КОМПОЗИЦИИ И СПОСОБЫ ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН
COMPOSITIONS AND METHODS FOR WELL CEMENTING

Предшествующий уровень техники
1. Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к усовершенствованным композициям для цементирования скважин, имеющим уменьшенное время затвердевания, и к способам использования композиций для цементирования в подземных зонах.
2. Описание предшествующего уровня техники
Композиции гидравлического цемента повсеместно используются при строительстве и ремонте нефтяных и газовых скважин. Например,' композиции гидравлического цемента используются при первичных операциях цементирования, при этом колонны труб, таких как обсадные колонны или хвостовики, цементируются в стволах скважин. При осуществлении первичного цементирования композиция гидравлического цемента нагнетается в кольцевое пространство между стенками ствола скважины и наружными поверхностями колонны труб, расположенной в ней. Цементной композиции дают возможность для затвердения в кольцевом пространстве, формируя тем самым в нем кольцевую оболочку из отвержденного по существу непроницаемого цемента. Цементная оболочка физически поддерживает и позиционирует колонну труб в стволе скважины, и связывает наружные поверхности колонны труб со стенками ствола скважины, тем самым предотвращается нежелательная миграция текучих сред между зонами или формациями, через которые проходит ствол скважины. Композиции гидравлического цемента также повсеместно используются для перекрытия потерь циркуляции и других нежелательных зон втекания и вытекания текучих сред в скважинах, для закупорки трещин и отверстий в колоннах труб, цементированных в них, и для осуществления других необходимых операций ремонта скважины.
При осуществлении операций первичного цементирования, а также операций вторичного цементирования в стволах скважин используемые цементные суспензии часто являются легковесными для того, чтобы способствовать предотвращению создания избыточного гидростатического давления на подземные формации, сквозь которые проходит ствол скважины. В результате, для этого разрабатываются и используются разнообразные легковесные цементные суспензии, включая вспененные цементные суспензии. В дополнение к тому, что они являются легковесными, вспененная цементная суспензия содержит сжатый газ, который улучшает способность суспензии к поддержанию давления и предотвращает поток текучих сред из формации в суспензию и сквозь нее в течение того времени, за которое цементная суспензия превращается из текучей среды в твердую схватившуюся массу. Вспененные цементные суспензии также являются преимущественными, поскольку они имеют свойства низких потерь текучих сред.
Заканчивания скважин в воде глубиной более 1000 футов часто требуют специальных технологий для установки направляющей обсадной колонны. Заканчивания скважин на глубинах воды, превышающих 2000 футов, часто упоминаются как операции "в глубокой воде". При операциях в глубокой воде, формации, где цементируют направляющую трубу, которая находится менее чем на 2000 футов ниже, чем растворная линия, как правило, являются геологически молодыми и не являются хорошо укрепленными. Формации, как правило, представляют собой продукт эрозии из континентального шельфа. При цементировании это может вызывать одну из двух проблем. Формация может быть настолько непрочной, что она может растрескиваться во время цементирования и вызывать потерю цемента в формацию. Альтернативно, формация может испытывать сильный поток соленой воды или другой текучей среды сквозь формацию, что приводит к притоку текучей среды.
2
При типичной установке направляющей трубы поверхностная труба с наружным диаметром, равным 24-30 дюймам, вводится, по меньшей мере, на 200 футов ниже, чем растворная линия. Затем направляющая труба с большим наружным диаметром (20 дюймов, когда используется 30 дюймов) цементируется с помощью обычного способа, изнутри колонны, через бурильную колонну, при этом цемент возвращается назад на дно океана. Поскольку водоотделяющие колонны не используются, цемент из кольцевого зазора должен отбираться на морском дне. Низкие температуры, вызываемые присутствием морской воды, как правило, замедляют процесс гидратирования цемента и увеличивают время затвердевания цементной суспензии, что позволяет начаться притоку текучей среды. Термин "время нулевого гелеобразования" относится к периоду времени между моментом, когда цементная суспензия размещается, и моментом, когда прочность геля возрастает до уровня, равного примерно 100 фунт/100 фут. В течение времени нулевого гелеобразования миграция текучей среды, такой как нефть, газ или вода, через затвердевающий цемент предотвращается, поскольку колонна цемента в стволе скважины может поддерживать сама себя и оказывать гидростатическое давление на текучую среду, окружающую ствол скважины.
2
2
2
Термин "время затвердевания" относится к тому периоду времени, который занимает увеличение прочности геля от уровня примерно 100 фунт/100 фут до уровня примерно 500 фунт/100 фут. Миграция текучей среды по существу предотвращается на уровне примерно 500 фунт/100 фут. В течение времени затвердевания текучая среда, такая как нефть, газ или вода, может мигрировать сквозь затвердевающую цементную суспензию, формируя каналы, которые влияют на целостность цементной оболочки. Миграция текучей среды в течение времени затвердевания является возможной, поскольку колонна цемента в стволе скважины начинает поддерживать сама себя и перестает оказывать гидростатическое, давление на текучую среду, окружающую ствол скважины. Когда прикладываемое гидростатическое давление падает ниже давления текучей среды в формации, миграция может осуществляться, и она будет продолжаться до тех пор, пока цемент не будет иметь прочность на сжатие, достаточную для предотвращения дальнейшей миграции. По этой причине является выгодным иметь композиции цемента с уменьшенными временами затвердевания для максимального уменьшения возможности миграции текучей среды.
В некоторых случаях пески формации могут быть подвергнуты избыточному давлению водой, так что вода или другие текучие среды из формации втекают в затвердевающую цементную оболочку в течение времени затвердевания. Предотвращение такого втекания является критичным для успешной работы по цементированию и для предотвращения дорогостоящих ремонтных работ по вторичному цементированию. Удерживание текучих сред в формации, находящейся под избыточным давлением, часто осложняется слабыми зонами в формации, которые могут растрескиваться из-за давления текучей среды цементной суспензии. При образовании трещины цементная суспензия может втекать в трещину и теряться из ствола скважины.
