughesInc.).
[54] В настоящее раскрытие дополнительно включены следующие специфические варианты реализации изобретения, которые не обязательно ограничивают Формулу изобретения.
[55] Вариант реализации изобретения 1.  Способ цементирования ствола скважины, включающий закачку в ствол скважины цементной суспензии, содержащей соединение с редкоземельным элементом, водный носитель и цементный компонент; и создание возможности суспензии схватываться, причем соединение с редкоземельным элементом содержит один или более из следующих элементов: скандий; иттрий; лантан; церий; празеодим; неодим; прометий; самарий; лютеций; европий; гадолиний; тербий; диспрозий; гольмий; эрбий; тулий; или иттербий.
[56] Вариант реализации изобретения 2.  Способ по варианту реализации изобретения 1, отличающийся тем, что соединение с редкоземельным элементом содержит по меньшей мере один из элементов церий и лантан.
[57] Вариант реализации изобретения 3.  Способ по варианту реализации изобретения 2, отличающийся тем, что соединение с редкоземельным элементом содержит одно или более из следующих соединений: оксид церия; хлорид церия; бромид церия; гидроксид церия (гидрат); карбонат церия; сульфат церия; нитрат церия; нитрат аммония-церия; или ацетат церия.
[58] Вариант реализации изобретения 4.  Способ по любому одному из вариантов реализации изобретения от 1 до 3, отличающийся тем, что цементная суспензия содержит более чем нуль и менее чем около 50 % мас. соединения с редкоземельным элементом относительно общей массы цементной суспензии.
[59] Вариант реализации изобретения 5.  Способ вытеснения первого флюида из ствола скважины, включающий закачку первого флюида в ствол скважины; и вытеснение первого флюида буферной жидкостью, содержащей: носитель, соединение с редкоземельным элементом в качестве утяжелителя и добавку, содержащую один или более из следующих компонентов: загуститель; поверхностно-активное вещество; утяжелитель, не являющийся соединением с редкоземельным элементом; смазку; понизитель водоотдачи; реагент, предотвращающий набухание глин; биоцид; кислоту; ингибитор коррозии; или раскислитель; причем соединение с редкоземельным элементом содержит один или более из следующих элементов: скандий; иттрий; лантан; церий; празеодим; неодим; прометий; самарий; лютеций; европий; гадолиний; тербий; диспрозий; гольмий; эрбий; тулий; или иттербий.
[60] Вариант реализации изобретения 6.  Способ по варианту реализации 5, отличающийся тем, что первый флюид содержит буровой раствор.
[61] Вариант реализации изобретения 7.  Способ по варианту реализации 5 или 6, дополнительно включающий вытеснение буферной жидкости вторым флюидом.
[62] Вариант реализации изобретения 8.  Способ по варианту реализации 7, отличающийся тем, что второй флюид представляет собой цементную суспензию.
[63] Вариант реализации изобретения 9.  Способ по любому одному из вариантов реализации изобретения от 5 до 8, отличающийся тем, что соединение с редкоземельным элементом содержит по меньшей мере один из элементов церий и лантан.
[64] Вариант реализации изобретения 10.  Способ по любому одному из вариантов реализации изобретения от 5 до 9, отличающийся тем, что соединение с редкоземельным элементом содержит один или более из следующих соединений: оксид церия; хлорид церия; бромид церия; гидроксид церия (гидрат); карбонат церия; сульфат церия; нитрат церия; нитрат аммония-церия; или ацетат церия.
[65] Вариант реализации изобретения 11.  Способ по любому одному из вариантов реализации изобретения от 5 до 10, отличающийся тем, что буферная жидкость содержит более чем нуль и менее чем около 77 % мас. соединения с редкоземельным элементом относительно общей массы буферной жидкости.
[66] Вариант реализации изобретения 12.  Способ бурения ствола скважины в подземном пласте, включающий: прокачку бурового раствора по замкнутой системе в подземном пласте; при этом буровой раствор содержит соединение с редкоземельным элементом; причем соединение с редкоземельным элементом содержит один или более из следующих элементов: скандий; иттрий; лантан; церий; празеодим; неодим; прометий; самарий; лютеций; европий; гадолиний; тербий; диспрозий; гольмий; эрбий; тулий; или иттербий.
[67] Вариант реализации изобретения 13.  Способ по варианту реализации 12, отличающийся тем, что соединение с редкоземельным элементом содержит по меньшей мере один из элементов церий и лантан.
