СПОСОБЫ И КОМПОЗИЦИИ, СОДЕРЖАЩИЕ ПЫЛЬ ЦЕМЕНТНОЙ ПЕЧИ С ИЗМЕНЕННЫМ РАЗМЕРОМ ЧАСТИЦ
METHODS AND COMPOSITIONS CONTAINING DUST OF A CEMENT-FURNACE WITH A CHANGED PARTICLE SIZE

Уровень техники
Обычно обработка скважин включает в себя широкий набор способов, которые могут быть осуществлены в нефтяных, газовых, геотермальных и/или водозаборных скважинах, такие как способы бурения, заканчивания и капитального ремонта скважин. Указанные способы бурения, заканчивания и капитального ремонта скважин могут включать (но не ограничиваются перечисленным): бурение, гидравлический разрыв пласта, кислотную обработку, каротаж, цементирование, заполнение скважины гравием, методы перфорирования и напластования. Многие из этих способов обработки скважин предназначаются для улучшения и/или облегчения извлечения желательных текучих сред из подземных скважин.
В способах цементирования, таких как строительство скважины и исправительное цементирование, обычно используются схватывающиеся композиции. Используемый в изобретении термин "схватывающиеся композиции" относится к композиции (композициям), которая гидравлически схватывается, или ее прочность на сжатие развивается иным образом. Схватывающиеся композиции могут быть использованы в операциях первичного цементирования, в соответствии с чем колонны труб, такие как обсадная колонна и хвостовик обсадной колонны, цементируются в стволах скважин. При осуществлении первичного цементирования схватывающиеся композиции можно закачивать внутрь межтрубного пространства между подземной формацией и колонной труб, расположенной в подземной формации. Схватывающиеся композиции должны схватываться в межтрубном пространстве, таким образом, образуется кольцеобразное покрытие из отвержденного цемента (например, цементное кольцо), которое должно поддерживать и определять местоположение колонны труб в стволе скважины и связывать внешнюю поверхность колонны труб со стенками ствола скважины. Схватывающиеся композиции также могут быть использованы в способах исправительного цементирования, таких как размещение цементных заглушек, и при цементировании под давлением для герметизации пустот в колонне труб, цементном кольце, гравийном фильтре, формации и тому подобном. Схватывающиеся композиции также могут быть использованы на поверхности, например, при цементировании в области строительства.
Схватывающиеся композиции для использования в подземных формациях могут дополнительно содержать портландцемент. Обычно портландцемент является основной составляющей стоимости цементных композиций. В цементные композиции могут входить другие компоненты в дополнение к (или вместо) портландцементу. Указанные компоненты могут включать зольную пыль, шлак, сланец, цеолит, метакаолин, пемзу, перлит, известь, диоксид кремния, золу рисовой шелухи, микроразмерный цемент, пыль из печи обжига извести и тому подобное. Однако условия эксплуатации скважин становятся более напряженными и ответственными, продолжается поиск новых материалов, чтобы удовлетворять указанным запросам.
Раскрытие изобретения
В одном варианте осуществления изобретения раскрыт способ подземной обработки. Этот способ может включать в себя введение обрабатывающей текучей среды внутрь подземной формации, причем обрабатывающая текучая среда содержит пыль цементной печи, имеющую средний размер частиц, который был изменен от исходного размера частиц за счет измельчения, разделения или их комбинации.
В другом варианте осуществления изобретения описан способ подземной обработки. Указанный способ может включать в себя введение обрабатывающей текучей среды внутрь подземной формации, причем обрабатывающая текучая среда содержит пыль цементной печи, имеющую средний размер частиц, который был уменьшен от их исходного размера.
В другом варианте осуществления изобретения описан способ подземной обработки. Указанный способ может включать в себя введение обрабатывающей текучей среды внутрь подземной формации, причем обрабатывающая текучая среда содержит пыль цементной печи, которая была измельчена.
В другом варианте осуществления изобретения описан способ получения пыли цементной печи. Этот способ может включать обеспечение пыли цементной печи, имеющей исходный размер частиц. Кроме того, способ может включать изменение среднего размера частиц пыли цементной печи от исходного размера частиц путем измельчения, разделения или их комбинации.
В другом варианте осуществления изобретения описана текучая среда для обработки скважины. Указанная текучая среда для обработки скважины может содержать пыль цементной печи, имеющую средний размер частиц, который был изменен от исходного размера частиц за счет измельчения, разделения или их комбинации.
В другом варианте изобретения описана добавка для схватывающейся композиции.
Указанная добавка может содержать пыль цементной печи, имеющую средний размер частиц, который был изменен от исходного размера частиц за счет измельчения, разделения или их комбинации.
Признаки и преимущества настоящего изобретения будут вполне понятны специалистам в этой области техники. Хотя специалисты в этой области техники могут осуществить многочисленные изменения, такие изменения попадают в объем сущности изобретения.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Варианты осуществления схватывающихся композиций настоящего изобретения включают в себя пыль цементной печи, имеющую средний размер частиц, который был изменен от исходного размера. Средний размер частиц пыли цементной печи может быть изменен, например, для избирательного увеличения или уменьшения среднего размера частиц, в зависимости от конкретной области применения.
В вариантах осуществления настоящего изобретения изменение среднего размера частиц пыли цементной печи может улучшать одно или несколько свойств пыли цементной печи, в том числе характеристики заполнения пустот, времени гелеобразования и прочности на сжатие. В некоторых вариантах изобретения средний размер частиц пыли цементной печи можно избирательно изменять с учетом размера пустот, подлежащих заполнению, что может быть выгодно, например, в способах исправительного цементирования. Например, средний размер частиц пыли цементной печи можно оптимизировать для того, чтобы более эффективно заполнять пустоты в колонне труб, цементном кольце, гравийном фильтре, формации или тому подобном. В некоторых вариантах осуществления изобретения предполагается, что изменение среднего размера частиц пыли цементной печи можно использовать для регулирования времени гелеобразования композиций, содержащих пыль цементной печи. В некоторых вариантах осуществления изобретения средний размер частиц пыли цементной печи может быть уменьшен, чтобы обеспечить увеличение прочности на сжатие. Например, было показано, что уменьшение среднего размера частиц пыли цементной печи до меньше чем приблизительно 15 микрон (мкм) обеспечивает неожиданное увеличение прочности на сжатие для схватывающихся композиций, в которые можно добавлять пыль цементной печи, особенно по сравнению с использованием пыли цементной печи без уменьшения размера частиц.