2
2
Один из способов цементирования направляющих труб в стволах скважин при глубинах воды, больших, чем 1000 футов, описывается в патенте США №5484019, в котором цементная суспензия, содержащая портландцемент, вспенивающее поверхностно-активное вещество, некоторое количество частиц вяжущего материала мелкодисперсных размеров и азот или другой газ, для вспенивания суспензии, с целью получения плотности от примерно 9,0 до примерно 14 фунт/галлон, вводится в направляющую трубу и получает возможность для возвращения наверх через кольцевое пространство ствола скважины на морское дно. Суспензия содержит хлорид кальция (CaCl) в качестве ускорителя и развивает статическую прочность геля, превышающую примерно 500 фунт/100 фут, в течение менее чем примерно 30 минут после размещения.
Известен способ цементирования в подземной зоне, имеющей температуру 45-55°F и находящейся на морском дне при глубине воды до 8000 футов, включающий приготовление вспененной композиции цемента, содержащей глиноземистый цемент, ускоритель схватывания - хлорид лития - в количестве примерно 0,1-1,0% от массы цемента, воду, выбираемую из пресной воды, ненасыщенного или насыщенного соляного раствора, в количестве, достаточном для формирования пригодной для перекачки суспензии, лимонную кислоту и дополнительно газ - азот или воздух и добавку для вспенивания и стабилизации суспензии, состоящую из поверхностно-активного вещества на основе сульфата простого эфира этоксилированного спирта формулы
2
а
2
4
b
3
4
+
Н(СН)(ОСН)OSONH ,
где "а" представляет собой целое число в пределах от примерно 6 до примерно 10, и "b" представляет собой целое число в пределах от примерно 3 до примерно 10, и поверхностно-активное вещество присутствует в добавке в количестве, находящемся в пределах от примерно 60 до примерно 64 частей массовых, поверхностно-активного вещества на основе алкил или алкен амидопропил бетаина, имеющего формулу
2
2
2
3
2
2
+
-
R-CONHCHCHCHN(СН)СНСО ,
где R представляет собой радикал, выбранный из группы из децила, кокоила, лаурила, цетила и олеила, и поверхностно-активное вещество присутствует в добавке в количестве, находящемся в пределах от примерно 30 до примерно 33 частей массовых, и поверхностно-активного вещества на основе оксида алкил или алкен амидопропил диметиламина, имеющего формулу
2
2
2
3
2
+
-
R-COTHCHCHCHN(CH)O,
где R представляет собой радикал, выбранный из группы из децила, кокоила, лаурила, цетила и олеила, и поверхностно-активное вещество присутствует в добавке в количестве, находящемся в пределах от примерно 3 до примерно 10 частей массовых, размещение суспензии в указанной подземной зоне и осуществление затвердевания суспензии в виде твердой непроницаемой массы (см., патент США №6244343 В1, опубл. 09.03.2001).
В авторском свидетельстве СССР 927972 от 15.05.1982 раскрыт способ химической обработки тампонажных растворов, предназначенных для крепления нефтяных и газовых скважин, содержащих в качестве вяжущего вещества шлакопортландцемент, путем предварительного введения в жидкость затворения хлорида железа (III). В качестве соли трехвалентного железа выбирают хлорид, обеспечивающий ускорение схватывания шлакопортландцемента при невысокой температуре.
Хотя описанные выше композиции являются эффективными при цементировании скважин, продолжает существовать потребность в усовершенствованных легковесных композициях цемента, которые имеют уменьшенные времена затвердевания для предотвращения миграции текучей среды.
Целью настоящего изобретения является создание усовершенствованных цементных композиций, имеющих уменьшенные времена затвердевания.
Согласно изобретению создан способ цементирования в подземной зоне, имеющей температуру около 65°F или ниже, в котором используют облегченную композицию цемента для скважин, включающий следующие стадии:
приготовление пригодной для перекачки облегченной цементной композиции в виде суспензии, плотность которой составляет меньше, чем около 14 фунтов/галлон;
уменьшение времени затвердевания суспензии путем включения в цементную композицию соли железа, представляющей собой хлорид железа (II) или его смесь с хлоридом железа (III), в количестве, эффективном для уменьшения времени ее затвердевания;
размещение суспензии в подземной зоне, подлежащей цементированию, имеющей температуру около 65°F или ниже; и
осуществления затвердевания суспензии в твердую непроницаемую массу.
В данном способе время затвердевания суспензии составляет менее 15 мин.
Указанная соль железа может присутствовать в количестве, составляющем от около 0,1 до около 10 мас.% цемента.
Цементная композиция цемента может содержать добавку облегченного цемента или являться вспененной.
Цементная композиция может содержать портландцемент, указанную соль железа в количестве, составляющем от около 0,1 до около 10 мас.% портландцемента, воду, выбранную из группы, состоящей из пресной воды, ненасыщенных солевых растворов и насыщенных солевых растворов, в количестве, достаточном для образования пригодной для перекачки суспензии, вспенивающую добавку в количестве, эффективном для приготовления вспененной суспензии, и газ в количестве, достаточном для вспенивания суспензии.
Вспенивающая добавка может представлять собой единую добавку для вспенивания и стабилизации суспензии и состоит из поверхностно-активного вещества на основе простого эфира этоксилированного спирта (аммониевого сульфата алкоксиполиэтиленгликоля) формулы
2
a
2
4
b
3
4
+
H(CH)(OCH)OSONH ,
где а представляет собой целое число в интервале от около 6 до около 10 и b представляет собой целое число в интервале от около 3 до около 10 и поверхностно-активное вещество присутствует в добавке в количестве от около 60 до около 64 частей (массовых),
поверхностно-активного вещества на основе алкил- или алкен амидопропилбетаина формулы
2
2
2
3
2
2
2
+
-
R-CONHCHCHCHN(СН)СНСО ,
где R представляет собой радикал, выбранный из группы из децила, кокоила, лаурила, цетила и олеила, и поверхностно-активное вещество присутствует в добавке в количестве от около 30 до около 33 частей массовых,
и поверхностно-активного вещества на основе оксида алкил- или алкен амидопропилдиметиламина формулы
2
2
2
3
2
+
-
R-CONHCHCHCHN(CH)O,
где R представляет собой радикал, выбранный из группы из децила, кокоила, лаурила, цетила и олеила, и поверхностно-активное вещество присутствует в добавке в количестве от около 3 до около 10 частей массовых.
