ЗАТВЕРДЕВАЮЩИЕ КОМПОЗИЦИИ, СОДЕРЖАЩИЕ ЦЕМЕНТНУЮ ПЫЛЬ, И СПОСОБЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
HARDENING COMPOSITIONS CONTAINING CEMENT DUST, AND METHODS FOR THEIR APPLICATION

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] Варианты реализации изобретения относятся к затвердевающим композициям и, более конкретно, некоторые варианты реализации изобретения относятся к применению алюминатов щелочных металлов и силикатов щелочных металлов с цементной пылью для получения затвердевающей композиции для применения в подземных операциях.
[0002] Природные ресурсы, такие как нефть или газ, залегающие в подземном пласте, могут быть добыты бурением скважины в пласте. Скважину обычно бурят с одновременной циркуляцией бурового раствора в стволе скважины. Циркулирующий буровой раствор, среди прочего, может обеспечивать смазывание бурового долота, вынос бурового шлама на поверхность и выравнивание пластового давления, воздействующего на ствол скважины. Одна из проблем, связанных с бурением, может заключаться в неприемлемой утечке бурового раствора в пласт. Как правило, утечка бурового раствора может происходить, например, в уже существующие трещины, искусственно образованные трещины, разломы, пустоты, каналы или другие отверстия, через которые может происходить поглощение бурового раствора. Указанная проблема может быть названа "потерей циркуляции", а участки пласта, в которых может происходить поглощение бурового раствора (или другого флюида), могут быть названы "зонами потери циркуляции". Потеря бурового раствора в пласте является неприемлемой, что обусловлено, inter alia, высокими затратами, связанными с потерей бурового раствора в пласте, затратами времени, дополнительными обсадными колоннами и, в крайних случаях, с ликвидацией скважины. Помимо бурового раствора, проблемы потери циркуляции могут возникать и с другими флюидами, например, вытесняющими жидкостями, растворами для заканчивания скважины (например, солевыми растворами для заканчивания скважины), жидкостями для гидроразрыва и цементными композициями, которые могут быть введены в ствол скважины.
[0003] Разработано множество технологий для борьбы с потерей циркуляции, одна из которых включает внесение материалов для борьбы с поглощением в зону потери циркуляции. Обычные материалы для борьбы с поглощением могут включать волокнистые, слоистые или гранулированные материалы. Материалы для борьбы с поглощением могут быть внесены в пласт, inter alia, как часть бурового раствора или как отдельный состав для борьбы с потерей циркуляции для регулирования и/или предотвращения потери циркуляции. Другая технология, разработанная для регулирования потери циркуляции, включает внесение в ствол скважины затвердевающей композиции для герметизации зоны потери циркуляции. Однако по многим причинам указанные технологии не могут обеспечивать требуемый уровень контроля потери циркуляции при любых обстоятельствах.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0004] Данные графические материалы иллюстрируют определенные аспекты некоторых вариантов реализации настоящего способа и не могут быть использованы для ограничения или определения способа.
[0005] На фиг. 1 представлен один из вариантов реализации ствола скважины, проходящего через подземный пласт, с зоной потери циркуляции, распространяющейся в подземный пласт.
[0006] На фиг. 2 изображен один из вариантов реализации внесения затвердевающей композиции в зону потери циркуляции, изображенную на фиг. 1.
[0007] На фиг. 3 представлена система для получения и доставки затвердевающей композиции в ствол скважины в соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ
[0008] Варианты реализации изобретения относятся к затвердевающим композициям, и некоторые варианты реализации изобретения относятся к применению алюминатов щелочных металлов и силикатов щелочных металлов с цементной пылью для получения затвердевающей композиции для применения в подземных операциях. Предложенные способы и композиции могут иметь несколько потенциальных преимуществ, из которых в настоящем документе могут быть упомянуты лишь некоторые. Одно из многих потенциальных преимуществ предложенных способов и композиций заключается в том, что затвердевающая композиция может быстро образовывать нетекучий гель, который может быть использован для тампонирования и герметизации зон потери циркуляции, которые могут включать трещины (естественные или уже существующие), разломы, пустоты, каналы и/или другие отверстия, через которые может происходить поглощение флюида. Поскольку небольшая часть затвердевающей композиции может оставаться в активном свободном флюиде в текучем жидком состоянии даже после образования нетекучего геля, активный свободный флюид может проникать глубже в пласт и обеспечивать улучшенную герметизирующую способность затвердевающей композиции. Другое потенциальное преимущество указанных способов и композиций может заключаться в том, что благодаря введению цементной пыли затвердевающая композиция схватывается в затвердевшую массу с приемлемой прочностью на сжатие для более эффективного предотвращения потери циркуляции флюида.
[0009] Один из вариантов реализации затвердевающих композиций может содержать цементную пыль, алюминат щелочного металла, силикат щелочного металла и водную несущую текучую среду. Варианты реализации затвердевающих композиций могут дополнительно содержать одну или более дополнительных добавок, таких как тампонирующий материал. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что варианты реализации затвердевающих композиций, в общем случае, должны иметь плотность, подходящую для конкретного применения. Например, затвердевающие композиции могут иметь плотность в диапазоне от около 5 фунтов на галлон (ʺфунт/галл.ʺ) до около 25 фунт/галл. В определенных вариантах реализации затвердевающие композиции могут иметь плотность в диапазоне от около 8 фунт/галл. до около 12 фунт/галл. и, в альтернативных вариантах, от около 9 фунт/галл. до около 11 фунт./галл. Варианты реализации композиций для борьбы с потерей циркуляции могут быть вспененными или невспененными или могут содержать другие средства для уменьшения их плотности, такие как полые микросферы, эластичные шарики с низкой плотностью или другие известные в данной области техники добавки, уменьшающие плотность. В некоторых вариантах реализации для повышения плотности затвердевающих композиций могут быть использованы также утяжелители. При помощи данного описания рядовые специалисты могут определить подходящую плотность для конкретного применения.