В некоторых вариантах осуществления изобретения средний размер частиц пыли цементной печи может быть уменьшен от исходного размера для того, чтобы обеспечить увеличение прочности на сжатие на по меньшей мере приблизительно 5%, например увеличение величины прочности в диапазоне от по меньшей мере приблизительно 5% до 100%. В конкретных вариантах осуществления изобретения средний размер частиц пыли цементной печи может быть уменьшен для того, чтобы обеспечить увеличение прочности на сжатие на по меньшей мере приблизительно 20%, на по меньшей мере приблизительно 40%, на по меньшей мере приблизительно 60%, на по меньшей мере приблизительно 80% или на по меньшей мере приблизительно 100%. Следует понимать, что используемое в изобретении выражение «увеличение прочности на сжатие» для пыли цементной печи, имеющей уменьшенный средний размер частиц, относится к сопоставлению прочности на сжатие схватывающейся композиции, содержащей частицы пыли цементной печи уменьшенного размера, со схватывающейся композицией, содержащей исходные частицы пыли цементной печи, до уменьшения их размера. Прочность на сжатие можно определять с использованием или разрушающих, или не разрушающих методов испытания. В некоторых вариантах осуществления изобретения испытания прочности на сжатие могут быть осуществлены согласно документу API RP Practice 108-2, Recommended Practice for Testing Well Cements (Рекомендуемая практика испытания цементов для скважин) первое издание, июль 2005. Например, 24-часовую прочность на сжатие для схватывающихся композиций, содержащих пыль цементной печи, можно определить с использованием ультразвукового анализатора цемента от фирмы Farm Instruments (Хьюстон, шт. Техас), при поддержании температуры 60°С (140°F) и давления 56 МПа (8000 фунтов на квадратный дюйм (ʺpsiʹʹʹ)). В одном конкретном примере 24-часовую прочность на сжатие можно определить для схватывающейся композиции, имеющей плотность приблизительно 12 фунт/галлон.
2
2
3
2
3
3
2
2
Используемый в изобретении термин «пыль цементной печи» относится к частично прокаленной загрузке печи, которая удалена из газового потока и собрана, например, в пылеуловителе, в ходе производства цемента. Обычно пыль цементной печи может проявлять характеристики цемента, например, указанная пыль может схватываться и затвердевать в присутствии воды. Обычно при производстве цемента собирается большое количество пыли цементной печи, которую в большинстве случаев выбрасывают в отходы. Захоронение пыли цементной печи может нежелательно увеличивать затраты на производство цемента, а также создает проблемы для окружающей среды. Химический анализ пыли цементной печи от различных производителей цемента изменяется в зависимости от ряда факторов, включая конкретную загрузку печи, эффективность процесса производства цемента и систем, связанных со сбором пыли. Пыль цементной печи обычно может содержать множество оксидов, таких как SiO, AlO, FeO, СаО, MgO, SO, NaO и KO.

В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения средний размер частиц пыли цементной печи может быть изменен с использованием любого подходящего способа, включая (без ограничения) измельчение или разделение, чтобы получить материал с измененным размером частиц. Разделение пыли цементной печи может включать просеивание или любой другой подходящий прием для разделения пыли цементной печи, чтобы получить средний размер частиц, который отличается от исходного размера. Например, просеивание можно использовать для получения частиц пыли цементной печи, имеющих увеличенный или уменьшенный средний размер частиц, желательный для конкретной области применения. В качестве дополнительного примера измельчение может быть использовано для уменьшения среднего размера частиц пыли цементной печи. В некоторых вариантах осуществления изобретения могут быть использованы комбинации измельчения и разделения. Используемый в изобретении термин "измельченный" или "измельчение" означает использование дробилки (например, шаровой мельницы, стержневой мельницы и др.) с целью уменьшения размера частиц указанных компонентов (компонента). Примером подходящей дробилки является шаровая мельница 8000 Mixer/Mill, доступная от фирмы SPEX Sample Prep. В некоторых вариантах осуществления изобретения, пыль цементной печи может быть измельчена в течение времени в диапазоне от приблизительно 30 минут до приблизительно 1 часа.
Средний размер частиц пыли цементной печи может быть изменен до любой величины, подходящей для использования в процессах цементирования. В некоторых вариантах изобретения средний размер частиц пыли цементной печи может быть изменен от исходного размера частиц до среднего размера частиц в диапазоне от приблизительно 1 мкм до приблизительно 350 мкм. Средний размер частиц соответствует величинам d50, которые измерены с помощью анализатора размера частиц, например, произведенного фирмой Malvern Instruments (Worcestershire, Соединенное Королевство).
В некоторых вариантах осуществления изобретения средний размер частиц пыли цементной печи может быть больше, чем исходный размер. Например, средний размер частиц пыли цементной печи может быть на по меньшей мере 5% больше, чем исходный размер. В некоторых вариантах осуществления изобретения размер по меньшей мере части частиц пыли цементной печи может быть увеличен в диапазоне от приблизительно 5% до приблизительно 100% по сравнению с исходным размером. В некоторых вариантах осуществления изобретения средний размер частиц может быть увеличен до любого размера в диапазоне между любыми из и/или включая любую величину, приблизительно на 5%, на 10%, на 15%, на 20%, на 25%, на 30%, на 35%, на 40%, на 45%, на 50%, на 55%, на 60%, на 65%, на 70%, на 75%, на 80%, на 90% или приблизительно на 95% больше, чем исходный размер.