[68] Вариант реализации изобретения 14.  Способ по варианту реализации изобретения 12 или 13, отличающийся тем, что соединение с редкоземельным элементом содержит одно или более из следующих соединений: оксид церия; хлорид церия; бромид церия; гидроксид церия; карбонат церия; сульфат церия; нитрат церия; нитрат аммония-церия; или ацетат церия.
[69] Вариант реализации изобретения 15.  Способ по любому одному из вариантов реализации изобретения от 12 до 14, отличающийся тем, что буровой раствор содержит более чем нуль и менее чем около 77 % мас. соединения с редкоземельным элементом относительно общей массы бурового раствора.
[70] Вариант реализации изобретения 16.  Скважинная обрабатывающая композиция, содержащая соединение с редкоземельным элементом, которое содержит один или более из следующих элементов: скандий; иттрий; лантан; церий; празеодим; неодим; прометий; самарий; лютеций; европий; гадолиний; тербий; диспрозий; гольмий; эрбий; тулий; или иттербий; причем скважинная обрабатывающая композиция представляет собой цементную суспензию, буровой раствор, или буферную жидкость.
[71] Вариант реализации изобретения 17.  Скважинная обрабатывающая композиция по варианту реализации изобретения 16, отличающаяся тем, что скважинная обрабатывающая композиция представляет собой цементную суспензию, содержащую более чем нуль и менее чем около 50 % мас. соединения, содержащего по меньшей мере один из элементов церий или лантан.
[72] Вариант реализации изобретения 18.  Скважинная обрабатывающая композиция по варианту реализации изобретения 16, отличающаяся тем, что скважинная обрабатывающая композиция представляет собой буферную жидкость, содержащую носитель; от 2 % до 77 % соединения, содержащего по меньшей мере один из элементов церий или лантан, в качестве утяжелителя; и добавку, содержащую один или более из следующих компонентов: загуститель; поверхностно-активное вещество; утяжелитель, не являющийся соединением с редкоземельным элементом; смазку; понизитель водоотдачи; реагент, предотвращающий набухание глин; биоцид; кислоту; ингибитор коррозии; или раскислитель.
[73] Вариант реализации изобретения 19.  Скважинная обрабатывающая композиция по варианту реализации изобретения 16, отличающаяся тем, что скважинная обрабатывающая композиция представляет собой буровой раствор, содержащий от 2 % до 77 % соединения, содержащего церий, лантан или комбинацию, содержащую по меньшей мере один из вышеперечисленных элементов.
[74] Все диапазоны, раскрытые в настоящем документе, включают конечные точки, и конечные точки независимо комбинируются друг с другом.  В настоящем документе принято, что термин “комбинация” охватывает шихты, смеси, сплавы, продукты реакции и т. п.  Все упоминаемые публикации включены в настоящий документ посредством ссылки.
[75] Термины, обозначающие единственное число в контексте описания изобретения (особенно в контексте приведенной ниже Формулы изобретения) следует трактовать как охватывающие и единственное, и множественное число, если иное не указано в настоящем документе или с очевидностью не противоречит контексту.  “Или” означает “и/или”.  Далее, следует дополнительно отметить, что термины “первый”, “второй” и т. п. в настоящем документе не обозначают какой либо порядок, количество (в том смысле, что может присутствовать более чем один, два или более чем два элемента) или степень важности, но скорее используются для отличия одного элемента от другого.  Определение “около”, используемое в связи с количеством, включает установленное значение и имеет смысл, диктуемый контекстом (например, оно включает степень ошибки, связанной с измерением конкретного значения). В случаях, когда не определено иное, технические и научные термины, использованные в настоящем документе, имеют общепринятые значения, известные специалистам в области техники, к которой относится данное изобретение.  В настоящем документе принято, что размер или средний размер частиц относится к наибольшему размеру частиц и может быть определен электронной или атомно-силовой микроскопией с высокой разрешающей способностью.
[76] Все публикации, упоминаемые в настоящем документе, включены посредством ссылок в полном объеме.  Принимая во внимание, что типичные варианты реализации изобретения были изложены выше в иллюстративных целях, вышеизложенные описания не должны считаться ограничивающими объем данного изобретения.  Соответственно, специалисты в данной области техники могли произвести различные модификации, адаптации и обнаружить альтернативы без выхода за пределы сущности и объема данного изобретения.