Цементная композиция может включать добавку для усиления текучести в виде частиц, содержащую твердый материал в виде частиц, несущий химикат, индуцирующий текучесть, выбранный из группы, состоящей из кислот, продуцирующих полярные молекулы, их солей и ангидридов кислот, при этом твердый материал и указанный химикат присутствует в диапазоне соотношений от около 90:10 до около 10:90.
2
Цементная композиция может включать вяжущий материал в виде мелкодисперсных частиц, дисперсность которых по Блейну составляет не менее чем около 6000 см/грамм и размер которых не превышает 30 микрон, в количестве от около 1 до около 30 мас.% цемента.
Согласно изобретению создан способ уменьшения времени затвердевания вспененной цементной композиции для скважин, помещенной в подземную зону, имеющую температуру около 65°F или ниже, включающий следующие стадии:
приготовление вспененной цементной композиции для скважин, содержащей гидравлический цемент, воду, в количестве достаточном для образования пригодной для перекачки суспензии, вспенивающую добавку в количестве, эффективном для получения вспененной суспензии, и газ в количестве, достаточном для получения вспененной суспензии;
уменьшение времени затвердевания вспененной суспензии путем включения в композицию эффективного количества соли железа, представляющей собой хлорид железа (II) или его смесь с хлоридом железа (III), для уменьшения времени ее затвердевания;
размещение суспензии в подземной зоне, подлежащей цементированию, имеющей температуру около 65°F или ниже;
осуществление затвердевания суспензии в твердую непроницаемую массу.
Время затвердевания суспензии может составлять менее 15 мин.
Указанная соль железа может присутствовать в количестве, составляющем от около 0,1 до около 10 мас.% цемента.
Вспененная цементная композиция может содержать портландцемент, указанную соль железа в количестве, составляющем от около 0,1 до около 10 мас.% портландцемента, и воду, выбранную из группы, состоящей из пресной воды, ненасыщенных солевых растворов и насыщенных солевых растворов.
Вспенивающая добавка может представлять собой единую добавку для вспенивания и стабилизации суспензии, содержащую поверхностно-активное вещество на основе простого эфира этоксилированного спирта (аммониевого сульфата алкоксиполиэтиленгликоля) формулы
2
a
2
4
b
3
4
+
H(CH)(OCH)OSONH ,
где а представляет собой целое число в интервале от около 6 до около 10 и b представляет собой целое число в интервале от около 3 до около 10 и поверхностно-активное вещество присутствует в добавке в количестве от около 60 до около 64 частей (массовых),
поверхностно-активное вещество на основе алкил- или алкен амидопропилбетаина формулы
2
2
2
3
2
2
2
+
-
R-CONHCHCHCHN(CH)CHCO ,
где R представляет собой радикал, выбранный из группы из децила, кокоила, лаурила, цетила и олеила, и поверхностно-активное вещество присутствует в добавке в количестве от около 30 до около 33 частей массовых,
и поверхностно-активное вещество на основе оксида алкил- или алкен амидопропилдиметиламина формулы
2
2
2
3
2
+
-
R-CONHCHCHCHN(CH)O,
где R представляет собой радикал, выбранный из группы из децила, кокоила, лаурила, цетила и олеила, и поверхностно-активное вещество присутствует в добавке в количестве от около 3 до около 10 частей массовых.
Вспененная цементная композиция может включать добавку для усиления текучести в виде частиц, содержащую твердый материал в виде частиц, несущий химикат, индуцирующий текучесть, выбранный из группы, состоящей из кислот, продуцирующих полярные молекулы, их солей и ангидридов кислот.
2
Вспененная цементная композиция может включать вяжущий материал в виде мелкодисперсных частиц, дисперсность которых по Блейну составляет не менее чем около 6000 см/грамм и размер которых не превышает 30 микрон, в количестве от около 1 до около 30 мас.% цемента
Согласно другому варианту выполнения способ уменьшения времени затвердевания вспененной цементной композиции, помещенной в подземную зону, имеющую температуру около 65°F или ниже, включает следующие стадии:
приготовление вспененной цементной композиции для скважин, содержащей гидравлический цемент, воду в количестве, достаточном для образования пригодной для перекачки суспензии, вспенивающую добавку в количестве, достаточном для получения вспененной суспензии, и газ в количестве, достаточном для получения вспененной суспензии, при этом вспенивающая добавка включает единую добавку для вспенивания и стабилизации суспензии, содержащую поверхностно-активное вещество на основе простого эфира этоксилированного спирта (аммониевого сульфата алкоксиполиэтиленгликоля) формулы
2
а
2
4
b
3
4
+
Н(СН)(ОСН)OSONH ,
где а представляет собой целое число в интервале от около 6 до около 10 и b представляет собой целое число в интервале от около 3 до около 10 и поверхностно-активное вещество присутствует в добавке в количестве от около 60 до около 64 частей (массовых),
поверхностно-активное вещество на основе алкил- или алкен амидопропилбетаина формулы
2
2
2
3
2
2
2
+
-
R-CONHCHCHCHN(CH)СНСО ,
где R представляет собой радикал, выбранный из группы из децила, кокоила, лаурила, цетила и олеила, и поверхностно-активное вещество присутствует в добавке в количестве от около 30 до около 33 частей массовых,
и поверхностно-активное вещество на основе оксида алкил- или алкен амидопропилдиметиламина формулы
2
2
2
3
2
+
-
R-CONHCHCHCHN(CH)O,
где R представляет собой радикал, выбранный из группы из децила, кокоила, лаурила, цетила и олеила, и поверхностно-активное вещество присутствует в добавке в количестве от около 3 до около 10 частей массовых;
уменьшение времени затвердевания вспененной суспензии путем включения в композицию соли, железа, представляющей собой хлорид железа (II) или его смесь с хлоридом железа (III);.