В некоторых вариантах изобретения средний размер частиц пыли цементной печи может быть уменьшен от исходного размера. Например, средний размер частиц может быть уменьшен в степени, достаточной для увеличения прочности пыли цементной печи на сжатие. В некоторых вариантах изобретения пыль цементной печи может иметь средний размер частиц, который на по меньшей мере 5% меньше, чем исходный размер. В некоторых вариантах осуществления изобретения по меньшей мере часть частиц пыли цементной печи может быть уменьшена, чтобы иметь средний размер частиц в диапазоне от приблизительно 5% до приблизительно 95% от исходного размера. Например, средний размер частиц может быть уменьшен до любого размера в диапазоне между любыми из и/или включая любую величину, приблизительно на 5%, на 10%, на 15%, на 20%, на 25%, на 30%, на 35%, на 40%, на 45%, на 50%, на 55%, на 60%, на 65%, на 70%, на 75%, на 80%, на 90%, или приблизительно на 95% от исходного размера. В качестве примера, уменьшенные частицы пыли цементной печи могут иметь средний размер частиц меньше чем приблизительно 15 мкм. В некоторых вариантах изобретения уменьшенные частицы пыли цементной печи могут иметь средний размер частиц меньше чем приблизительно 10 мкм, меньше чем приблизительно 5 мкм, меньше чем приблизительно 4 мкм, меньше чем приблизительно 3 мкм, меньше чем приблизительно 2 мкм или меньше чем приблизительно 1 мкм. В конкретном варианте изобретения уменьшенные частицы пыли цементной печи могут иметь средний размер частиц в диапазоне приблизительно от 0,1 мкм до 15 мкм, приблизительно от 0,1 мкм до 10 мкм или приблизительно от 1 мкм до 10 мкм. Специалист в этой области техники с использованием описания изобретения будет иметь возможность выбрать размер частиц пыли цементной печи, который подходит для конкретной области применения.
Пыль цементной печи, имеющая измененный размер частиц, может быть введена в схватывающиеся композиции в количестве, которое достаточно для обеспечения, например, желательной прочности на сжатие, времени гелеобразования и тому подобного. В некоторых вариантах изобретения частицы пыли цементной печи с измененным размером могут присутствовать в схватывающихся композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне приблизительно от 1 до 100% от массы цементных компонентов ("% омцк"). Термин "цементные компоненты" относится к компонентам, или их комбинации, схватывающихся композиций, которые схватываются в воде, или твердеют иным образом, чтобы улучшить прочность на сжатие, и включают в себя, например, пыль цементной печи, портландцемент, зольную пыль, природные пуццоланы (например, пумицит), шлак, известь, сланец и тому подобное. Например, частицы пыли цементной печи с измененным размером могут присутствовать в количестве, в любом диапазоне между любыми из и/или включающем любое из значений: приблизительно 5%, приблизительно 10%, приблизительно 15%, приблизительно 20%, приблизительно 25%, приблизительно 30%, приблизительно 35%, приблизительно 40%, приблизительно 45%, приблизительно 50%, приблизительно 55%, приблизительно 60%, приблизительно 65%, приблизительно 70%, приблизительно 75%, приблизительно 80%, приблизительно 90%, приблизительно 95% или 100% омцк. В конкретных вариантах осуществления изобретения частицы пыли цементной печи с измененным размером могут присутствовать в схватывающихся композициях в количестве в диапазоне приблизительно от 5% до 100% омцк, приблизительно от 50% до 100% омцк, или приблизительно от 75% до 100% омцк. Специалист в этой области техники с использованием описания изобретения сможет оценить подходящее количество пыли цементной печи, имеющей измененный средний размер частиц, которое следует ввести для выбранной области применения.
Кроме того, варианты осуществления схватывающихся композиций могут включать одну или несколько дополнительных добавок, включая (но без ограничения указанным) гидравлический цемент, зольную пыль, шлак, сланец, цеолит, метакаолин, пемзу, перлит, известь, диоксид кремния, золу рисовой шелухи, микроразмерный цемент, пыль из печи обжига извести и их комбинации и тому подобное. Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения пыль цементной печи, имеющая измененный средний размер частиц, может быть получена по способу, который включает совместное измельчение пыли цементной печи с одной или несколькими дополнительными добавками до конкретного заданного размера. Например, пыль цементной печи и одна или несколько дополнительных добавок могут быть совместно измельчены до среднего размера частиц меньше чем приблизительно 15 мкм. В некоторых вариантах изобретения пыль цементной печи и одна или несколько дополнительных добавок могут быть совместно измельчены до среднего размера частиц меньше чем приблизительно 10 мкм, меньше чем приблизительно 5 мкм, меньше чем приблизительно 4 мкм, меньше чем приблизительно 3 мкм, меньше чем приблизительно 2 мкм или меньше чем приблизительно 1 мкм. В конкретных вариантах осуществления пыль цементной печи и одна или несколько дополнительных добавок могут быть совместно измельчены до среднего размера частиц в диапазоне приблизительно от 0,1 мкм до 15 мкм, приблизительно от 0,1 мкм до 10 мкм или приблизительно от 1 мкм до 10 мкм. Специалист в этой области техники с использованием описания изобретения будет иметь возможность выбрать размер частиц совместно измельченной пыли цементной печи и одной или нескольких дополнительных добавок, подходящий для конкретной области применения.
В вариантах осуществления гидравлический цемент может быть введен в схватывающиеся композиции настоящего изобретения. Согласно настоящему изобретению могут быть использованы многочисленные гидравлические цементы, которые включают (но без ограничения указанным) цементы, содержащие кальций, алюминий, кремний, кислород, железо и/или серу, которые схватываются и твердеют в результате взаимодействия с водой. Подходящие гидравлические цементы включают (но не ограничиваются перечисленным) портландцементы, пуццолановые цементы, гипсовые цементы, цементы с высоким содержанием оксида алюминия, шлаковые цементы, кремнеземные цементы и их комбинации. В конкретных вариантах осуществления гидравлический цемент может содержать портландцемент, в том числе портландцементы, систематизированные как цементы классов А, С, G и Н, согласно Американскому нефтяному институту (API), API Specification for Materials and Testing for Well Cements, Технические условия API 10, пятое издание, 1 июля, 1990. Кроме портландцементов, подходящих для использования в вариантах осуществления, настоящее изобретение также может содержать портландцементы, систематизированные согласно ASTM как типы I, II, III, IV или V. В некоторых вариантах изобретения цементы могут присутствовать в схватывающихся композициях в количестве в диапазоне приблизительно от 0,1% до 99% омцк. Например, цемент может присутствовать в количестве, в любом диапазоне между любыми из и/или включающем любое из значений: приблизительно 5%, приблизительно 10%, приблизительно 15%, приблизительно 20%, приблизительно 25%, приблизительно 30%, приблизительно 35%, приблизительно 40%, приблизительно 45%, приблизительно 50%, приблизительно 55%, приблизительно 60%, приблизительно 65%, приблизительно 70%, приблизительно 75%, приблизительно 80%, приблизительно 85%, приблизительно 90% или приблизительно 95% омцк. Специалист в этой области техники с использованием описания изобретения сможет оценить подходящее количество цемента для введения в выбранной области применения.

