ТЕКУЧЕСТЬ ГАШЕНОЙ ИЗВЕСТИ В КОМПОЗИЦИЯХ С ОТСРОЧЕННЫМ СХВАТЫВАНИЕМ И ДРУГИХ КОМПОЗИЦИЯХ, СПОСОБНЫХ ЗАТВЕРДЕВАТЬ
SLAKED LIME FLUIDITY IN COMPOSITIONS WITH DELAYED SETTING AND OTHER COMPOSITION CAPABLE OF SOLIDIFYING

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] Цементные композиции могут использоваться во многих подземных операциях. Например, при подземном строительстве скважины колонну труб (например, обсадных труб, хвостовиков, расширяемых труб и т.п.) можно опускать в шахтный ствол и цементировать на месте. Процесс цементирования колонны труб на месте обычно называют “первичным цементированием”. В обычном способе первичного цементирования цементную композицию закачивают в кольцевое пространство между стенками ствола скважины и наружной поверхностью расположенной внутри него колонны труб и/или между колонной труб и обсадной трубой большего размера, расположенной в стволе скважины. Цементная композиция может затвердевать в кольцевом пространстве, тем самым формируя кольцевую оболочку из затвердевшего, по существу герметичного цемента (т.е., цементную оболочку), которая может поддерживать и позиционировать колонну труб в стволе скважины и может связывать наружную поверхность колонны труб с подземной формацией. Помимо прочего, цементная оболочка, окружающая колонну труб, предотвращает миграцию флюидов в затрубном пространстве и защищает колонну труб от коррозии. Цементные композиции могут также использоваться в способах ремонтно-изоляционного цементирования, например, для герметизации трещин или отверстий в колоннах труб или цементных оболочках, для герметизации высокопроницаемых зон формации или трещин, для установки цементной пробки и тому подобных работ.
[0002] В операциях подземного цементирования используется широкий спектр цементных композиций. В некоторых случаях использовались цементные композиции с отсроченным схватыванием. Цементные композиции с отсроченным схватыванием обладают способностью оставаться в пригодном для прокачивания жидком состоянии по меньшей мере около одного дня (например, по меньшей мере около 7 дней, около 2 недель, около 2 лет или более) при комнатной температуре (например, около 26,7°С (80°F)) при неподвижном хранении. При необходимости их использования цементные композиции с отсроченным схватыванием должны быть способны к активации, в результате которой появляется должная компрессионная прочность. Например, в цементную композицию с отсроченным схватыванием может быть добавлен ускоритель схватывания цемента, при помощи которого композиция схватывается в затвердевшую массу. Помимо прочего, цементная композиция с отсроченным схватыванием может быть пригодна к использованию для применений в стволе скважины, например, когда желательно приготавливать цементную композицию заранее. Это дает возможность, например, хранить цементную композицию перед использованием. Кроме того, это дает возможность, например, приготавливать цементную композицию в подходящем месте, а затем транспортировать ее к месту работ. Соответственно, открывается возможность сокращения капитальных расходов за счет уменьшения потребности в хранении на рабочей площадке сырья и насосного оборудования большой мощности. Это может быть особенно полезно при оффшорных операциях цементирования, где пространство на борту судов может быть ограничено.
[0003] Хотя цементные композиции с отсроченным схватыванием были разработаны ранее, их успешное использование при подземном цементировании сопряжено с определенными проблемами. Например, цементные композиции с отсроченным схватыванием, содержащие известь, могут не развивать достаточно высокого предельного напряжения сдвига, чтобы успешно удерживать твердые частицы во взвешенном состоянии в суспензии. Предельное напряжение сдвига представляет собой пороговое значение напряжения сдвига, которое надо приложить, чтобы создать поток жидкости. Предельное напряжение сдвига или предел текучести цементных композиций непосредственно влияет на их характеристики, особенно на свойства, связанные со стабильностью, трением и вытеснением бурового раствора цементным раствором. Например, если цементный раствор не достигает определенного предела текучести, твердые частицы могут выделяться, и раствор становится непригодным. В случае цементных композиций с отсроченным схватыванием это составляет более серьезную проблему, поскольку цементные композиции с отсроченным схватыванием должны сохранять твердые частицы во взвешенном состоянии в течение продолжительных периодов времени. Реологию цементного раствора можно улучшить путем введения водных загустителей суспензии, препятствующих осаждению. Тем не менее, эти добавки могут быть дорогостоящими и несовместимыми с некоторыми составами цементных композиций с отсроченным схватыванием.