2
2
3
2
3
3
2
2
[0010] Затвердевающие композиции могут содержать цементную пыль. В контексте настоящего документа термин цементная пыль относится к твердому материалу, полученному в качестве побочного продукта нагревания определенных материалов в печах при производстве цемента. Термин "цементная пыль" в контексте настоящего документа целенаправленно включает цементную пыль, полученную так, как описано в настоящем документе, и эквивалентные формы цементной пыли. В зависимости от происхождения, например, цементная пыль может проявлять цементирующие свойства в том смысле, что она способна схватываться и затвердевать в присутствии воды. Цементная пыль может быть получена в качестве побочного продукта производства цемента, который выделяют из газообразного потока и собирают, например, в пылеуловителе. Как правило, при производстве цемента собирают большие количества цементной пыли, которые обычно утилизируют как отходы. Утилизация цементной пыли может обусловливать нежелательное удорожание производства цемента, а также экологические проблемы, связанные с ее захоронением. Данные химического анализа цементной пыли от различных производителей цемента варьируются в зависимости от многих факторов, включая конкретное сырье для печи, эффективность процесса производства цемента и связанные с ним системы улавливания пыли. Цементная пыль, в общем случае, может содержать разнообразные оксиды, такие как SiO, A1O, FeO, CaO, MgO, SO, NaO и KO.
[0011] В некоторых вариантах реализации изобретения цементная пыль может быть введена в затвердевающую композицию в качестве цементирующего компонента, который может схватываться и затвердевать при взаимодействии с водой. Кроме того, цементная пыль может также действовать как тампонирующий материал, который может осаждаться на трещинах, разломах, пустотах, каналах или других отверстиях в зоне потери циркуляции. Цементная пыль также может обеспечивать упрочнение нетекучего геля, образованного затвердевающей композицией. Цементная пыль может присутствовать в затвердевающей композиции в количестве от около 1% до около 30% от массы затвердевающей композиции и, в альтернативных вариантах, от около 5% до около 25% от массы затвердевающей композиции. Например, цементная пыль может быть введена в количестве около 1%, около 5%, около 10%, около 15%, около 20% или около 25% от массы затвердевающей композиции. В некоторых вариантах реализации затвердевающая композиция может не содержать или по существу не содержать (<0,5% по массе) любых дополнительных цементирующих компонентов, отличных от цементной пыли. При помощи данного описания рядовой специалист может определить подходящее количество цементной пыли, подлежащее введению для выбранного применения.
[0012] Затвердевающие композиции могут дополнительно содержать алюминат щелочного металла. Алюминат щелочного металла может содержать любой щелочной металл, включая, но не ограничиваясь ими, литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. В конкретном варианте реализации изобретения алюминат щелочного металла содержит алюминат натрия. В некоторых вариантах реализации изобретения алюминат щелочного металла может быть представлен как водный алюминат щелочного металла, в котором алюминат щелочного металла растворен в воде. Один из примеров подходящего водного алюмината щелочного металла представляет собой тиксотропную добавку VersaSet L производства компании Halliburton Energy Services, Inc. Алюминат щелочного металла может присутствовать в затвердевающей композиции в количестве от около 1% до около 40% от массы затвердевающей композиции и, в альтернативных вариантах, от около 5% до около 30% от массы затвердевающей композиции. Например, алюминат щелочного металла может быть введен в количестве около 1%, около 5%, около 10%, около 15%, около 20%, около 25%, около 30%, около 35% или около 40% от массы затвердевающей композиции. При помощи данного описания рядовой специалист может определить подходящее количество алюмината щелочного металла, подлежащее введению для выбранного применения.
[0013] Затвердевающие композиции могут дополнительно содержать силикат щелочного металла. Силикат щелочного металла может взаимодействовать с алюминатом щелочного металла с образованием геля. Гель может представлять собой нетекучий гель, который содержит трехмерную сеть, обусловленную взаимодействием между силикатом щелочного металла и алюминатом щелочного металла. Образование геля может быть катализируемым кислотой или основанием. Реакция может протекать быстрее в случае щелочного катализа и медленнее в случае кислотного катализа. Силикат щелочного металла может содержать любой щелочной металл, включая, но не ограничиваясь ими, литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. В конкретном варианте реализации изобретения силикат щелочного металла содержит силикат натрия. В некоторых вариантах реализации изобретения силикат щелочного металла может быть представлен как водный силикат щелочного металла, в котором силикат щелочного металла растворен в воде. Примером подходящего водного силиката щелочного металла является добавка Liquid Econolite™ производства компании Halliburton Energy Services. Водный силикат щелочного металла может быть получен добавлением коллоидного диоксида кремния к гидроксиду натрия. Соотношение коллоидного диоксида кремния к гидроксиду натрия может быть подобрано, среди прочего, для изменения рН и растворения диоксида кремния. Силикат щелочного металла может присутствовать в затвердевающей композиции в количестве от около 1% до около 40% от массы затвердевающей композиции и, в альтернативных вариантах, от около 5% до около 30% от массы затвердевающей композиции. Например, силикат щелочного металла может быть введен в количестве около 1%, около 5%, около 10%, около 15%, около 20%, около 25%, около 30%, около 35% или около 40% от массы затвердевающей композиции. При помощи данного описания рядовой специалист может определить подходящее количество силиката щелочного металла, подлежащее введению для выбранного применения.