размещение суспензии в подземной зоне, подлежащей цементированию, имеющей температуру около 65°F или ниже; и
осуществление затвердевания суспензии в твердую непроницаемую массу.
Указанная соль соединение железа может присутствовать в количестве, составляющем от около 0,1 до около 10 мас.% цемента.
Вспененная цементная композиция для скважин может включать добавку для усиления текучести в виде частиц, содержащую твердый материал в виде частиц, несущий химикат, индуцирующий текучесть, выбранный из группы, состоящей из кислот, продуцирующих полярные молекулы, их солей и ангидридов кислот, при этом твердый материал и указанный химикат присутствует в диапазоне соотношений от около 90:10 до около 10:90.
2
Вспененная цементная композиция для скважин может включать вяжущий материал в виде мелкодисперсных частиц, дисперсность которых по Блейну составляет не менее чем около 6000 см/грамм и размер которых не превышает 30 микрон, в количестве от около 1 до около 30 мас.% цемента.
Согласно изобретению создан также способ цементирования направляющей обсадной трубы в стволе скважины, имеющем температуру около 65°F или ниже на морском дне в воде на глубине свыше 1000 футов, включающий следующие стадии:
приготовление вспененной цементной композиции для скважин, содержащей портландцемент, соль железа, представляющую собой хлорид железа (II) или его смесь с хлоридом железа (III) в количестве, составляющем от около 0,1 до около 10 мас.% портландцемента, и воду, выбранную из группы, состоящей из пресной воды, ненасыщенных солевых растворов и насыщенных солевых растворов, в количестве, достаточном для образования пригодной для перекачки суспензии, вспенивающую добавку в количестве, эффективном для приготовления вспененной суспензии, и газ в количестве, достаточном для вспенивания суспензии;
введение суспензии в направляющую обсадную трубу, где она течет через трубу и возвращается из нижнего конца через кольцевое пространство между трубой и стволом скважины к поверхности морского дна, причем кольцевое пространство имеет температуру около 65°F или ниже;
удерживание суспензии в кольцевом пространстве в течение времени, достаточного для образования суспензией жесткого цементного покрытия, предотвращающего приток текучих сред в ствол скважины.
Время затвердевания суспензии может составлять менее 15 мин при температуре морского дна.
Вспенивающая добавка может представлять собой единую добавку для вспенивания и стабилизации суспензии, содержащую поверхностно-активное вещество на основе простого эфира этоксилированного спирта (аммониевого сульфата алкоксиполиэтиленгликоля) формулы
2
а
2
4
b
3
4
+
Н(СН)(ОСН)OSONH ,
где а представляет собой целое число в интервале от около 6 до около 10 и b представляет собой целое число в интервале от около 3 до около 10, и поверхностно-активное вещество присутствует в добавке в количестве от около 60 до около 64 частей (массовых),
поверхностно-активное вещество на основе алкил- или алкен амидопропилбетаина формулы
2
2
2
3
2
2
2
+
-
R-CONHCHCHCHN(CH)CHCO ,
где R представляет собой радикал, выбранный из группы из децила, кокоила, лаурила, цетила и олеила, и поверхностно-активное вещество присутствует в добавке в количестве от около 30 до около 33 частей массовых,
и поверхностно-активное вещество на основе оксида алкил- или алкен амидопропилдиметиламина формулы
2
2
2
3
2
+
-
R-CONHCHCHCHN(CH)O,
где R представляет собой радикал, выбранный из группы из децила, кокоила, лаурила, цетила и олеила, и поверхностно-активное вещество присутствует в добавке в количестве от около 3 до около 10 частей массовых.
Вспененная цементная композиция для скважин может включать добавку для усиления текучести в виде частиц, содержащую твердый материал в виде частиц, несущий химикат, индуцирующий текучесть, выбранный из группы, состоящей из кислот, продуцирующих полярные молекулы, их солей и ангидридов кислот, при этом твердый материал и указанный химикат присутствует в диапазоне соотношений от около 90:10 до около 10:90.
2
Способ по п.20, в котором вспененная цементная композиция включает вяжущий материал в виде мелкодисперсных частиц, дисперсность которых по Блейну составляет не менее чем около 6000 см/грамм и размер которых не превышает 30 микрон, в количестве от около 1 до около 30 мас.% портландцемента.
Согласно изобретению создан также способ цементирования подземной зоны, имеющей температуру около 65°F или ниже, включающий следующие стадии:
приготовление цементной композиции, содержащей гидравлический цемент, соль железа, представляющую собой хлорид железа (II) или его смесь с хлоридом железа (III) в количестве, достаточном для уменьшения времени затвердевания цементной композиции, и воду в количестве, достаточном для образования пригодной для перекачки суспензии;
размещение суспензии в подземной зоне, подлежащей цементированию, имеющей температуру около 65°F или ниже; и
осуществление затвердевания суспензии в твердую непроницаемую массу.
Гидравлический цемент может представлять собой портландцемент.
Указанная соль железа может присутствовать в количестве от около 0,1 до около 10 мас.% гидравлического цемента.
Вода может быть выбрана из группы, состоящей из пресной воды, ненасыщенных солевых растворов и насыщенных солевых растворов.
Цементная композиция может включать добавку для усиления текучести в виде частиц, содержащую твердый материал в виде частиц, несущий химикат, индуцирующий текучесть, выбранный из группы, состоящей из кислот, продуцирующих полярные молекулы, их солей и ангидридов кислот, при этом твердый материал и указанный химикат присутствует в диапазоне соотношений от около 90:10 до около 10:90.
2
Цементная композиция дополнительно может включать вяжущий материал в виде мелкодисперсных частиц, дисперсность которых по Блейну составляет не менее чем около 6000 см/грамм и размер которых не превышает 30 микрон, в количестве от около 1 до около 30 мас.% гидравлического цемента.