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] ФИГ. 1 иллюстрирует систему для приготовления и доставки композиции, способной затвердевать, в ствол скважины в соответствии с определенными вариантами реализации изобретения.
[0006] ФИГ. 2A иллюстрирует оборудование на поверхности, которое может использоваться для помещения композиции, способной затвердевать, в ствол скважины в соответствии с определенными вариантами реализации изобретения.
[0007] ФИГ. 2B иллюстрирует помещение композиции, способной затвердевать, в кольцевое пространство ствола скважины в соответствии с определенными вариантами реализации изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0008] Представленные варианты реализации изобретения относятся к операциям подземного цементирования и, более конкретно, в определенных вариантах реализации изобретения к управлению реологией композиций, способных затвердевать, в подземных формациях.
[0009] Варианты реализации изобретения композиций, способных затвердевать, могут включать цементные композиции с отсроченным схватыванием. Цементные композиции с отсроченным схватыванием могут, в общем случае, содержать воду, пемзу, гашеную известь и замедлитель схватывания. Необязательно, цементные композиции с отсроченным схватыванием могут дополнительно содержать диспергатор. Предпочтительно, варианты реализации изобретения цементных композиций с отсроченным схватыванием могут быть способны оставаться в состоянии пригодной для прокачивания жидкости в течение продолжительных периодов времени. Например, цементные композиции с отсроченным схватыванием могут оставаться в состоянии пригодной для прокачивания жидкости меньшей мере около 1 дня или дольше (например, около 2 лет или дольше). Предпочтительно, после активации при относительно низких температурах цементные композиции с отсроченным схватыванием могут приобретать подходящую компрессионную прочность. При том, что цементные композиции с отсроченным схватыванием могут быть пригодны для многих операций подземного цементирования, они могут быть особенно подходящими для использования в подземных формациях с относительно низкими статическими температурами на забое скважины, например, температурами ниже, чем около 93,3°С (200°F) или находящимися в диапазоне от около 26,7°С (80°F) до около 93,3°С (200°F). В альтернативных вариантах реализации изобретения цементные композиции с отсроченным схватыванием могут использоваться в подземных формациях со статическими температурами на забое скважины вплоть до 232,2°С (450°F) или выше.
[0010] Вода, которая используется в вариантах реализации изобретения композиций, способных затвердевать, может быть взята из любого источника, при условии, что она не содержит избытка соединений, которые могут нежелательным образом воздействовать на другие компоненты в композициях, способных затвердевать. Например, композиция, способная затвердевать, может содержать пресную воду, соленую воду или воду, получаемую при добыче нефти и/или газа. В общем случае, соленая вода может содержать одну или более растворенных солей и может быть насыщенной или ненасыщенной, в зависимости от того, что потребуется в конкретном применении. В вариантах реализации изобретения может использоваться морская вода или соляной раствор из скважины. Кроме того, вода может присутствовать в количестве, достаточном для формирования пригодного для прокачивания цементного раствора. В определенных вариантах реализации изобретения вода может присутствовать в композиции, способной затвердевать, в количестве, которое находится в диапазоне от около 33% до около 200% по массе пемзы или другого материала, способного затвердевать. В определенных вариантах реализации изобретения вода может присутствовать в композиции, способной затвердевать, в количестве, которое находится в диапазоне от около 35% до около 70% по массе пемзы или другого материала, способного затвердевать. Для цементных композиций с отсроченным схватыванием может использоваться меньшее количество воды, чем для других типов композиций, способных затвердевать. Чем меньше воды присутствует в композиции, способной затвердевать, тем больше вязкость этой композиции. Это уменьшение количества воды может создавать необходимость в дополнительных технологических стадиях, связанных с приданием суспензии твердых частиц подходящих реологических характеристик, например, раскрытые в данном документе композиции, способные затвердевать, могут подвергаться большей скорости сдвига, чем обычные составы; этот способ обсуждается ниже. При помощи данного описания рядовой специалист может определить подходящее количество воды для выбранного применения.