[0014] Затвердевающая композиция может дополнительно содержать водную несущую текучую среду. Водная несущая текучая среда может содержать любую из множества различных водных текучих сред, включая, но не ограничиваясь ими, водопроводную воду, пресную воду, деионизированную воду, соленую воду и их комбинации. В общем случае, водная несущая текучая среда может быть из взята из любого источника, при условии, что водная несущая текучая среда не содержит избытка соединений, которые могут нежелательным образом воздействовать на другие компоненты флюида для обработки приствольной зоны. Водная несущая текучая среда может быть введена в количестве от около 10% до около 80% от массы затвердевающей композиции и, в альтернативных вариантах, от около 30% до около 60% от массы затвердевающей композиции.
[0015] В затвердевающие композиции могут быть введены многочисленные дополнительные добавки, как понятно рядовому специалисту при прочтении данного описания. Примеры таких добавок включают, но не ограничиваются ими: утяжелители, легковесные добавки (например, микросферы), загустители (например, глины, гидратируемые полимеры, гуаровая камедь), свободные добавки для ликвидации водопритоков, понизители водоотдачи, тампонирующие агенты, диспергаторы, пенообразующие добавки (например, пенообразующие поверхностно-активные вещества), пеногасители, ингибиторы коррозии, ингибиторы накипеобразования, агенты для обработки пласта и гидрофильные поверхностно-активные вещества. Конкретные примеры указанных и других добавок включают органические полимеры, биополимеры, латекс, резиновую муку, поверхностно-активные вещества, кристаллический диоксид кремния, аморфный диоксид кремния, кварцевую муку, пирогенный диоксид кремния, наноглины (например, глины, имеющие по меньшей мере один размер частиц менее 100 нм), соли, волокна, гидратируемые глины, микросферы, золу рисовой шелухи, микроизмельченный цемент (например, цемент, имеющий средний размер частиц от около 5 мкм до около 10 мкм), метакаолин, цеолит, сланец, портландцемент, перемолотый с пемзой портландцемент, перлит, барит, шлак, известь (например, гидратированную известь), гипс и любые их комбинации, и т.п. При помощи данного описания рядовой специалист может легко определить тип и количество добавки, подходящей для конкретного применения и достижения требуемого результата. Следует понимать, что при описании в настоящем изобретении множества необязательных добавок, которые могут быть введены в затвердевающие композиции, подразумеваются все комбинации описанных добавок.
[0016] Затвердевающие композиции могут быть использованы во многих различных применениях, где может потребоваться герметизация подземного пласта, включая, среди прочего, закупоривание, ликвидацию, борьбу с потерей циркуляции и снижение водоотдачи. В некоторых вариантах реализации затвердевающая композиция может быть введена в ствол скважины и оставлена для образования нетекучего геля. Затвердевающая композиция может образовывать нетекучий гель в зоне потери циркуляции или в другом месте, где может потребоваться уменьшение или предотвращение потока флюидов. Затвердевающая композиция может содержать цементную пыль, алюминат щелочного металла, силикат щелочного металла и водную несущую текучую среду. Затвердевающая композиция может дополнительно содержать одну или более необязательных добавок, описанных в настоящем документе.
[0017] В одном из вариантов реализации изобретения может быть предложена затвердевающая композиция, содержащая цементную пыль, алюминат щелочного металла, силикат щелочного металла и водную несущую текучую среду.
[0018] В другом варианте реализации изобретения может быть предложена система, содержащая затвердевающую композицию, содержащую цементную пыль, алюминат щелочного металла, силикат щелочного металла и водную несущую текучую среду; и насосное оборудование для введения затвердевающей композиции в подземный пласт.
[0019] В другом варианте реализации изобретения может быть предложен способ, включающий введение в подземный пласт затвердевающей композиции, содержащей цементную пыль, алюминат щелочного металла, силикат щелочного металла и водную несущую текучую среду; и обеспечение возможности схватывания затвердевающей композиции и тем самым снижения потока флюида через часть подземного пласта.
[0020] В другом варианте реализации изобретения может быть предложен способ, включающий введение первого потока, содержащего водный алюминат щелочного металла и цементную пыль, в зону потери циркуляции в подземном пласте; введение второго потока, содержащего водный силикат щелочного металла, в зону потери циркуляции в подземном пласте; образование затвердевающей композиции при перемешивании первого потока и второго потока и обеспечение возможности схватывания затвердевающей композиции в зоне потери циркуляции.
[0021] В некоторых вариантах реализации затвердевающая композиция может схватываться с образованием алюмосиликатного геля. В конкретных вариантах реализации затвердевающая композиция может образовывать нетекучий гель. Благодаря введению цементной пыли в затвердевающую композицию затвердевающая композиция может схватываться в затвердевшую массу с приемлемой прочностью на сжатие. Кроме того, в некоторых вариантах реализации небольшая часть затвердевающей композиции может оставаться в активном свободном флюиде в текучем жидком состоянии даже после образования геля. В некоторых вариантах реализации затвердевающая композиция может быть получена смешиванием цементной пыли в водном алюминате щелочного металла с образованием суспензии, с последующим введением водного силиката щелочного металла в полученную суспензию с образованием затвердевающей композиции. В конкретном варианте реализации изобретения соотношение водного алюмината щелочного металла к цементной пыли и к водному силикату щелочного металла в затвердевающей композиции может составлять примерно 2:1:2. Однако характеристики и свойства затвердевающей композиции могут быть ослаблены путем подбора концентрации компонентов композиции. Например, объем геля и затвердевшего материала может быть увеличен при уменьшении соотношения алкилалюмината к алкилсиликату. При уменьшении соотношения алкилалюмината к алкилсиликату может также происходить уменьшение объема активного свободного флюида.