Зольная пыль может быть введена в вариантах осуществления схватывающихся композиций настоящего изобретения. Могут быть использованы различные типы зольной пыли, в том числе зольная пыль, систематизированная как зольная пыль классов С и F, согласно Американскому нефтяному институту, API Specification for Materials and Testing for Well Cements, Технические условия API 10, пятое издание, 1 июля, 1990. Зольная пыль класса С содержит диоксид кремния, а также известь, таким образом, что при смешивании с водой, она схватывается с образованием отвержденной массы. Обычно зольная пыль класса F содержит недостаточное количество извести, поэтому для зольной пыли класса F может потребоваться дополнительный источник ионов кальция с целью получения композиции, схватывающейся с водой. В некоторых вариантах осуществления известь можно смешивать с зольной пылью класса F в количестве в диапазоне приблизительно от 0,1% до 25% от массы зольной пыли. В некоторых случаях известь может быть гидратированной известью. Подходящие примеры зольной пыли включают (но не ограничиваются перечисленным) цементную добавку POZMIX, поставляемую фирмой Halliburton Energy Services, Inc. (Duncan, шт. Оклахома). Когда зольная пыль присутствует, обычно ее можно вводить в схватывающиеся композиции в количестве, которое достаточно для обеспечения желаемой прочности на сжатие, плотности и/или стоимости. В некоторых вариантах осуществления зольная пыль может присутствовать в схватывающихся композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне приблизительно от 0,1% до 75% омцк. В некоторых вариантах осуществления зольная пыль может присутствовать в количестве в любом диапазоне между любыми из и/или включающем любое из значений: приблизительно 10%, приблизительно 20%, приблизительно 30%, приблизительно 40%, приблизительно 50%, приблизительно 60% или приблизительно 70% омцк. Специалист в этой области техники с использованием описания изобретения сможет оценить подходящее количество зольной пыли для введения в выбранной области применения.
В вариантах осуществления шлак может быть введен в схватывающиеся композиции настоящего изобретения. Обычно шлак содержит недостаточное количество основного материала, поэтому шлак можно использовать с основанием, чтобы получить схватывающиеся композиции, которые могут схватываться при взаимодействии с водой, образуя отвержденную массу. Примеры подходящих источников основания включают (но не ограничиваются перечисленным) гидроксид натрия, бикарбонат натрия, карбонат натрия, известь и их комбинации. Когда шлак присутствует, обычно он может быть введен в схватывающиеся композиции в количестве, которое достаточно для обеспечения желаемой прочности на сжатие, плотности и/или стоимости. В некоторых вариантах осуществления шлак может присутствовать в схватывающихся композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне приблизительно от 0,1% до 75% омцк. В некоторых вариантах осуществления шлак может присутствовать в количестве в любом диапазоне между любыми из и/или включающем любое из значений: приблизительно 10%, приблизительно 20%, приблизительно 30%, приблизительно 40%, приблизительно 50%, приблизительно 60% или приблизительно 70% омцк. Специалист в этой области техники с использованием описания изобретения сможет оценить подходящее количество шлака для введения в выбранной области применения.
В вариантах осуществления сланец может быть введен в схватывающиеся композиции настоящего изобретения. Могут быть использованы различные сланцы, в том числе сланцы, содержащие кремний, алюминий, кальций и/или магний. Примером подходящего сланца является стекловидный сланец. Подходящие примеры стекловидного сланца включают (но не ограничиваются перечисленным) материал PRESSUR-SEAL FINE LCM и материал PRESSUR-SEAL COARSE LCM, которые доступны на фирме TXI Energy Services, Inc. (Хьюстон, Техас). Обычно сланец может иметь любое распределение размера частиц, которое желательно для конкретной области применения. В некоторых вариантах осуществления сланец может иметь распределение размера частиц в диапазоне приблизительно от 37 мкм до 4750 мкм. Когда сланец присутствует, он может быть введен в схватывающиеся композиции настоящего изобретения в количестве, которое достаточно для обеспечения желаемой прочности на сжатие, плотности и/или стоимости. В некоторых вариантах осуществления, сланец может присутствовать в схватывающихся композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне приблизительно от 0,1% до 75% омцк. В некоторых вариантах осуществления сланец может присутствовать в количестве в любом диапазоне между любыми из и/или включающем любое из значений: приблизительно 10%, приблизительно 20%, приблизительно 30%, приблизительно 40%, приблизительно 50%, приблизительно 60% или приблизительно 70% омцк. Специалист в этой области техники с использованием описания изобретения сможет оценить подходящее количество сланца для введения в выбранной области применения.
В вариантах осуществления цеолит может быть введен в схватывающиеся композиции настоящего изобретения. Подходящие для использования цеолиты обычно могут содержать пористые алюмосиликатные минералы, которые могут быть или природными или синтетическими материалами. Синтетические цеолиты в основе имеют структурную ячейку такого же типа, что и природные цеолиты, и могут содержать гидратированные алюмосиликаты. Используемый в изобретении термин "цеолит" относится ко всем природным и синтетическим формам цеолитов. Примеры подходящих цеолитов описаны более подробно в патенте США №7,445,669. Подходящим примером доступного источника цеолитов является фирма С2С Zeolite Corporation of Calgary (Канада). В некоторых вариантах изобретения цеолит может присутствовать в схватывающихся композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне приблизительно от 0,1% до 75% омцк. В некоторых вариантах изобретения цеолит может присутствовать в количестве в любом диапазоне между любыми из и/или включающем любое из значений: приблизительно 10%, приблизительно 20%, приблизительно 30%, приблизительно 40%, приблизительно 50%, приблизительно 60% или приблизительно 70% омцк. Специалист в этой области техники с использованием описания изобретения сможет оценить подходящее количество цеолита для введения в выбранной области применения.