[0011] Варианты реализации изобретения композиций, способных затвердевать, могут содержать пемзу. В общем случае, пемза представляет собой вулканическую породу, которая может проявлять цементирующие свойства в том смысле, что она способна схватываться и затвердевать в присутствии гашеной извести и воды. Пемза может также быть размолотой. В общем случае, пемза может иметь любое распределение частиц по размерам, которое потребуется для конкретных применений. В определенных вариантах реализации изобретения пемза может иметь средний размер частиц в диапазоне от около 1 микрометра до около 200 микрометров. Средний размер частиц соответствует значениям d50, измеренным анализаторами размера частиц, такими как произведенные компанией Malvern Instruments, Worcestershire, United Kingdom. В специфических вариантах реализации изобретения пемза может иметь средний размер частиц в диапазоне от около 1 микрометра до около 200 микрометров, от около 5 микрометров до около 100 микрометров или от около 10 микрометров до около 50 микрометров. В одном конкретном варианте реализации изобретения пемза может иметь средний размер частиц менее чем около 15 микрометров. Примером подходящей пемзы может служить продукт, поставляемый Hess Pumice Products, Inc., Malad, Idaho, под названием легкий заполнитель DS-325, имеющий средний размер частиц d50 менее чем около 15 микрометров. Следует учитывать, что использование частиц слишком маленьких размеров может создавать проблемы со смешиваемостью, тогда как частицы слишком больших размеров трудно эффективно суспендировать в композициях. При помощи данного описания рядовые специалисты способны выбрать такой размер частиц, чтобы пемза была пригодна для использования в выбранном применении.
[0012] Варианты реализации изобретения композиций, способных затвердевать, могут содержать гашеную известь. В данном документе термин “гашеная известь” обозначает гидроксид кальция. Гашеная известь может содержаться в вариантах реализации изобретения композиций, способных затвердевать, например, для формирования гидросмесей с пемзой. Например, гашеная известь может быть включена в массовом отношении пемзы к гашеной извести от около 10:1 до около 1:1 или от 3:1 до около 5:1. Если гашеная известь присутствует, она может быть включена в композиции, способные затвердевать, в количестве, например, из диапазона от около 1% до около 100% по массе пемзы или другого материала, способного затвердевать. В некоторых вариантах реализации изобретения гашеная известь может присутствовать в количестве, которое находится между любыми из и/или включать любые из следующих отношений к массе пемзы или другого материала, способного затвердевать: около 10%, около 20%, около 40%, около 60%, около 80% или около 100%. В некоторых вариантах реализации изобретения вяжущие компоненты, которые присутствуют в композиции, способной затвердевать, могут состоять, по существу, из пемзы и гашеной извести. Например, вяжущие компоненты могут содержать, главным образом, пемзу и гашеную известь без каких-либо дополнительных компонентов (например, портландцемент, зольная пыль, шлаковый цемент), которые гидравлически схватываются или иным образом затвердевают в присутствии воды. При помощи данного описания рядовой специалист может определить подходящее количество гашеной извести для включения в выбранное применение.
™
[0013] Как сказано выше, у приготовленных не должным образом композиций, способных затвердевать, после завершения периода хранения могут возникать реологические проблемы. Эти проблемы могут быть связаны с меньшим количеством воды, использованной в композициях, или с концентрацией гашеной извести. Одной из таких проблем может быть выпадение в осадок твердых частиц в вариантах реализации изобретения, содержащих цементные композиции с отсроченным схватыванием. Если твердые частицы в композиции не суспендированы должным образом, они могут выпадать, и композиция становится непригодной. В случае цементных композиций с отсроченным схватыванием это составляет более серьезную проблему, поскольку цементные композиции с отсроченным схватыванием должны сохранять твердые частицы во взвешенном состоянии в течение продолжительных периодов времени. Способы устранения этой проблемы могут включать постоянное перемешивание для сохранения твердых частиц во взвешенном состоянии или использование водных добавок, увеличивающих вязкость суспензии, таких как полимерные присадки. Примеры могут включать любой загуститель, введенный в оптимальном количестве, и/или вещества из подгруппы полисахаридных биополимеров, которая включает: склероглюкан, каррагинаны, ксантан, велан, диутановые смолы, целлюлозы, гидроксилэтилцеллюлозу, а также альтернативы, такие как: синтетические полимерные загустители, например, акриламидные полимеры с высокой молекулярной массой, кополимеры акриламид-акриловая кислота и акриламидные кополимеры.Однако эти растворы стоят дорого, а их приготовление требует много времени. Примером подходящей водной добавки, повышающей вязкость суспензии, является суспендирующий агент SA-1015, поставляемый Halliburton Energy Services, Inc. Предпочтительно, и как описано ниже, возможно устранить необходимость в этих способах, если содержащую гашеную известь композицию сдвинуть должным образом.