[0022] В некоторых вариантах реализации изобретения затвердевающая композиция может характеризоваться пределом прочности при одноосном сжатии в неограниченном пространстве, составляющим около 50 psi или более. Указанные значения могут быть достигнуты за 7 дней или менее. Некоторые композиции могут быть разработаны так, чтобы обеспечивать указанную прочность на сжатие через 24-48 часов. Типичная форма и размеры образца для измерения являются такими же, как, но не ограничиваясь ими, форма и размеры образца, используемого для характеристики цементов для нефтяных скважин: кубики с ребром 2 дюйма; или цилиндры диаметром 2 дюйма и длиной 4 дюйма; или цилиндры диаметром 1 дюйм и длиной 2 дюйма; и другие способы, известные специалистам в данной области техники для измерения "механических свойств" цементов для нефтяных скважин. Например, прочность на сжатие может быть определена путем разрушения образцов в испытательном прессе. Прочность на сжатие рассчитывают делением разрушающей нагрузки на площадь поперечного сечения, к которому она приложена, и записывают в единицах фунт силы на квадратный дюйм (psi). Прочность на сжатие может быть определена в соответствии с руководством API RP 10B-2, Recommended Practice for Testing Well Cements, первое издание, июль, 2005.
[0023] В различных вариантах реализации небольшая часть затвердевающей композиции может оставаться в активном свободном флюиде в текучем жидком состоянии даже после образования нетекучего геля. Например, активный свободный флюид может присутствовать в затвердевающей композиции в количестве около 40% или менее от объема затвердевающей композиции, в альтернативных вариантах, около 20% или менее по объему; в альтернативных вариантах, около 10% или менее по объему; и в альтернативных вариантах, около 5% или менее по объему.
[0024] Как отмечено выше, в одном из вариантов реализации затвердевающие композиции могут быть введены в ствол скважины для обеспечения контроля потери циркуляции. Например, затвердевающая композиция может быть использована для предотвращения утечки флюидов (например, буровых растворов) в зоны потери циркуляции, которые могут включать трещины (естественные или уже существующие), разломы, пустоты, каналы и другие отверстия, через которые может происходить поглощение флюида. В конкретных вариантах реализации затвердевающая композиция может быть введена в ствол скважины в качестве единственного потока для создания барьера, который по существу герметизирует зону потери циркуляции или другой неприемлемый проток. Например, затвердевающая композиция может быть введена в скважину через буровую головку. В другом варианте реализации затвердевающая композиция может быть получена в скважине посредством смешивания первого потока, содержащего один или более компонентов композиции, и второго потока, содержащего дополнительные компоненты композиции. Например, затвердевающая композиция может быть получена в скважине посредством смешивания первого водного потока, содержащего алюминат щелочного металла, и второго водного потока, содержащего силикат щелочного металла. Цементная пыль может быть введена в первый водный поток, во второй водный поток или и в первый, и второй водный потоки.
[0025] В одном из вариантов реализации затвердевающая композиция может быть введена в ствол скважины, подземный пласт или зону потери циркуляции в качестве единственного водного потока. То есть в таком варианте реализации все компоненты затвердевающей композиции могут быть смешаны и введены в ствол скважины в виде одной композиции. При помощи данного описания рядовой специалист может определить, что введение в качестве единственного водного потока может быть подходящим способом введения, если схватывание геля происходит с задержкой по времени, замедленным или иным контролируемым образом, так чтобы гель не затвердел до достижения требуемого положения. Например, один или более реакционноспособных компонентов (например, алюминат щелочного металла, силикат щелочного металла) могут быть инкапсулированы при введении в ствол скважины для замедления образования геля. Инкапсулированный компонент может высвобождаться для взаимодействия с другими компонентами затвердевающей композиции в нижней части ствола скважины рядом, вблизи или в самой зоне потери циркуляции. При обеспечении возможности взаимодействия компонентов затвердевающей композиции образуется гель или начинает образовываться гель затвердевающей композиции. Таким образом, в результате взаимодействия компонентов композиции в зоне потери циркуляции (или вблизи нее) может происходить образование геля в зоне потери циркуляции. В качестве дополнительного примера, один или более реакционноспособных компонентов (например, алюминат щелочного металла, силикат щелочного металла) могут быть представлены в твердой форме, чтобы взаимодействие было отсрочено по времени до момента растворения твердого материала в водной несущей текучей среде.
[0026] В альтернативном варианте реализации затвердевающая композиция может быть введена в ствол скважины, пласт или зону потери циркуляции в виде нескольких компонентов. Как понятно специалистам в данной области техники, может быть желательно или преимущественно вводить компоненты затвердевающей композиции по отдельности, например, в таких ситуациях, в которых затвердевающая композиция превращается в гель за относительно короткий промежуток времени (например, такой гель, который может схватываться или начинать схватываться за более короткое время, чем необходимо для введения затвердевающей композиции в требуемое положение). Введение двух или более компонентов затвердевающей композиции по отдельности обеспечивает возможность размещения затвердевающей композиции в зоне потери циркуляции до образования геля. Раздельное введение по меньшей мере двух компонентов композиции может быть достигнуто разными способами, более подробно описанными ниже.