В вариантах осуществления метакаолин может быть введен в схватывающиеся композиции настоящего изобретения. Обычно метакаолин представляет собой белый пуццолан, который может быть получен путем нагревания каолиновой глины, например, до температуры в диапазоне приблизительно от 600°С до 800°С. В некоторых вариантах изобретения метакаолин может присутствовать в схватывающихся композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне приблизительно от 0,1% до 75% омцк. В некоторых вариантах изобретения метакаолин может присутствовать в количестве в любом диапазоне между любыми из и/или включающем любое из значений: приблизительно 10%, приблизительно 20%, приблизительно 30%, приблизительно 40%, приблизительно 50%, приблизительно 60% или приблизительно 70% омцк. Специалист в этой области техники с использованием описания изобретения сможет оценить подходящее количество метакаолина для введения в выбранной области применения.
В вариантах осуществления пемза может быть введена в схватывающиеся композиции настоящего изобретения. Обычно пемза представляет собой вулканическую породу, которая обладает цементными характеристиками, а именно она может схватываться и затвердевать в присутствии гидратированной извести и воды. Гидратированная известь может быть использована в комбинации с пемзой, например, для обеспечения достаточного количества ионов кальция для схватывания пумицита. В некоторых вариантах изобретения пемза может присутствовать в схватывающихся композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне приблизительно от 0,1% до 75% омцк. В некоторых вариантах изобретения пемза может присутствовать в количестве в любом диапазоне между любыми из и/или включающем любое из значений: приблизительно 10%, приблизительно 20%, приблизительно 30%, приблизительно 40%, приблизительно 50%, приблизительно 60% или приблизительно 70% омцк. Специалист в этой области техники с использованием описания изобретения сможет оценить подходящее количество пемзы для введения в выбранной области применения.
В вариантах осуществления перлит может быть введен в схватывающиеся композиции настоящего изобретения. Перлит является рудой и обычно относится к вулканической, аморфной, содержащей кремний породе природного происхождения, содержащей главным образом диоксид кремния и оксид алюминия. Перлит, подходящий для использования в вариантах осуществления настоящего изобретения, включает вспученный перлит и невспученный перлит. В некоторых вариантах осуществления перлит может содержать невспученный перлит. Кроме того, перлит может быть, например, из почвенного пласта. В некоторых вариантах изобретения перлит может присутствовать в схватывающихся композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне приблизительно от 0,1% до 75% омцк. В некоторых вариантах изобретения перлит может присутствовать в количестве в любом диапазоне между любыми из и/или включающем любое из значений: приблизительно 10%, приблизительно 20%, приблизительно 30%, приблизительно 40%, приблизительно 50%, приблизительно 60%, или приблизительно 70% омцк. Специалист в этой области техники с использованием описания изобретения сможет оценить подходящее количество перлита для введения в выбранной области применения.
В вариантах осуществления известь может быть введена в схватывающиеся композиции настоящего изобретения. В некоторых вариантах изобретения известь может быть гидратированной. Известь может быть введена в схватывающиеся композиции изобретения, например, с образованием гидравлической композиции с другими компонентами схватывающихся композиций, такими как пемза, зольная пыль, шлак и/или сланец. Когда известь присутствует, она может быть введена в схватывающиеся композиции в количестве, например, в диапазоне приблизительно от 0,1% до 25% омцк. В некоторых вариантах изобретения известь может присутствовать в количестве в любом диапазоне между любыми из и/или включающем любое из значений: приблизительно 5%, приблизительно 10%, приблизительно 15%, приблизительно 20% или приблизительно 25% омцк. Специалист в этой области техники с использованием описания изобретения сможет оценить подходящее количество извести для введения в выбранной области применения.
В вариантах осуществления диоксид кремния может быть введен в схватывающиеся композиции настоящего изобретения. Подходящий для использования диоксид кремния обычно может включать аморфный диоксид кремния, кристаллический диоксид кремния, или их комбинации. Кристаллический диоксид кремния представляет собой порошок, который может быть введен в вариантах осуществления схватывающихся композиций, например, для предотвращения ухудшения прочности на сжатие цемента. Аморфный диоксид кремния представляет собой порошок, который может быть введен в вариантах осуществления схватывающихся композиций в качестве легковесного наполнителя и/или для увеличения прочности на сжатие цемента. В некоторых вариантах осуществления диоксид кремния может присутствовать в схватывающихся композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне приблизительно от 0,1% до 75% омцк. В некоторых вариантах изобретения диоксид кремния может присутствовать в количестве в любом диапазоне между любыми из и/или включающем любое из значений: приблизительно 10%, приблизительно 20%, приблизительно 30%, приблизительно 40%, приблизительно 50%, приблизительно 60% или приблизительно 70% омцк. Специалист в этой области техники с использованием описания изобретения сможет оценить подходящее количество диоксида кремния для введения в выбранной области применения.
В вариантах осуществления зола рисовой шелухи может быть введена в схватывающиеся композиции настоящего изобретения. Обычно зола рисовой шелухи получается при сжигании рисовой шелухи, которая представляет собой твердое покрытие рисового зерна, и может содержать, главным образом диоксид кремния и углерод. В некоторых вариантах осуществления зола рисовой шелухи может присутствовать в схватывающихся композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне приблизительно от 0,1% до 75% омцк. В некоторых вариантах изобретения зола рисовой шелухи может присутствовать в количестве в любом диапазоне между любыми из и/или включающем любое из значений: приблизительно 10%, приблизительно 20%, приблизительно 30%, приблизительно 40%, приблизительно 50%, приблизительно 60% или приблизительно 70% омцк. Специалист в этой области техники с использованием описания изобретения сможет оценить подходящее количество золы рисовой шелухи для введения в выбранной области применения.