[0014] Некоторые варианты реализации изобретения содержащих известь композиций, способных затвердевать, можно классифицировать как дилатантную жидкость при низких уровнях сдвига. Не ограничиваясь теорией, можно утверждать, что тенденция композиций, способных затвердевать, к загустеванию при сдвиге может быть связана с эффектами заклинивания частиц между частицами пемзы и/или гашеной извести, при том что эффективная вязкость внутрипорового флюида недостаточна для амортизации или буферирования столкновений между этими частицами. Тем не менее, как описано в данном документе, если композиции, способные затвердевать, имеют достаточное предельное напряжение сдвига и/или вязкость внутрипорового флюида, то варианты реализации изобретения, содержащие гашеную известь, могут становиться тиксотропными или псевдопластичными, а также способными сохранять твердые частицы во взвешенном состоянии в течение долгого времени. В вариантах реализации изобретения композициям, способным затвердевать, передается достаточное количество напряжения сдвига, и композиции могут быть способны поддерживать во взвешенном состоянии пемзу и/или другие крупные частицы в течение продолжительного времени без использования водных добавок, повышающих вязкость суспензии, повторного перемешивания композиций или любых известных средств для поддержания частиц во взвешенном состоянии. Таким образом, в отличие от ньютоновских жидкостей или жидкостей, которые стабильно ведут себя как псевдопластичные или тиксотропные, дилатантная природа некоторых композиций, способных затвердевать, наблюдаемая при низких скоростях сдвига, может потребовать приложения более высоких скоростей сдвига, чем обычно используется в других операциях. При достаточном напряжении сдвига композиции, способные затвердевать, могут достигать достаточного предельного напряжения сдвига, при котором они способны сохранять твердые частицы во взвешенном состоянии в течение долгого времени. Достаточное напряжение сдвига порождает вязкую диссипацию энергии и может существенно предотвратить выпадение твердых частиц, так что про меньшей мере 99% частиц по объему не будет осаждаться при неподвижном хранении композиций, способных затвердевать, в течение 24 часов. В вариантах реализации изобретения гашеную известь композиций, способных затвердевать, сдвигают с достаточной скоростью, как описано ниже.
[0015] Мощность, приложенную для сдвига содержащих известь композиций, способных затвердевать, можно выразить функцией вязкой диссипации (VDF). VDF представляет собой произведение средней по объему скорости сдвига и среднего по объему напряжения сдвига. В вариантах реализации изобретения композиции, способные затвердевать, могут быть неньютоновскими жидкостями. Для моделирования этих композиций можно использовать модель Гершеля-Балкли (HB). VDF можно аппроксимировать к среде Гершеля-Балкли с использованием следующего уравнения:
1
0hb
∞hb
1
(1+n,hb)
VDF=[k * RPM * (τ)+μ * (k * RPM)],
1
0hb
∞hb
1
1
где k обозначает константу скорости сдвига, τ - предельное напряжение сдвига жидкости HB, μ - коэффициент консистентности жидкости HB, а n,hb представляет собой показатель тиксотропности жидкости Гершеля-Балкли и аппроксимирует среднее всех наклонов напряжения сдвига в дважды логарифмических координатах в зависимости от данных по скорости сдвига при каждом числе оборотов в минуту (RPM). k введен для преобразования RPM в скорость сдвига для каждого индивидуального вискозиметра или смесителя (миксер для смешивания крупными партиями, циркуляционный насос и т.п.) и является уникальным для каждой конструкции вискозиметра или смесителя. Обычно k можно определить с использованием множества стандартных ньютоновских (ns) жидкостей и множества стандартных жидкостей со степенной зависимостью (pls) (псевдопластичных) с известной консистенцией потока (K) и показателями реологических свойств (n). Затем используется многомерный регрессионный анализ, чтобы максимизировать регрессионное соответствие к каждой из приведенных ниже функций:
VAAV, ns1=(k2*Крутящий момент)/(k1*RPM) (Данные получены для ньютоновской стандартной жидкости #1 с известной вязкостью VIS#1)
VAAV, ns2=(k2*Крутящий момент)/(k1*RPM) (Данные получены для ньютоновской стандартной жидкости #2 с известной вязкостью VIS#2)
VAAV, pls1a=(k2*Крутящий момент)/(k1*RPM) (Данные получены для стандартной жидкости #1, со степенным законом)
VAAV, pls1b=K1 (k1*RPM)^(n1-1) (Данные получены для стандартной жидкости #1 со степенным законом, для которой известны K1 и n1)
VAAV, pls2a=(k2*Крутящий момент)/(k1*RPM) (Данные получены для стандартной жидкости #2 со степенным законом)
VAAV, pls2b=K2 (k1*RPM)^(n2-1) (Данные получены для стандартной жидкости #2 со степенным законом, с известными K2 и n2)
При помощи пошагового или эквивалентного регрессионного анализа можно определить k1 и k2 по наилучшему соответствию каждой из приведенных ниже функций: VAAV, ns1=VIS#1; VAAV, ns2=VIS#2; VAAV, pls1a=VAAV, pls1b; и VAAV, pls2a=VAAV, pls2b.