Далее приведено подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения.
Усовершенствованные легковесные композиции цемента по настоящему изобретению являются пригодными для осуществления множества применений в подземных формациях, таких как процедуры заканчивания, ремонта и трещинообразования. Предпочтительная композиция цемента в соответствии с настоящим изобретением в основном содержит гидравлический цемент, соединение железа, присутствующее в количестве, достаточном для уменьшения времени затвердевания композиции цемента при температуре примерно 65°F или ниже, и количество воды, достаточное для формирования суспензии. Предпочтительные легковесные композиции цемента в основном содержат гидравлический цемент, количество соли железа, эффективное для уменьшения времени затвердевания композиции, количество воды, достаточное для формирования пригодной для перекачки суспензии, количество вспенивающей добавки, эффективное для производства вспененной суспензии, и количество газа, достаточное для вспенивания суспензии. Альтернативно, вместо вспенивания или в дополнение к вспениванию, легковесная композиция цемента может содержать любую известную легковесную добавку к цементу, например, полые сферы, доступные под торговым наименованием "SPHERELITE", Halliburton Energy Services, Duncan, Oklahoma, которые понижают его плотность, с целью получения легковесной композиции цемента. Предпочтительные легковесные композиции по настоящему изобретению имеют плотность, меньшую, чем примерно 14 фунт/галлон.
Разнообразные гидравлические цементы, которые схватываются и отверждаются путем взаимодействия с водой, могут использоваться в соответствии с настоящим изобретением, включая портландцементы, пуццолановые цементы, гипсовые цементы, цементы с высоким содержанием алюминия, кварцевые цементы, сильнощелочные цементы и безклинкерные шлаковые цементы. Цементы могут иметь обычный размер частиц, или они могут иметь мелкодисперсные частицы. Портландцементы являются наиболее предпочтительными для использования в соответствии с настоящим изобретением. Портландцементы типов, определенных и описанных в технических условиях Американского Нефтяного Института для материалов и способов исследования скважинных цементов, Технические условия №10 от 1.07.1990, являются особенно пригодными для использования. Такие предпочтительные портландцементы включают в себя классы А, В, С, G и Н, при этом класс А является наиболее предпочтительным.
Цементные композиции по настоящему изобретению могут включать в себя цемент с частицами мелкодисперсных или ультрамелкодисперсных размеров, например, цемент, доступный под торговым наименованием "MICRO MATRIX", Halliburton Energy Services, Duncan, Oklahoma. Более конкретно, к обычному гидравлическому цементу могут добавляться от примерно 1 до примерно 30 процентов (30%) массовых обычного цемента из вяжущего материала, имеющего диаметры частиц, не большие, чем примерно 30 микрон, предпочтительно, не большие, чем примерно 17 микрон, и еще более предпочтительно, не большие, чем примерно 11 микрон. Распределение частиц с различными размерами в вяжущем материале, то есть распределение размеров частиц, соответствует тому, что 90 процентов (90%) из них имеют диаметр, не больший, чем примерно 25 микрон, предпочтительно, примерно 10 микрон, а еще более предпочтительно, примерно 7 микрон. Пятьдесят процентов (50%) имеют диаметр, не больший, чем примерно 10 микрон, предпочтительно, примерно 6 микрон, а еще более предпочтительно, примерно 4 микрона, и 20 процентов (20%) частиц имеют диаметр, не больший, чем примерно 5 микрон, предпочтительно, примерно 3 микрона, и еще более предпочтительно, примерно 2 микрона.
2
2
Дисперсность по Блэйну вяжущего материала с частицами мелкодисперсных размеров, используемого в способах цементирования по настоящему изобретению, является не меньшей, чем примерно 6000 см/грамм. Это значение предпочтительно является большим, чем примерно 7000, более предпочтительно, примерно 10000, и еще более предпочтительно, большим, чем примерно 13000 см/грамм.
Вяжущие материалы с частицами мелкодисперсных размеров, предпочтительные для использования по настоящему изобретению, представляют собой мелкодисперсный портландцемент и его сочетания со шлаком, где количество портландцемента, включенного в любую смесь портландцемента и шлака, используемую в способах по настоящему изобретению, может опускаться до 10 процентов (10%), но предпочтительно является не меньшим, чем примерно 40 процентов (40%), более предпочтительно, примерно 80 процентов (80%), и наиболее предпочтительно, не меньшим, чем примерно 100 процентов (100%) портландцемента от массы смеси. Вяжущий материал с частицами мелкодисперсных размеров описывается более полно в патенте США №5125455, описание которого полностью включается сюда в качестве ссылки.
Композиции по настоящему изобретению могут содержать добавки для усиления текучести, где свойства текучести одного или нескольких сухих вяжущих материалов в виде частиц улучшаются и где материалы могут легко переноситься из танков-хранилищ и тому подобное. Предпочтительная добавка для усиления текучести состоит из твердого материала в виде частиц, выбранного из группы, состоящей из преципитированной окиси кремния, цеолита, талька, диатомовой земли и фуллеровой земли, несущих на себе полярный химикат, индуцирующий текучесть, который выбирают из группы, состоящей из органических кислот, продуцирующих полярные молекулы, их солей и ангидридов кислот.
Индуцирующий текучесть полярный химикат, используемый в добавке, усиливающей текучесть, может представлять собой любой из химикатов, известных в настоящее время, который продуцирует полярные молекулы, которые взаимодействуют с вяжущими материалами и увеличивают их свойства текучести.
Примеры химикатов, продуцирующих полярные молекулы, которые могут использоваться, включают, но не ограничиваются этим, органические кислоты, такие как алкил и/или алкен карбоновые кислоты и сульфоновые кислоты, соли указанных выше кислот, образованные вместе со слабыми основаниями и ангидридами кислот, такими как двуокись серы, двуокись углерода, трехокись серы, оксиды азота и подобные им соединения. Наиболее предпочтительный полярный химикат, индуцирующий текучесть, для использования в соответствии с настоящим изобретением представляет собой ледяную уксусную кислоту.