В вариантах осуществления микроразмерный цемент может быть введен в схватывающиеся композиции настоящего изобретения. Используемый в изобретении термин "микроразмерный цемент" относится к цементу, имеющему средний размер частиц не больше чем приблизительно 5 мкм, например в диапазоне приблизительно от 1 мкм до 5 мкм. В некоторых вариантах осуществления микроразмерный цемент может присутствовать в схватывающихся композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне приблизительно от 0,1% до 75% омцк. В некоторых вариантах изобретения микроразмерный цемент может присутствовать в количестве в любом диапазоне между любыми из и/или включающем любое из значений: приблизительно 10%, приблизительно 20%, приблизительно 30%, приблизительно 40%, приблизительно 50%, приблизительно 60% или приблизительно 70% омцк. Специалист в этой области техники с использованием описания изобретения сможет оценить подходящее количество микроразмерного цемента для введения в выбранной области применения.
В вариантах осуществления пыль из печи обжига извести может быть введена в схватывающиеся композиции настоящего изобретения. Используемый в изобретении термин «пыль из печи обжига извести» относится к продукту, который образуется в производстве извести. Пыль из печи обжига извести можно собирать, например, с использованием систем обеспыливания в процессе прокаливания известняка. В некоторых вариантах осуществления пыль из печи обжига извести может присутствовать в схватывающихся композициях настоящего изобретения в количестве в диапазоне приблизительно от 0,1% до 75% омцк. В некоторых вариантах изобретения пыль из печи обжига извести может присутствовать в количестве в любом диапазоне между любыми из и/или включающем любое из значений: приблизительно 10%, приблизительно 20%, приблизительно 30%, приблизительно 40%, приблизительно 50%, приблизительно 60% или приблизительно 70% омцк. Специалист в этой области техники, с использованием описания изобретения, сможет оценить подходящее количество пыли из печи обжига извести для введения в выбранной области применения.
Кроме того, варианты осуществления схватывающихся композиций могут содержать воду. Вода, которая может быть использована в вариантах осуществления схватывающихся композиций, включает, например, пресную воду, соленую воду (например, воду, содержащую одну или несколько солей, растворенных в воде), соляной раствор (например, насыщенный соляной раствор, полученный из подземных формаций), морскую воду или их комбинации. Обычно вода может быть получена из любого источника при условии, что вода не содержит избыток соединений, которые могут нежелательно влиять на другие компоненты в схватывающихся композициях. В некоторых вариантах изобретения воду можно вводить в количестве, которое достаточно для образования перекачиваемой суспензии. В некоторых вариантах осуществления воду можно добавлять в схватывающиеся композиции настоящего изобретения в количестве в диапазоне приблизительно от 40% до 200% омцк. Например, вода может присутствовать в количестве в любом диапазоне между любыми из и/или включающем любое из значений: приблизительно 50%, приблизительно 75%, приблизительно 100%, приблизительно 125%, приблизительно 150% или приблизительно 175% омцк. В конкретном варианте осуществления вода может быть введена в количестве в диапазоне приблизительно от 40% до 150% омцк. Специалист в этой области техники с использованием описания изобретения сможет оценить подходящее количество воды для введения в выбранной области применения.
Другие дополнительные добавки необязательно могут быть введены в схватывающиеся композиции настоящего изобретения, которые считаются подходящими с точки зрения специалиста в этой области техники, с учетом описания изобретения. Примеры таких добавок включают (но не ограничиваются перечисленным) добавки, предотвращающие ухудшение прочности, ускорители схватывания, утяжелители, легковесные добавки, газогенерирующие добавки, добавки, улучшающие механические свойства, материалы потери циркуляции, добавки, регулирующие фильтрацию, диспергирующие добавки, добавки, регулирующие потери текучей среды, противовспенивающие присадки, пенообразователи, частицы, набухающие в масле, частицы, набухающие в воде, тиксотропные добавки и их комбинации. Конкретные примеры указанных и других добавок включают соли, волокна, гидратированные глины, микросферы, эластомеры, частицы эластомера, смолы, латексы их комбинации, и тому подобное. Специалист в этой области техники с использованием описания изобретения сможет легко определить тип и количество добавки, полезной для конкретной области применения и получения желаемого результата. В вариантах осуществления схватывающиеся композиции могут быть вспенены и/или расширены (вспучены) по желанию специалиста в этой области техники.
Схватывающиеся композиции настоящего изобретения должны обладать плотностью, подходящей для конкретной области применения, по желанию специалиста в этой области техники с учетом описания изобретения. В некоторых вариантах осуществления, схватывающиеся композиции могут иметь плотность в диапазоне приблизительно от 8 до 16 фунт/галлон. В других вариантах осуществления, схватывающиеся композиции могут быть вспененными до плотности в диапазоне приблизительно от 8 до 13 фунт/галлон.
Хотя схватывающиеся композиции могут быть пригодны для ряда различных операций цементирования, они являются особенно подходящими для способов цементирования в подземной формации. Например, схватывающиеся композиции могут быть использованы в операциях первичного и исправительного цементирования, в которых схватывающиеся композиции можно вводить в подземную формацию и обеспечивать их схватывание. Указанное здесь введение схватывающейся композиции в подземную формацию включает внедрение в любую часть подземной формации, в том числе (без ограничения) в ствол скважины, пробуренной внутри подземной формации, вблизи ствола скважины, в области, окружающей ствол скважины, или в обе части.
Например, в вариантах осуществления первичного цементирования схватывающиеся композиции можно вводить в пространство между стенкой ствола скважины и трубопроводом (например, колонна труб, хвостовики обсадной колонны), расположенным в стволе скважины, причем ствол скважины проникает в подземную формацию. Можно обеспечить твердение схватывающейся композиции с образованием кольцеобразного покрытия из отвержденного цемента в пространстве между стенкой ствола скважины и трубопроводом. Среди других эффектов при твердении схватывающейся композиции может образоваться барьер, предотвращающий миграцию текучих сред в ствол скважины. Кроме того, твердение схватывающейся композиции может, например, поддерживать трубопровод в стволе скважины.
В вариантах осуществления исправительного цементирования схватывающиеся композиции могут быть использованы, например, в операциях цементирования под давлением или при размещении цементных заглушек. В качестве примера схватывающиеся композиции могут быть помещены в стволе скважины для закупоривания отверстия, такого как полость или трещина, в формации, в гравийном фильтре, в трубопроводе, в цементном кольце, и/или в очень малом межтрубном пространстве между цементным кольцом и трубопроводом.