Чтобы обеспечить композициям, способным затвердевать, достаточный сдвиг для продолжительного сохранения твердых частиц во взвешенном состоянии, необходимо внести соответствующее количество энергии. Количество энергии, необходимой для сдвига извести, является функцией концентрации извести, количества присутствующей воды и размера и концентрации частиц, которые должны находиться во взвешенном состоянии. Не ограничиваясь теорией, можно утверждать, что если внесенного количества энергии достаточно для сдвига извести, то текучая известь будет увеличивать эффективную вязкость внутрипорового флюида или пасты между суспендированными частицами и, таким образом, повышать предельное напряжение сдвига флюида. Один из способов определения того, было ли внесенное количество энергии достаточным, заключается в расчете наклона в двойных логарифмических координатах (LLS), который известен также как локальный показатель поведения потока при данном сдвиге или rpm, как показано ниже.
LLS при RPM,i=[Log(Крутящий момент,i+1/Крутящий момент,i) ]/[Log (RPM,i+1/RPM,i)]
LLS представляет собой наклон зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига в двойных логарифмических координатах. LLS можно также аппроксимировать подгонкой данных к модели кажущейся вязкости Гершеля-Балкли, описанной следующим уравнением:
0hb
∞hb
n,hb-1
η=[τ /γ]+μ (γ)
0hb
∞hb
Где η обозначает кажущуюся вязкость, τ - предельное напряжение сдвига, γ - вискозиметрическую скорость сдвига, μ - коэффициент консистентности, а n,hb представляет собой показатель тиксотропности жидкости Гершеля-Балкли и аппроксимирует среднее всех LLS при каждом RPM. Если значение LLS меньше 1, то в данном диапазоне скоростей сдвига жидкость представляет собой тиксотропную или псевдопластичную среду. Если значение LLS больше 1, то жидкость представляет собой дилатантную или загустевающую при сдвиге среду. В настоящих вариантах реализации изобретения использовались композиции, способные затвердевать, которые сдвигали с достаточно высокой скоростью, пока их соответствующие значения LLS не приближались к единице или не становились меньше нее. Если скорости сдвига, приложенного к извести, слишком низкие, в цементном растворе могут развиваться дилатантные тенденции, и он может загустевать при низких скоростях сдвига. Загустевание композиций, способных затвердевать, может создавать трудности в полевых условиях. Кроме того, твердые частицы в композициях, способных затвердевать, могут могут суспендироваться недостаточно эффективно. В настоящих вариантах реализации изобретения цементная композиция, содержащая известь, имеет достаточно низкие значения n, что устраняет необходимость в других мерах для сохранения суспензии.
[0016] Настоящие варианты реализации изобретения содержат композиции со значениями LLS в диапазоне около 1,05 или ниже. В специфических вариантах реализации изобретения значения LLS могут находиться между любыми из и/или включать любые из следующих значений: около 1,05 около 1,00, около 0,90, около 0,80, около 0,70, около 0,60 или ниже. При помощи данного описания рядовые специалисты могут определить подходящее значение LLS для композиции, предназначенной для использования в конкретном применении.
[0017] В вариантах реализации изобретения альтернативный способ определения значений LLS заключается в расчете наклона зависимости напряжения сдвига (VASS) от скорости сдвига (VASR) в двойных логарифмических координатах. Это представляет собой прямое измерение загустевания при сдвиге (дилатансии) или разжижения при сдвиге (псевдопластичности) жидкости при данной скорости сдвига. LLS можно измерить для конкретной скорости сдвига с использованием следующего уравнения:
LLS,i+1={log[(VASS,i+1)/(VASS,i)]}/log[(VASR,i+1)/(VASR,i)]
где LLS представляет собой наклон в двойных логарифмических координатах, VASS - среднее по объему напряжение сдвига, а VASR - среднюю по объему скорость сдвига. Уменьшения LLS на 25% или более может быть достаточно для сдвига гашеной извести.