[0027] В некоторых вариантах реализации раздельное введение по меньшей мере двух компонентов композиции может быть достигнуто посредством введения в виде двух или более независимых потоков жидкостей. То есть первый компонент может быть введен в ствол скважины, пласт или зону потери циркуляции через первый канал, а второй компонент может быть введен через второй канал, отдельный от первого канала. Введение в ствол скважины жидкостей через два или более каналов известно рядовым специалистам, например, в виде потока внутри трубы и в кольцевом зазоре, образованном между трубой и стенкой ствола скважины (или трубой большего диаметра). Введение в ствол скважины через два или более каналов может обеспечивать оператору несколько преимуществ. Например, первый компонент затвердевающей композиции может быть введен в буровой раствор, который прокачивают в стволе скважины во время буровых работ. При обнаружении во время буровых работ зоны потери циркуляции в ствол скважины может быть введен второй компонент через канал, отдельный от канала, по которому циркулирует буровой раствор. Применение композиции, способной к образованию геля, которая схватывается мгновенно или по существу мгновенно, приводит к образованию геля в том месте или по существу вблизи того места, где происходит контакт первого компонента и второго компонента. Таким образом, использование нескольких каналов может обеспечивать оператору возможность тампонирования или герметизации зоны потери циркуляции без полной остановки буровых работ.
[0028] В другом варианте реализации раздельное введение по меньшей мере двух компонентов композиции может быть достигнуто посредством введения указанных компонентов в один канал, но разделенных вытесняющей жидкостью. Такая вытесняющая жидкость может содержать высоковязкую жидкость, которая по существу или полностью предотвращает перемешивание компонентов композиции при их закачивании в ствол скважины. Примеры вытесняющих жидкостей и способов их применения хорошо известны специалистам в данной области техники. После введения в подземный пласт затвердевающая композиция может поступать в зону потери циркуляции и затвердевать с образованием массы, которая по существу замедляет или исключает потерю циркуляции.
[0029] В одном из вариантов реализации способ борьбы с потерей циркуляции может включать введение затвердевающей композиции в зону потери циркуляции или другой неприемлемый проток. Затвердевающая композиция может быть эффективным средством борьбы с потерей циркуляции в зоне потери циркуляции или другом протоке. Затвердевающая композиция может быть введена в виде одного потока или нескольких потоков, как описано выше в настоящем документе. Не ограничиваясь какой-либо конкретной теорией, компоненты затвердевающей композиции могут действовать синергетически для борьбы с потерей циркуляции. Например, при введении затвердевающей композиции в зону потери циркуляции или проток, цементная пыль может связывать некоторые участки пустот в зоне потери циркуляции или другом протоке. После введения затвердевающей композиции по меньшей мере ее часть может быстро образовывать гель. В конкретных вариантах реализации затвердевающая композиция может образовывать гель, рассеивающий энергию в акустическом диапазоне частот. Со временем гель может схватываться в затвердевшую массу с приемлемой прочностью на сжатие. Небольшая часть затвердевающей композиции может оставаться в активном свободном флюиде в текучем жидком состоянии даже после образования геля. Указанный активный свободный флюид может проникать глубже в зону потери циркуляции, где он затем может затвердевать, обеспечивая более эффективный контроль потери циркуляции.
[0030] Обратимся к фиг. 1, где представлен пример производственного оборудования для способов и композиций, описанных в настоящем документе. Следует отметить, что хотя на фиг. 1, в общем случае, изображена наземная рабочая площадка, специалистам в данной области должно быть ясно, что описанные в данном документе принципы равным образом применимы к подводным операциям, в которых используют плавучие или морские платформы и буровые установки, без выхода за пределы объема данного описания изобретения. Как показано, буровая установка 100 может быть установлена на земной поверхности 102 и выступать поверх и вокруг ствола 104 скважины, который проходит через подземный пласт 106. Хотя ствол скважины 104 показан проходящим, в общем случае, вертикально в подземный пласт 106, описанные в данном документе принципы применимы также к стволам скважин, которые проходят через подземный пласт 106 под углом, таким, как горизонтальные и наклонные стволы скважин. Ствол 104 скважины может быть пробурен в подземном пласте 106 с помощью любой подходящей технологии бурения. В одном из вариантов реализации буровая установка 100 содержит буровую вышку 108 с полом 110 буровой, сквозь который рабочая колонна 112 выходит вниз от буровой установки 100 внутрь ствола 104 скважины. Хотя это не показано, рабочая колонна 112 может обеспечивать доставку оборудования для эксплуатации скважины (например, буровой головки) или некоторых его деталей на заданную глубину ствола 104 скважины. В некоторых вариантах реализации по меньшей мере часть ствола 104 скважины может быть облицована обсадной колонной 114, которая может быть закреплена в одном положении в стволе 104 скважины с помощью цемента 116. В альтернативных вариантах реализации ствол 104 скважины может быть частично обсажен и зацементирован, в результате чего часть ствола 104 скважины является необсаженной.
[0031] Во время одной или более операций бурения, завершения или обслуживания скважины может быть обнаружена зона 118 потери циркуляции. При обнаружении зоны 118 потери циркуляции может быть желательно использовать затвердевающую композицию, описанную в настоящем документе, для предотвращения, уменьшения, минимизации и/или прекращения поглощения флюидов в зону 118 потери циркуляции. Внесение затвердевающей композиции в зону 118 потери циркуляции может быть эффективным средством тампонирования или герметизации зоны 118 потери циркуляции и тем самым предотвращения, прекращения и/или по существу уменьшения поглощения флюидов из ствола 104 скважины в зону 118 потери циркуляции. Как описано ранее, в различных вариантах реализации затвердевающая композиция может быть введена в зону 118 потери циркуляции в качестве единственного потока или в виде двух или более потоков. Хотя зона 118 потери циркуляции показана как отверстие, направленное из ствола 104 скважины в подземный пласт 106, подразумевается, что зона 118 потери циркуляции может содержать один или более элементов, включая, без ограничения, трещины (естественные или уже существующие), разломы, пустоты, каналы, отверстия и/или т.п. Более того, хотя зона 118 потери циркуляции показана в необсаженной части ствола 104 скважины, подразумевается, что зона потери циркуляции также может быть в той части ствола 104 скважины, который находится внутри обсадной колонны 114.