Хотя предшествующее описание относится к использованию пыли цементной печи, имеющей измененный средний размер частиц, в способах подземного цементирования, следует понимать, что варианты осуществления настоящего изобретения также включают в себя использование частиц пыли цементной печи с измененным размером в любой из множества других подземных обработок. Например, способ подземной обработки может включать получение обрабатывающей текучей среды, содержащей частицы пыли цементной печи с измененным размером, и введение обрабатывающей текучей среды в подземную формацию. Пыль цементной печи, имеющая измененный средний размер частиц, может входить в состав любых из многочисленных текучих сред для обработки скважин, которые могут быть использованы при подземных обработках, включая бурильные текучие среды, заканчивающие текучие среды, вытесняющие текучие среды, текучие среды для воздействия на пласт и текучие среды для очистки скважины. Например, бурильная текучая среда может содержать пыль цементной печи с уменьшенным размером частиц, причем бурильная текучая среда может циркулировать сверху вниз через бурильную колонну и буровое долото и затем снизу вверх через ствол скважины к поверхности. Используемая бурильная текучая среда может быть любой текучей средой (газообразной или жидкой) и смесью текучей среды и твердого вещества (такие как твердые суспензии, смеси и эмульсии).
В некоторых вариантах осуществления изобретения вытесняющая текучая среда может содержать пыль цементной печи, имеющую измененный средний размер частиц. Вытесняющие текучие среды могут быть использованы, например, при вытеснении текучих сред из ствола скважины. В варианте осуществления текучая среда, вытесненная вытесняющей текучей средой, содержит бурильную текучую среду. В качестве примера вытесняющая текучая среда может быть использована при вытеснении бурильной текучей среды из ствола скважины. Бурильная текучая среда может включать, например, любое число текучих сред, таких как твердые суспензии, смеси и эмульсии. Дополнительные стадии в вариантах осуществления способа могут включать введение колонны труб в ствол скважины, введение цементной композиции в ствол скважины, причем вытесняющая текучая среда разделяет цементную композицию и первую текучую среду. В варианте осуществления можно допустить схватывание цементной композиции в стволе скважины. Цементная композиция может содержать, например, цемент и воду.
Соответственно, в вариантах осуществления настоящего изобретения раскрыты способы и композиции, которые содержат пыль цементной печи, имеющую измененный средний размер частиц. Для способов и композиций настоящего изобретения возможны несколько потенциальных преимуществ, только на некоторые из которых можно сослаться в изобретении. При осуществлении настоящего изобретения одним из многих потенциальных преимуществ является то, что уменьшение размера частиц пыли цементной печи может привести к повышенной прочности на сжатие схватывающихся композиций после их затвердевания. Например, было продемонстрировано, что композиции пыли цементной печи с уменьшенным размером частиц обладают повышенной прочностью на сжатие, по сравнению с использованием пыли цементной печи без уменьшения размера частиц. Другим потенциальным преимуществом является то, что изменение среднего размера частиц пыли цементной печи может повлиять на время гелеобразования композиций, содержащих пыль цементной печи. Еще одним потенциальным преимуществом является то, что средний размер частиц пыли цементной печи можно избирательно изменять, например, с учетом размера пустот. В принципе, когда оптимизирован размер частиц пыли цементной печи, это может привести к увеличению эффективности способов исправительного цементирования.
С целью облегчения понимания настоящего изобретения приведены следующие ниже примеры определенных аспектов из некоторых вариантов осуществления. Указанные примеры никоим образом не должны рассматриваться как ограничивающие или определяющие объем изобретения.
Пример 1
Следующая серия испытаний осуществлена с целью оценки характеристики сопротивления нагрузке схватывающихся композиций, которые содержат пыль цементной печи, имеющую уменьшенный средний размер частиц. Приготовлены два различных образца схватывающихся композиций, обозначенных как Образцы 1 и 2, путем добавления 250 грамм пыли цементной печи к 267,3 грамм водопроводной воды, при перемешивании в смесителе Waring со скоростью 4000 об/мин в течение 15 секунд, с последующим перемешиванием 12000 об/мин в течение 35 секунд для каждого образца. Образец 1 содержал неизмельченную пыль цементной печи, тогда как пыль цементной печи, введенная в Образец 2, была измельчена до меньшего размера частиц. Затем каждый из Образцов 1 и 2 помещали в герметичный цилиндрический контейнер, диаметром 2 дюйма и высотой 4 дюйма. Каждый контейнер помещали в водяную ванну при 140°F и образцам давали затвердеть в течение 96 часов. Затем каждый контейнер удаляли из водяной ванны, обеспечивая их охлаждение, и цилиндрические образцы удаляли из формы. Затем цилиндрические образцы испытывали на стенде Tinius Olsen и определяли прочность на сжатие. Испытание прочности на сжатие осуществляли в соответствии с практикой API RP Practice J ОВ-2, Recommended Practice for Testing Well Cements.
Образец 1 содержит воду (106,93% омцк) и пыль цементной печи (100% омцк). Пыль цементной печи была неизмельченной и имела средний размер частиц приблизительно 18,7 мкм. Образец 1 имел плотность 12 фунт/галлон.

Образец 2 содержит воду (106,93% омцк) и измельченную пыль цементной печи (100% омцк). В Образце 2 пыль цементной печи была измельчена от среднего размера частиц 18,7 мкм до среднего размера частиц 5,9 мкм с использованием шаровой мельницы 8000 Mixer/Mill, доступной на фирме SPEX Sample Prep.Средний размер частиц в Образце 2 снизился на 68,45%. Пыль цементной печи (ПЦП) была измельчена в мельнице приблизительно в течение времени от 30 минут до 1 часа. Образец 2 имел плотность 12 фунт/галлон.
Результаты испытания прочности на сжатие представлены ниже в таблице 1. Данные, приведенные ниже в таблице, представляют собой среднее значение из трех измерений для каждого образца схватывающихся композиций.