[0018] Настоящие варианты реализации изобретения содержат композиции, переводимые известью в состояние текучести при уменьшении LLS на 25% или более. В специфических вариантах реализации изобретения, LLS можно уменьшать на около 25%, около 35%, около 45%, около 55%, около 65% или более. При помощи данного описания, рядовые специалисты могут определить подходящее уменьшение значения LLS, чтобы выяснить, можно ли использовать композицию в конкретном применении.
[0019] В вариантах реализации изобретения альтернативный способ определения, достигла ли композиция, способная затвердевать, нужного предельного напряжения сдвига, заключается в расчете остаточного напряжения композиции, способной затвердевать. Остаточное напряжение композиции, способной затвердевать, можно измерить, помимо других способов, при помощи вискозиметра. Например, остаточное напряжение композиции можно определить с использованием шестискоростного вискозиметра Fann Model 35 Six Speed с адаптером Fann Yield Stress Adapter, оба прибора поставляет Fann Instrument Company of Houston, Texas. Остаточное напряжение можно определить по следующей формуле:
2
RS=[(k)(3D+6D)]/2,
2
2
2
где RS обозначает остаточное напряжение, k - напряжение сдвига или коэффициент крутящего момента, 3D и 6D - измеренные в Fann Model 35 крутящие моменты, полученные через 15 секунд после выключения ротора, который вращался со скоростью 3 и 6 rpm, соответственно. kобозначает константу, индивидуальную для каждого смесительного устройства, которая зависит от его геометрии, размера и т. д. k можно рассчитать для смесительного устройства или вискозиметра по описанному выше способу.
[0020] Настоящие варианты реализации изобретения содержат композиции, переводимые известью в состояние текучести, в которых остаточное напряжение может быть повышено в диапазоне от около 2-кратного увеличения до около 20-кратного увеличения. Этот диапазон охватывает каждое число между ними. В специфических вариантах реализации изобретения остаточное напряжение может быть повышено с кратностью около 2, около 4, около 6, около 16, около 18 или около 20. При помощи данного описания рядовые специалисты могут определить подходящее значение остаточного напряжения, необходимого для использования композиции, способной затвердевать, в конкретном применении.
[0021] В вариантах реализации изобретения альтернативный способ определения, достигла ли известь в композиции, способной затвердевать, нужного предельного напряжения сдвига, заключается в расчете остаточного напряжения композиции (VAAV), способной затвердевать. Если известь переходит в текучее состояние, суспендирующая способность композиции может увеличиться; точно так же увеличится и VAAV. VAAV можно рассчитать с использованием следующего уравнения:
2
1
VAAV=[(1000)(k)(Крутящий момент при 100 rpm)]/(k)(100 rpm)
1
2
где kи k описаны выше. Скорость сдвига можно выбрать равной 100 rpm, поскольку при использовании шестискоростного вискозиметра Fann Model 35 Six Speed с адаптером Fann Yield Stress Adapter скорость сдвига 100 rpm имеет тот же порядок величины, который наблюдается при цементировании нефтяных и газовых скважин. Увеличение VAAV на 35% или более может быть достаточным для композиции.
[0022] Настоящие варианты реализации изобретения содержат композиции, переводимые известью в состояние текучести при увеличении VAAV на 35% или более. В специфических вариантах реализации изобретения VAAV может увеличиваться на около 35%, около 45%, около 65%, около 150%, около 250% или более. При помощи данного описания рядовые специалисты могут определить подходящее увеличение значения VAAV, чтобы выяснить, можно ли использовать композицию, способную затвердевать, в конкретном применении.
[0023] Осуществлять сдвиг гашеной извести сложнее, чем перемешивать известь в мешалке с лопастями. В общем случае, требуются более высокие уровни сдвига, чем может создавать такое оборудование. В вариантах реализации изобретения для адекватного сдвига извести в процессе рециркулирования цементного раствора может потребоваться циркуляционный насос или другой тип механизма. Примеры типов насосов могут включать центробежные насосы, процессные насосы по стандарту API, герметические экранированные электронасосы, насосы с измельчителем, насосы с магнитным приводом, пульповые насосы, поршневые насосы прямого вытеснения, насосы для подачи бетона, диафрагменные насосы, поршневые насосы, шнековые насосы и крыльчатые насосы. Необязательно, сдвиг можно осуществлять с использованием смесительного устройства, такого как ленточно-винтовая мешалка, совмещенный статический смеситель, жидкостная штифтовая мельница и гомогенизатор, помимо прочих.