[0032] Обратимся к фиг. 2, где показано, что затвердевающая композиция, которая может содержать цементную пыль, алюминат щелочного металла, силикат щелочного металла и водную несущую текучую среду, может быть введена в зону 118 потери циркуляции в соответствии с иллюстративными вариантами реализации изобретения. Первый поток 120 может быть закачан вниз по внутренней части рабочей колонны 112 через буровую головку 122 на рабочей колонне 112 и внутрь зоны 120 потери циркуляции. Первый поток 120 может содержать один или более компонентов затвердевающей композиции. Например, первый поток 120 может содержать алюминат щелочного металла или силикат щелочного металла. Необязательно, первый поток 120 может дополнительно содержать цементную пыль. Второй поток 124 может быть закачан вниз по кольцевому зазору 124 между рабочей колонной 112 и обсадной колонной 114 и внутрь зоны 118 потери циркуляции. Второй поток 124 может содержать один или более компонентов затвердевающей композиции. Например, второй поток 124 может содержать алюминат щелочного металла или силикат щелочного металла. Необязательно, второй поток 124 может дополнительно содержать цементную пыль. В первый и второй потоки 120, 124 также могут быть введены дополнительные компоненты затвердевающей композиции, как понятно рядовому специалисту. Как показано стрелками 128, первый и второй потоки 120, 124 могут приходить в контакт и смешиваться с образованием затвердевающей композиции в зоне 118 потери циркуляции. Контакт и смешивание первого и второго потоков 120, 124 может происходить в нижней части ствола 114 скважины рядом, вблизи или в самой зоне 118 потери циркуляции. По меньшей мере часть затвердевающей композиции может схватываться в зоне 118 потери циркуляции с образованием затвердевшей массы, обеспечивая тем самым предотвращение, прекращение и/или по существу уменьшение поглощения флюидов из ствола 104 скважины в зону 118 потери циркуляции. Как описано выше, в некоторых вариантах реализации небольшая часть затвердевающей композиции может оставаться в активном свободном флюиде в текучем жидком состоянии даже после образования геля, что обеспечивает более глубокое проникновение затвердевающей композиции в зону 118 потери циркуляции.
[0033] На фиг. 3, изображена система 130, которая может быть использована для введения затвердевающей композиции или ее части в ствол 118 скважины в соответствии с определенными вариантами реализации изобретения. Показано, что затвердевающая композиция (или ее часть) может быть смешана в смесительном оборудовании 132, таком как струйный смеситель, рециркуляционный смеситель или порционный смеситель, а затем закачана в ствол 118 скважины при помощи насосного оборудования 134. В некоторых вариантах реализации изобретения смесительное оборудование 132 и насосное оборудование 134 могут быть размещены на одном или более цементовозов, что должно быть понятно рядовым специалистам в данной области. Хотя это не показано в отдельности, в некоторых вариантах реализации смесительное оборудование 132 может содержать один или более из циркуляционного насоса, системы ввода жидких добавок, резервуара для введения добавок и/или бака для хранения. Хотя это также не показано в отдельности, насосное оборудование 134 может содержать один или более насосов, выполненных с возможностью раздельного введения затвердевающей композиции в ствол 118 скважины в виде двух или более отдельных потоков.
[0034] Иллюстративные затвердевающие композиции, описанные в настоящем документе, могут прямо или косвенно воздействовать на один или более компонентов или частей оборудования, связанного с получением, доставкой, возвратом, утилизацией, повторным использованием и/или удалением описанных затвердевающих композиций. Например, затвердевающие композиции могут прямо или косвенно воздействовать на один или более смесителей, связанное с ними смесительное оборудование, резервуары для бурового раствора, складские мощности или блоки, сепараторы композиций, теплообменники, датчики, измерительные приборы, насосы, компрессоры и т.п. оборудование, используемое для получения, хранения, мониторинга, регулирования и/или восстановления прежних свойств иллюстративных затвердевающих композиций. Описанные затвердевающие композиции также могут прямо или косвенно воздействовать на любое транспортное или доставочное оборудование, используемое для перевозки затвердевающих композиций (или их компонентов) к буровой площадке или их подачи в скважину, такое как, например, любые транспортировочные емкости, патрубки, трубопроводы, грузовики, системы труб и/или трубы, используемые для композиционного перемещения затвердевающих композиций с одного места на другое, любые насосы, компрессоры или двигатели (например, на верхних строениях или в скважине), используемые для приведения в движение затвердевающих композиций, любые клапаны или аналогичные соединения, используемые для регулирования давления или скорости потока затвердевающих композиций, и любые датчики (т.е. давления и температуры), измерительные приборы и/или их комбинации и т.п. Описанные затвердевающие композиции также могут прямо или косвенно воздействовать на различное внутрискважинное оборудование и инструменты, которые могут быть приведены в контакт с затвердевающими композициями, такие как, но не ограничиваясь ими, обсадная колонна ствола скважины, хвостовик ствола скважины, колонна заканчивания, вставные колонны, бурильная колонна, гибкие трубы, тросовый канат, кабельная проволока, бурильная труба, утяжеленные бурильные трубы, гидравлические забойные двигатели, внутрискважинные двигатели и/или насосы, цементировочные насосы, наземные двигатели и/или насосы, центраторы, турболизаторы, скребки, устройства поплавкового типа (например, башмаки, муфты, клапаны и т.д.), каротажные приборы и сопутствующее телеметрическое оборудование, приводные механизмы (например, электромеханические устройство, гидромеханические устройства и т.д.), скользящие муфты, эксплуатационные муфты, заглушки, сети, фильтры, регуляторы потока (например, регуляторы притока, автономные регуляторы притока, регуляторы расхода и т.д.), соединители (например, электрогидравлическое мокрое соединение, сухое соединение, индуктивный соединитель и т.д.), линии управления (например, электрические, оптоволоконные, гидравлические и т.д.), линии для технического надзора, буровые головки и наддолотные расширители, датчики или распределенные датчики, внутрискважинные теплообменники, клапаны и соответствующие приводные устройства, прокладки приборов, пакеры, цементные пробки, мостовые пробки и другие скважинные изолирующие устройства или компоненты и т.п.