Массовое отношение твердого материала адсорбента к полярному химикату, индуцирующему текучесть, в добавке для усиления текучести находится в пределах от примерно 90:10 до примерно 10:90, и добавка для усиления текучести смешивается с вяжущими материалами в количестве, находящемся в пределах от примерно 0,01% до примерно 1,0% массового от вяжущих материалов. Особенно предпочтительная добавка для усиления текучести описывается в международной публикации WO 00/41981, которая заявляет приоритет заявок на патент США №09/229,245, поданной 12 января 1999 года, и 09/324,310, поданной 2 июня 1999 года. Описание этих заявок полностью включено в данное описание в качестве ссылок.
Вода в цементных суспензиях может представлять собой пресную воду или соленую воду. Термин "соленая вода" используется здесь для обозначения ненасыщенных солевых растворов и насыщенных солевых растворов, включая рассолы и морскую воду. Вода, как правило, присутствует в количестве, достаточном для получения пригодной для перекачки суспензии, более предпочтительно, в количестве, находящемся в пределах от примерно 30% до примерно 70% массовых от цемента в композиции, а еще более предпочтительно, как описывается в предпочтительных композициях по настоящему изобретению, в количестве, равном примерно 63% массовым от цемента в них.
3
2
Соединения железа, используемые в композициях по настоящему изобретению для уменьшения времени их затвердевания, предпочтительно представляют собой соли железа, выбранные из группы, состоящей из хлорида железа (III) (FeCl), хлорида железа (II) (FeCl) и их смесей, при этом наиболее предпочтительным является хлорид железа (III). Хотя указанные выше соли железа рассматриваются как наиболее предпочтительные, может использоваться любое соединение железа, которое эффективно уменьшает время затвердевания композиции без отрицательного воздействия на свойства композиции. Соль железа присутствует в композиции в количестве, находящемся в пределах от примерно 0,1 до примерно 10%, более предпочтительно, в количестве, находящемся в пределах от примерно 0,5% до примерно 5%, и наиболее предпочтительно, в количестве, находящемся в пределах от примерно 1% до примерно 3% массовых от цемента в ней.
Термин "вспенивающая добавка" используется здесь для обозначения любого известного поверхностно-активного вещества или смеси поверхностно-активного вещества и стабилизатора, которые будут функционировать с формированием стабильной вспененной цементной суспензии. Наиболее предпочтительные вспенивающие добавки представляют собой единые универсальные добавки для вспенивания и стабилизации цементных суспензий, содержащих пресную воду или соленую воду, как описано в патенте США 6063738, описание которого полностью включается сюда в качестве ссылки. Эти вспенивающие добавки в основном состоят из поверхностно-активного вещества на основе сульфата простого эфира этоксилированного спирта формулы
2
a
2
4
b
3
4
+
H(CH)(OCH)OSONH ,
где а представляет собой целое число в пределах от примерно 6 до примерно 10, и b представляет собой целое число в пределах от примерно 3 до примерно 10, поверхностно-активного вещества на основе алкил или алкен амидопропил бетаина, имеющего формулу
2
2
2
3
2
2
2
+
-
R-CONHCHCHCHN(CH)CHCO ,
где R представляет собой радикал, выбранный из группы из децила, кокоила, лаурила, цетила и олеила, и поверхностно-активного вещества на основе оксида алкил или алкен амидопропил диметиламина, имеющего формулу
2
2
2
3
2
+
-
R-CONHCHCHCHN(CH)O,
где R представляет собой радикал, выбранный из группы из децила, кокоила, лаурила, цетила и олеила. Поверхностно-активное вещество на основе сульфата простого эфира этоксилированного спирта, как правило, присутствует в добавке по настоящему изобретению в количестве, находящемся в пределах от примерно 60 до примерно 64 частей массовых. Поверхностно-активное вещество на основе алкил или алкен амидопропил бетаина, как правило, присутствует в добавке в количестве, находящемся в пределах от примерно 30 до примерно 33 частей массовых, и поверхностно-активное вещество на основе оксида алкил или алкен амидопропил диметиламина, как правило, присутствует в добавке в количестве, находящемся в пределах от примерно 3 до примерно 10 частей массовых. Добавка может находиться в виде смеси описанных выше поверхностно-активных веществ, но более предпочтительно, добавка содержит пресную воду в количестве, достаточном для растворения поверхностно-активных веществ, при этом она может легче объединяться с цементной суспензией.
Особенно предпочтительная версия описанной выше вспенивающей добавки состоит из поверхностно-активного вещества на основе сульфата простого эфира этоксилированного спирта, в котором "а", в его формуле, представленной выше, представляет собой целое число в пределах от 6 до 10, и поверхностно-активное вещество присутствует в добавке в количестве примерно 63,3 части массовой, поверхностно-активное вещество на основе алкил или алкен амидопропил бетаина представляет собой кокоил-амидопропил бетаин и присутствует в добавке в количестве, равном примерно 31,7 части массовой, и поверхностно-активное вещество на основе оксида алкил или алкен амидопропил диметиламина в добавке представляет собой кокоил-амидопропил диметиламин оксид и присутствует в количестве, равном примерно 5 частям массовым. Эта предпочтительная вспенивающая добавка, как правило, включается во вспененную цементную суспензию по настоящему изобретению в количестве, находящемся в пределах от примерно 1% до примерно 4% объемных от воды в цементной суспензии перед вспениванием.
В дополнение к воде для растворения поверхностно-активных веществ эта добавка может содержать другие компоненты, такие как одно, или несколько веществ, понижающих температуру замерзания и точку росы, чтобы предотвратить их замерзание во время хранения или манипуляций при холодной погоде и понизить их точку росы. Предпочтительно, такие подавляющие вещества выбирают из группы из простого монобутилового эфира этиленгликоля, диэтиленгликоля, хлорида натрия, изопропилового спирта и их смесей. Используемое подавляющее вещество или подавляющие вещества, как правило, присутствуют в растворе добавки в количестве, находящемся в пределах от примерно 10% до примерно 30% массовых от раствора.