[0024] В вариантах реализации изобретения композиции, содержащие известь, можно рециркулировать в резервуаре с использованием центробежного насоса или эквивалентного альтернативного типа насосного устройства, которое вносит достаточную энергию вязкой диссипации. В полевых условиях, чтобы обеспечить композициям, способным затвердевать, достаточный сдвиг, может потребоваться высокая скорость рециркуляции. Например, композиции, способные затвердевать, можно рециркулировать со скоростью из диапазона между от около 68,14 м3/час (300 галлонов в минуту (gpm)) до около 181,7 м3/час (800 gpm). В специфических вариантах реализации изобретения композиции можно рециркулировать со скоростью около 68,14 м3/час (300 gpm), около 136,28 м3/час (600 gpm), около 147,6 м3/час (650 gpm), около 159 м3/час (700 gpm), около 170,3 м3/час (750 gpm) или около 181,7 м3/час (800 gpm). При лабораторном затвердевании, чтобы вызвать сдвиг извести, можно использовать мешалку. Перемешивание может происходить со скоростями около 2500 rpm или более. Время, которое требуется для сдвига композиций, способных затвердевать, может изменяться в зависимости от концентрации извести, использованной в композиции, способной затвердевать, и уровня сдвига или вязкой диссипации, переданных процессами перемешивания или рециркуляции. Кроме того, скорость сдвига, в общем случае, должна быть достаточно высокой, чтобы вызвать переход композиций, способных затвердевать, в псевдопластичное состояние. Использование низких скоростей сдвига приводит к возникновению дилатантных композиций, способных затвердевать, которые могут оказаться непригодными для некоторых применений. Если скорость сдвига слишком мала, увеличение времени сдвига может не решить проблему и может не вызвать переход в состояние псевдопластичной жидкости. При помощи данного описания рядовые специалисты способны выбрать скорость сдвига, подходящую для успешного сдвига извести для данного применения. Существует множество способов определения переданного количества истории сдвига, включая, но не ограничиваясь этим: интегральную историю скорости сдвига; количество энергии, переданной единице объема жидкой суспензии; или скорость, с которой энергия передается единице объема материала. Эти многочисленные способы можно использовать для пересчета процесса перемешивания от лабораторного масштаба на больший масштаб или на полномасштабные процессы.
2
2
3
2
3
3
2
2
[0025] Предпочтительно, варианты реализации изобретения технологии сдвига гашеной извести не ограничены композициями, способными затвердевать, содержащими пемзу, такими как описанные выше цементные композиции с отсроченным схватыванием. Эти способы можно использовать для любой композиции, способной затвердевать, которая содержит достаточное количество извести. В вариантах реализации изобретения сдвиг гашеной извести можно использовать для композиций из портландцементов, пуццолановых цементов, гипсовых цементов, грунтоцементов, кальциево-фосфатных цементов, цементов с высоким содержанием глинозема, кремнеземистых цементов, высокощелочных цементов, шлаковых цементов, цементной пыли или их смесей. В данном документе термин “цементная пыль” (CKD) относится к частично кальцинированому материалу, загружаемому в печь, который обычно удаляют из газового потока и собирают в пылеулавливатель в процессе производства цемента. 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, AlO, FeO, CaO, MgO, SO, NaO и KO.
[0026] Варианты реализации изобретения композиций, способных затвердевать, могут, как описано выше, не содержать пемзы. Например, варианты реализации изобретения могут включать затвердевающую композицию, содержащую зольную пыль, 20% гашеной извести по массе зольной пыли (bwoFA), 60% воды bwoFA и 0,06% замедлителя схватывания bwoFA. Альтернативные варианты реализации изобретения композиций, способных затвердевать, могут включать пемзу дополнительно к другим затвердевающим компонентам, таким, как описано выше. Например, варианты реализации изобретения могут включать затвердевающую композицию, содержащую пемзу, 20% гашеной извести по массе пемзы (bwoP), 10% портландцемента класса H bwoP, 65% воды bwoP, 0,06% замедлителя схватывания bwoP, 0,6% диспергатора bwoP и 2% утяжеляющей добавки bwoP. Другой вариант реализации изобретения содержит 20% пемзы по массе пемзы и CKD (bwoP+CKD), 80% CKD bwoP+CKD, 20% гашеной извести bwoP+CKD, 65% воды bwoP+CKD, 0,06% замедлителя схватывания bwoP+CKD, 0,6% диспергатора bwoP+CKD и 2% утяжеляющей добавки bwoP+CKD. Еще один вариант реализации изобретения содержит 80% пемзы bwoP+CKD, 20% CKD bwoP+CKD, 20% гашеной извести bwoP+CKD, 65% воды bwoP+CKD, 0,06% замедлителя схватывания bwoP+CKD, 0,6% диспергатора bwoP+CKD и 2% утяжеляющей добавки bwoP+CKD. Аналогично вариантам реализации изобретения цементных композиций с отсроченным схватыванием, упомянутые выше варианты реализации изобретения могут устранять потребность в средствах суспендирования или добавках, таких как водные добавки для повышения вязкости суспензии, например: полимерные присадки; постоянное перемешивание композиции.