[0035] Для облегчения понимания настоящих вариантов реализации изобретения приведены следующие примеры определенных аспектов некоторых вариантов реализации изобретения. Эти примеры ни в коем случае не следует воспринимать как ограничивающие или определяющие полный объем вариантов реализации изобретения.
ПРИМЕРЫ
[0036] Следующий пример был выполнен для демонстрации образования геля и затвердевания затвердевающих композиций, содержащих цементную пыль водный алюминат натрия и водный силикат натрия. Получили тринадцать различных образцов (обозначенных как Образцы 1-13) с использованием указанных количеств цементной пыли, водного алюмината натрия и водного силиката натрия. Водная несущая текучая среда не указана отдельно, поскольку водный алюминат натрия и водный силикат натрия представляли собой водные растворы: 38 мас. % раствор алюмината натрия и 40 мас. % раствор силиката натрия, соответственно. Образцы 3, 6 и 9 представляют собой сравнительные примеры, поскольку они не содержат цементную пыль. Образец 12 представляет собой сравнительный пример, поскольку он не содержит силикат натрия. Образец 13 представляет собой сравнительный пример, поскольку он не содержит алюминат натрия. Цементную пыль, использованную в данном примере, приобрели у компании Holcim, Inc. Водный алюминат натрия, использованный в данном примере, представлял собой тиксотропную добавку VersaSet L производства компании Halliburton Energy Services, Inc. Водный силикат натрия, использованный в данном примере, представлял собой Liquid Econolite™ производства компании Halliburton Energy Services.
[0037] Образцы смешивали, получив сначала суспензию водного алюмината натрия и цементной пыли, а затем добавив к полученной суспензии водный раствор силиката натрия при перемешивании. Например, к 50 г водного алюмината натрия (38 мас. %) добавляли 25 г цементной пыли. Смесь перемешивали вручную с помощью лопатки с получением суспензии. Затем к суспензии добавляли 50 г водного раствора силиката натрия (40 мас. %) и вручную перемешивали смесь с помощью лопатки с получением нетекучего гелеобразного материала. После получения образцы в контейнерах оставили затвердевать в затвердевшую массу. Композиции визуально изучали для определения образования геля и затвердевания. Количество активного свободного флюида определяли сливанием жидкости с блока гелеобразного продукта в мерный цилиндр.
[0038] Результаты данного Примера представлены ниже в таблице.
Таблица 1
Образец
Водный алюминат натрия (г)
Водный силикат натрия (г)
Цементная пыль (г)
Объем активного свободного флюида (мл)
Наблюдения
1
50
25
5
35
Мгновенное образование нетекучего геля; отсутствие полного затвердевания
2
50
25
10
0
Мгновенное образование текучего геля; сохранение геля в текучем состоянии спустя более 24 часов
3
50
25
0
32
Мгновенное образование нетекучего геля; отсутствие полного затвердевания
4
50
50
5
25
Мгновенное образование нетекучего геля; полное затвердевание менее чем за 30 минут
5
50
50
10
30
Мгновенное образование нетекучего геля; полное затвердевание менее чем за 20 минут
6
50
50
0
24
Мгновенное образование нетекучего геля; отсутствие затвердевания; сохранение свободного флюида спустя более 48 часов
7
25
50
5
4,5
Мгновенное образование нетекучего геля; полное затвердевание менее чем за 30 минут
8
25
50
10
2,5
Мгновенное образование нетекучего геля; полное затвердевание менее чем за 20 минут
9
25
50
0
0
Мгновенное образование нетекучего геля; отсутствие затвердевания
10
50
50
25
24
Мгновенное образование нетекучего геля; полное затвердевание менее чем за 20 минут
11
25
50
25
0
Мгновенное образование нетекучего геля; полное затвердевание менее чем за 30 минут
12
50
0
5
н.д.
Образование текучей вязкой суспензии; отсутствие образования нетекучего геля в течение по меньшей мере 48 часов
13
0
50
5
н.д.
Образование текучей вязкой суспензии; отсутствие образования нетекучего геля в течение по меньшей мере 48 часов
[0039] Образцы 1-3: Было обнаружено, что гель образовался мгновенно. Однако полученные композиции никогда полностью не затвердевали.
[0040] Образцы 4-6: Было обнаружено, что при смешивании водного алюмината натрия, цементной пыли и водного силиката натрия в соотношении 10:1:10 (Пример 4) мгновенно образовался нетекучий гель, при этом вокруг нетекучего геля сохранился активный свободный флюид. Указанный активный свободный флюид также затвердел менее чем за 30 минут перемешивания, и вся смесь стала затвердевшей массой. Увеличение количества цементной пыли в Образце 5 до соотношения водного алюмината натрия, цементной пыли и водного силиката натрия 5:1:5 привело к такому же мгновенному образованию нетекучего геля и сохранению некоторого количества свободного флюида; однако время схватывания сократилось на 1/3 (с 30 минут для Образца 4 до 20 минут для Образца 5). Для контрольного образца (Образец 6) из смеси равных частей водного алюмината натрия и водного силиката натрия без цементной пыли наблюдали мгновенное образование нетекучего геля при перемешивании; однако смесь не схватилась в затвердевшую массу. Напротив, она осталась в виде нетекучего геля, окруженного активным свободным флюидом.