Альтернативно, может использоваться любое другое известное поверхностно-активное вещество или смесь поверхностно-активного вещества и стабилизатора, которая будет функционировать с формированием стабильной вспененной композиции цемента.
Цементная суспензия может также содержать другие обычные добавки, хорошо известные специалисту в данной области, такие как те, которые изменяют плотность композиции, увеличивают или уменьшают прочность, контролируют потери текучей среды, понижают вязкость, увеличивают стойкость к коррозийным текучим средам, усиливают текучесть и тому подобное.
Газ, используемый для формирования вспененных цементных суспензий по настоящему изобретению, может представлять собой любой пригодный для использования газ для получения вспененной суспензии, такой как воздух или азот, при этом азот является наиболее предпочтительным. Газ присутствует в количестве, достаточном для получения вспененной суспензии, имеющей плотность, меньшую, чем примерно 14 фунт/галлон, а более предпочтительно, в количестве, достаточном для получения вспененной суспензии, имеющей плотность в пределах от примерно 4 до менее чем примерно 14 фунт/галлон. Суспензию вспенивают путем добавления азота или другого газа к смеси цемента, текучей среды на водной основе и вспенивающей добавки. Плотность суспензии может контролироваться с помощью количества азота или газа, смешанного с суспензией. Плотность суспензии цемента будет зависеть от нескольких факторов, однако, как правило, является предпочтительным поддержание плотности на таком уровне, чтобы не превосходился градиент растрескивания формации вблизи поверхности, в которой цементируется направляющая труба. Как правило, плотность будет устанавливаться для обеспечения уровня, слегка превышающего давление в формации, но ниже градиента трещинообразования для сохранения контроля над суспензией и предотвращения притока текучей среды за время затвердевания цементной суспензии. Предпочтительно, плотность будет устанавливаться на уровне, превышающем на примерно 1 фунт/галлон плотность, необходимую для согласования с давлением формации в стволе скважины.
Способы по настоящему изобретению для цементирования в подземных зонах, имеющих температуры примерно 65°F или ниже, включают следующие стадии: приготовление цементной композиции, содержащей гидравлический цемент, соединение железа, присутствующее в количестве, достаточном для уменьшения времени затвердевания композиции цемента, и количество воды, достаточное для формирования пригодной для перекачки суспензии; размещение суспензии в подземной зоне, имеющей температуру примерно 65°F или ниже; и осуществление затвердевания суспензии в виде твердой непроницаемой массы. Другой способ по настоящему изобретению для цементирования подземной зоны, через которую проходит ствол скважины, включает следующие стадии: формирование облегченной цементной композиции в виде суспензии, как описано ранее; нагнетание суспензии в подземную зону, которая должна цементироваться, через ствол скважины; осуществление затвердевания суспензии в виде твердой непроницаемой массы.
Другой способ по настоящему изобретению включает следующие стадии: приготовление пригодной для перекачки облегченной цементной композиции в виде суспензии, имеющей плотность, меньшую, чем примерно 14 фунт/галлон; уменьшение времени затвердевания суспензии посредством включения эффективного количества соединения железа в композицию, для уменьшения времени ее затвердевания; размещение суспензий в подземной зоне, которая должна цементироваться; осуществление затвердевания суспензии в виде твердой непроницаемой массы. Еще один способ по настоящему изобретению включает следующие стадии: приготовление вспененной композиции для цементирования скважин, содержащей гидравлический цемент, количество воды, достаточное для формирования пригодной для перекачки суспензии, количество вспенивающей добавки, эффективное для создания вспененной суспензии, и количество газа, достаточное для получения вспененной суспензии; уменьшение времени затвердевания вспененной суспензии посредством включения эффективного количества соединения железа в композицию, для уменьшения времени ее затвердевания; размещение суспензии в подземной зоне, которая должна цементироваться; осуществление затвердевания суспензии в виде твердой непроницаемой массы. Еще один способ по настоящему изобретению для уменьшения времени затвердевания облегченной композиции для цементирования скважин, размещенной в подземной формации, включает следующие стадии: приготовление облегченной цементной композиции в виде суспензии; размещение суспензии в подземной формации, которая должна цементироваться; уменьшение времени затвердевания суспензии до меньшего, чем примерно 15 минут; осуществление затвердевания суспензии в подземной формации.
(
Особенно предпочтительная вспененная композиция для цементирования скважин по настоящему изобретению, пригодная для цементирования направляющей трубы в стволе скважины, на морском дне, при глубине воды более 1000 футов, содержит гидравлический цемент, хлорид железа (III), хлорид железа (II) или их смеси, присутствующие в количестве, находящемся в пределах: от примерно 0,1 до примерно 10 процентов массовых от указанной композиции, количество воды, выбранной из группы, состоящей из пресной воды, ненасыщенных солевых растворов и насыщенных солевых растворов, достаточное для формирования пригодной для перекачки суспензии; количество вспенивающей добавки, эффективное для приготовления вспененной суспензии, где вспенивающая добавка представляет собой единую добавку для вспенивания и стабилизации суспензии, состоящую из поверхностно-активного вещества на основе сульфата простого эфира этоксилированного спирта формулы
2
а
2
4
b
3
4
+
Н(СН)(ОСН)OSONH ,
где а представляет собой целое число в пределах от примерно 6 до примерно 10, и b представляет собой целое число в пределах от примерно 3 до примерно 10, и поверхностно-активное вещество присутствует в добавке в количестве, находящемся в пределах от примерно 60 до примерно 64 частей массовых, поверхностно-активного вещества на основе алкил или алкен амидопропил бетаина, имеющего формулу
2
2
2
3
2
2
2
+
-
R-CONHCHCHCHN(СН)СНСО ,
где R представляет собой радикал, выбранный из группы из децила, кокоила, лаурила, цетила и олеила, и поверхностно-активное вещество присутствует в добавке в количестве, находящемся в пределах от примерно 30 до примерно 33 частей массовых, и поверхностно-активного вещества на основе оксида алкил или алкен амидопропил диметиламина, имеющего формулу
2
2
2
3
2
+
-
R-CONHCHCHCHN(СН)О,
где R представляет собой радикал, выбранный из группы из децила, кокоила, лаурила, цетила и олеила, и поверхностно-активное вещество присутствует в добавке в количестве, находящемся в пределах от примерно 3 до примерно 10 частей массовых, количество газа, достаточное для вспенивания суспензии, где вспененная суспензия имеет плотность, меньшую, чем примерно 14 фунт/галлон, и добавку для усиления текучести в виде частиц, содержащую твердый материал в виде частиц, несущих индуцирующий текучесть химикат, выбранный из группы, состоящей из кислот, продуцирующих полярные молекулы, их солей и ангидридов кислот, где твердый материал в виде частиц и химикат, индуцирующий текучесть, присутствуют в пределах от примерно 90:10 до примерно 10:90.