Таким образом, данные примера 1 показывают, что уменьшение размера частиц пыли цементной печи может повысить прочность на сжатие схватывающихся композиций по сравнению с образцом, содержащим неизмельченную пыль цементной печи. Например, при 140°F Образец 2 с пылью цементной печи, измельченной до среднего размера частиц 5,9 мкм, имеет 96-часовую прочность на сжатие 169,5 фунт/кв. дюйм по сравнению с 96-часовой прочностью на сжатие 64,3 фунт/кв. дюйм для Образца 1 с неизмельченной пылью цементной печи.
Пример 2
Дополнительная серия испытаний осуществлена с целью дальнейшей оценки характеристики сопротивления нагрузке схватывающихся композиций, которые содержат пыль цементной печи, имеющую уменьшенный средний размер частиц. Приготовлены два различных образца схватывающихся композиций, обозначенных как Образцы 3 и 4, путем добавления 200 грамм пыли цементной печи к 213,9 грамм водопроводной воды, при перемешивании в смесителе Waring со скоростью 4000 об/мин в течение 15 секунд, с последующим перемешиванием 12000 об/мин в течение 35 секунд для каждого образца. Образец 3 содержал неизмельченную пыль цементной печи, тогда как пыль цементной печи, введенная в Образец 4, была измельчена до меньшего размера частиц. Затем каждый из Образцов помещали в ультразвуковой анализатор цемента ("УАЦ") от фирмы Farm Instruments, Хьюстон, шт. Техас. В анализаторе УАЦ прочность на сжатие каждого образца определяли с течение времени при 140°F и 8000 фунт/кв. дюйм. Испытание прочности на сжатие осуществляли в соответствии с практикой API RP Practice J ОВ-2, Recommended Practice for Testing Well Cements.
Образец 3 содержал воду (106,93% омцк) и пыль цементной печи (100% омцк). Пыль цементной печи была неизмельченной и имела средний размер частиц приблизительно 18,7 мкм. Образец 3 имел плотность 12 фунт/галлон.

Образец 4 содержал воду (106,93% омцк) и измельченную пыль цементной печи (100% омцк). В Образце 4 пыль цементной печи была измельчена от среднего размера частиц 18,7 мкм до среднего размера частиц 9,7 мкм с использованием шаровой мельницы 8000 Mixer/Mill, доступной на фирме SPEX Sample Prep.Средний размер частиц в Образце 4 снизился на 48,13%. Пыль цементной печи была измельчена в мельнице приблизительно в течение времени от 30 минут до 1 часа. Образец 4 имел плотность 12 фунт/галлон.
Результаты испытания прочности на сжатие представлены ниже в таблице 2. Данные, приведенные ниже в таблице, представляют собой прочность на сжатие, измеренную с помощью УАЦ через 12 часов и 24 часа.
Таким образом, данные примера 2 показывают, что уменьшение размера частиц пыли цементной печи может повысить прочность на сжатие схватывающихся композиций по сравнению с образцом, содержащим неизмельченную пыль цементной печи. Например, при 140°F Образец 4 с пылью цементной печи, измельченной до среднего размера частиц 9,7 мкм, имеет 12-часовую прочность на сжатие 298 фунт/кв. дюйм по сравнению с 12-часовой прочностью на сжатие 153 фунт/кв. дюйм для Образца 3 с неизмельченной пылью цементной печи.
Следует понимать, что композиции и способы, которые описаны в выражениях "включающий в себя", "содержащий" или "заключающий" различные компоненты или этапы, эти композиции и способы также могут "по существу состоять из" или "состоять из" различных компонентов или стадий. Кроме того, единственное число существительного, используемое в формуле изобретения, использовано для обозначения одного или нескольких элементов (а не только одного), которые вводятся.
Ради краткости, в изобретении подробно описаны только определенные диапазоны. Однако диапазоны от любого нижнего предела могут комбинироваться с любым верхним пределом, чтобы привести диапазон, который в явном виде не изложен, а также диапазоны от любого нижнего предела могут комбинироваться с любым другим нижним пределом, чтобы привести диапазон, который в явном виде не изложен, таким же образом, диапазоны от любого верхнего предела могут комбинироваться с любым другим верхним пределом, чтобы привести диапазон, который в явном виде не изложен. Кроме того, всякий раз, когда раскрыт численный диапазон с нижним пределом и верхним пределом, конкретно раскрывается любое число и любой включенный диапазон, попадающий внутрь этого диапазона. В частности, каждый диапазон значений (в виде "от приблизительно а до приблизительно b", или эквивалентно "примерно от а до b", или эквивалентно "около a-b"), описанный в изобретении, можно понимать как излагающий любое число и диапазон, заключенный внутри более широкого диапазона значений, даже если он в явном виде не изложен. Таким образом, каждая точка или индивидуальное значение может служить как собственный нижний или верхний предел в сочетании с любой другой точкой или индивидуальным значением или любым другим нижним и верхним пределом, чтобы привести диапазон, который в явном виде не изложен.
Следовательно, настоящее изобретение хорошо приспособлено для достижения целей и преимуществ, которые упомянуты, а также присущи изобретению. Конкретные варианты осуществления изобретения, раскрытые выше, являются только иллюстративными, так как настоящее изобретение может быть модифицировано и осуществлено на практике различными, но эквивалентными способами, которые очевидны специалистам в этой области техники, имеющим преимущество от прочтения описания изобретения. Хотя обсуждаются отдельные варианты осуществления, изобретение защищает все комбинации всех указанных вариантов изобретения. Более того, отсутствуют ограничения относительно деталей конструкции или разработки, показанных в изобретении, кроме тех, что описаны ниже в формуле изобретения. Кроме того, термины в формуле изобретения имеют очевидное, обычное значение, за исключением того, что иным образом однозначно и ясно определено патентообладателем. Поэтому очевидно, что раскрытые выше конкретные иллюстративные варианты изобретения могут быть изменены или модифицированы, причем все такие вариации входят в пределы объема и замысла настоящего изобретения. В случае возникновения любого противоречия с использованием слова или термина в изложенном описании и в одном или нескольких патентах или других документах, которые могут быть включены в изобретение как ссылка, следует принимать те определения, которые согласуются с настоящим описанием изобретения.