[0041] Примеры 7-9: Уменьшение количества водного алюмината натрия до соотношения водного алюмината натрия, цементной пыли и водного силиката натрия 5:1:10 (Образец 7) привело к получению композиций с такими же характеристиками, как Примеры 4 и 5, за исключением того, что осталось гораздо меньше свободного флюида (уменьшение содержания флюида ≥ 80%). Указанное количество свободного флюида может быть уменьшено за счет увеличения количества цементной пыли в смеси в два раза, как показано в Примере 8. Примеры 7 и 8 полностью затвердели в твердую массу менее чем за 30 минут. Для контрольного образца (Образец 9) из 1:2 смеси водного алюмината натрия и водного силиката натрия наблюдали образование нетекучего геля при перемешивании, отсутствие свободного флюида, и указанная смесь не превратилась в затвердевшую массу.
[0042] Образцы 10 и 11: Увеличение количества цементной пыли до соотношения водного алюмината натрия, цементной пыли и водного силиката натрия 2:1:2 (Образец 10) снова привело к мгновенному образованию геля с приемлемым количеством свободного флюида. Полученный материал схватился в затвердевшую массу менее чем за 20 минут и имел прочность на сжатие, измеренную через 24 часа (190°F, разрушение цилиндрического образца), более 130 psi. Прочность на сжатие определяли в соответствии с руководством API RP 10B-2, Recommended Practice for Testing Well Cements, первое издание, июль, 2005. Как показано для Образца 11, из смеси с соотношением водного алюмината натрия, цементной пыли и водного силиката натрия 1:1:2 при перемешивании также получили нетекучий гель, в котором, однако, отсутствовал свободный флюид. При этом он полностью затвердел менее чем за 30 минут, но имел меньшую прочность на сжатие (крошащееся твердое вещество), чем Образец 10. В дополнительном примере получили Пример 10 и после смешивания компонентов вылили свободный флюид в отдельный контейнер. Свободный флюид оставался в текучем жидком состоянии в течение по меньшей мере 30 минут перед схватыванием в твердую массу, иллюстрируя, что он представляет собой активный свободный флюид.
[0043] Образцы 12 и 13: Чтобы определить, возможны ли такие наблюдения для комбинации только двух активных компонентов, или необходимы все три активных компонента, получили сравнительные Примеры 12 и 13. Было показано, что смесь водного алюмината натрия и цементной пыли (Образец 12), как и смесь водного силиката натрия и цементной пыли (Образец 13), обе в соотношении 10:1, образуют вязкую суспензию, но не образуют нетекучий гель и не схватываются в затвердевшую массу в течение по меньшей мере 48 часов.
[0044] Для краткости, в данном документе раскрыты полностью только определенные диапазоны. Тем не менее, диапазоны от любого нижнего предела могут быть скомбинированы с любым верхним пределом, чтобы описать диапазон, не описанный полностью, так же как диапазоны от любого нижнего предела могут быть скомбинированы с любым другим нижним пределом, чтобы описать диапазон, не описанный полностью, таким же образом, диапазоны от любого верхнего предела могут быть скомбинированы с любым другим верхним пределом, чтобы описать диапазон, не описанный полностью. Кроме того, во всех случаях, когда раскрыт численный диапазон с нижним пределом и верхним пределом, любое число и любой включенный диапазон, попадающие внутрь этого диапазона, описаны конкретно. В частности, каждый диапазон значений (в виде «от около a до около b» или, эквивалентно, «от приблизительно a до b» или, эквивалентно, «от приблизительно a-b»), описанный в данном документе, следует понимать как описывающий каждое число и диапазон, входящие в более широкий диапазон значений, даже если они описаны не полностью. Таким образом, каждая точка или отдельное значение могут выступать в качестве своего собственного нижнего или верхнего предела, скомбинированные с любой другой точкой или отдельным значением или с любым другим нижним или верхним пределом, чтобы описать диапазон, не описанный полностью.
[0045] Таким образом, иллюстративные варианты реализации изобретения отлично подходит для достижения целей и получения преимуществ, указанных выше, а также присущих им. Конкретные варианты реализации изобретения, раскрытые выше, являются лишь иллюстрацией, поскольку раскрытые варианты реализации изобретения могут быть модифицированы и осуществлены различными, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области, у которых есть возможность ознакомиться с настоящим описанием. Хотя обсуждались только отдельные варианты реализации изобретения, настоящее изобретение охватывает все комбинации всех вариантов реализации изобретения. Кроме того, не налагаются ограничения в отношении подробностей разработки или конструкции, приведенных в данном документе, за исключением описанных в приведенной ниже формуле изобретения. Также, термины в формуле изобретения использованы в их простом, обычном значении, если обратное явным образом не указано заявителем. Таким образом, очевидно, что конкретные иллюстративные варианты реализации изобретения, раскрытые выше, могут быть изменены или модифицированы, и все такие изменения находятся в пределах объема и сущности настоящего изобретения. При наличии противоречий в использовании слова или термина в настоящем описании и одном или более патенте(-ах) или других документах, которые могут быть включены в настоящее описание посредством ссылки, следует принимать определения, соответствующие настоящему описанию.