Предпочтительный способ по настоящему изобретению, использующий описанную выше вспененную композицию для цементирования скважин, для цементирования направляющей трубы в стволе скважины, на морском дне, при глубине воды более 1000 футов, включает следующие стадии: приготовление вспененной цементной композиции в виде суспензии; введение суспензии в направляющую трубу, при этом она протекает сквозь трубу и возвращается из ее нижнего края через кольцевое пространство между трубой и стволом скважины, к поверхности морского дна; удерживание суспензии в кольцевом пространстве в течение времени, достаточного для обеспечения формирования из суспензии жесткой цементной оболочки, при этом предотвращая приток текучих сред в ствол скважины. Предпочтительно, композиция имеет время затвердевания в кольцевом пространстве при температурах морского дна примерно 65°F или ниже, меньшее, чем примерно 25 минут, более предпочтительно, меньшее, чем примерно 20 минут, и наиболее предпочтительно, меньшее, чем примерно 15 минут, с целью предотвращения, по существу, миграции текучей среды сквозь цементную оболочку в ствол скважины.
Облегченные цементные композиции по настоящему изобретению имеют уменьшенные времена затвердевания, по сравнению с обычными облегченными и вспененными цементными композициями. для содействия предотвращению притока текучих сред из формации в ствол скважины. Для дополнительной иллюстрации усовершенствованных цементных композиций и способов по настоящему изобретению ниже в таблицах 1 и 2 приводятся следующие далее примеры. Исследуемые цементные композиции по настоящему изобретению содержат портландцемент класса А, цемент с частицами мелкодисперсных размеров, морскую воду, вспенивающие добавки и различные ускоряющие добавки. Описания исследуемых образцов приведены в таблицах. Затем исследуемые образцы измеряют на время нулевого гелеобразования, время затвердевания и прочность на сжатие.
Таблица 1
№ суспензии
Портландцемент
Цемент Micro Matrix (% bwoc)
Морская вода (% bwoc (от массы цемента))
Вспенивающий агент<sup>2</sup> (% bwow (от массы воды))
Стабилизатор пены<sup>3</sup> (% bwow)
Ускоряющая добавка (2% bwoc)
Время нулевого гелеобразования (час:мин)
Время затвердевания при 55°F (час:мин)
Прочность на сжатие суспензии, вспененной при 12 фунт/галлон и при 50°F (24 час/72 час)
1
Класс А
18
62,97
1,5
0,75
CaCl<sub>2</sub>
1:28
0:55
843/2065
2
Класс А
18
62,97
1,5
0,75
FeCl<sub>2</sub>
1:29
0:21
755/2505
3
Класс А
18
62,97
1,5
0,75
FeCl<sub>3</sub>
1:31
0:12
1028/2610
1 - цемент Micro Matrix от Halliburton Energy Services, Duncan, Oklahoma.2 - вспенивающий агент CFA-S™ от Halliburton Energy Services, Duncan, Oklahoma.3 - стабилизатор пены НС-2™ от Halliburton Energy Services, Duncan, Oklahoma.
Таблица 2
№ суспензии
Портландцемент
Цемент Micro Matrix (% bwoc)
Морская вода (% bwoc)
Вспенивающая добавка<sup>2</sup> (% bwoc)
Добавка для усиления текучести<sup>3</sup> (% bwow)
Ускоряющая добавка (2% bwoc)
Время нулевого гелеобразования (час:мин)
Время затвердевания при 65°F (час:мин)
1
Класс А
18
63
1
0,1
CaCl<sub>2</sub>
2:09
0:16
2
Класс А
18
63
1
0,1
FeCl<sub>2</sub>
2:13
0:05
3
Класс А
18
63
1
0,1
FeCl<sub>3</sub>
2:16
0:08
1 - цемент Micro Matrix от Halliburton Energy Services, Duncan, Oklahoma.2 - вспенивающая добавка ZoneSeal 2000™ от Halliburton Energy Services, Duncan, Oklahoma.3 - добавка для усиления текучести Ez-Flo™ от Halliburton Energy Services, Duncan, Oklahoma.
Из результатов, приведенных в таблицах 1 и 2, можно увидеть, что композиции цемента по настоящему изобретению, которые содержат соли железа, имеют уменьшенные времена затвердевания и улучшенную прочность на сжатие, что делает их очень желательными для использования при предотвращении притока текучей среды в ствол скважины, проходящей через подземную формацию.
Указанные выше описания конкретных композиций и способов по настоящему изобретению представлены для целей иллюстрации и описания. Они не претендуют на полноту или ограничение настоящего изобретения конкретными описанными композициями и способами и, разумеется, множество модификаций и вариаций являются возможными в свете указанной выше концепции. Варианты осуществления выбирались и описывались для наилучшего объяснения принципов настоящего изобретения и его практического применения, чтобы тем самым дать возможность другим специалистам в данной области для наилучшего использования настоящего изобретения с различными модификациями, которые соответствуют конкретному предполагаемому использованию. Предполагается, что рамки настоящего изобретения определяются посредством прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.