[0027] Варианты реализации изобретения композиций, способных затвердевать, могут содержать замедлитель схватывания. Например, замедлители схватывания можно использовать в вариантах реализации изобретения с отсроченным схватыванием. Для использования в настоящих вариантах реализации изобретения композиций, способных затвердевать, подходит широкий спектр замедлителей схватывания. Например, замедлитель схватывания может содержать фосфоновую кислоту, производные фосфоновой кислоты, лигносульфонаты, соли, органические кислоты, карбоксиметилированные гидроксиэтилированные целлюлозы, синтетические ко- или терполимеры, содержащие сульфонатные группы или группы карбоновой кислоты, боратные соединения, их производные или смеси. Примеры подходящих замедлителей схватывания включают, помимо прочего, производные фосфоновой кислоты. Один из примеров подходящего замедлителя схватывания представляет собой замедлитель схватывания цемента Micro Matrix, поставляемый компанией Halliburton Energy Services, Inc., of Duncan, Oklahoma. В общем случае, замедлитель схватывания может присутствовать в композиции, способной затвердевать, применяемой в настоящих вариантах реализации изобретения, в количестве, достаточном для отсрочки затвердевания на нужное время. В некоторых вариантах реализации изобретения замедлитель схватывания может присутствовать в композициях, способных затвердевать, в количестве, которое находится в диапазоне от около 0,01% до около 10% по массе пемзы или другого материала, способного затвердевать. В специфических вариантах реализации изобретения замедлитель схватывания может присутствовать в количестве, которое находится между любыми из и/или включает любое из следующих отношений к массе пемзы или другого материала, способного затвердевать: около 0,01%, около 0,1%, около 1%, около 2%, около 4%, около 6%, около 8%, или около 10%. Рядовой специалист может, при помощи данного описания, определить подходящее количество замедлителя схватывания для введения в выбранное применение.
™

[0028] Как указано ранее, варианты реализации изобретения композиций, способных затвердевать, могут необязательно содержать диспергатор. Например, диспергаторы можно использовать в вариантах реализации изобретения с отсроченным схватыванием. Примеры подходящих диспергаторов включают, но не ограничиваются этим, диспергаторы на основе сульфонированного формальдегида и диспергаторы на основе поликарбоксилированного эфира. Один из примеров подходящего диспергатора на основе сульфонированного формальдегида представляет собой сульфонированный ацетон-формальдегидный конденсат. Конкретный пример подходящего диспергатора представляет собой диспергатор CFR-3, поставляемый Halliburton Energy Services, Inc. Один из примеров подходящего диспергатора на основе поликарбоксилированного эфира представляет собой диспергатор Liquiment 5581F, поставляемый BASF Corporation, Houston, Texas, который содержит поликарбоксилированный эфир. Хотя в соответствии с вариантами реализации изобретения могут использоваться различные диспергаторы, в некоторых вариантах реализации диспергаторы на основе поликарбоксилированного эфира могут оказаться особенно подходящими. Без привязки к теории, можно утверждать, что диспергаторы на основе поликарбоксилированного эфира могут синергически взаимодействовать с другими компонентами цементной композиции с отсроченным схватыванием. Например, можно утверждать, что диспергаторы на основе поликарбоксилированного эфира могут вступать в реакцию с определенными замедлителями схватывания (например, с производными фосфоновой кислоты), что приводит к образованию геля, который суспендирует в композиции пемзу и гашеную известь на продолжительный период времени.
[0029] В некоторых вариантах реализации изобретения диспергатор может быть введен в композиции, способные затвердевать, в количестве, которое находится в диапазоне от около 0,01% до около 5% по массе пемзы или другого материала, способного затвердевать. В специфических вариантах реализации изобретения диспергатор может присутствовать в количестве, которое находится между любыми из и/или включает любое из следующих отношений к массе пемзы или другого материала, способного затвердевать: около 0,01%, около 0,1%, около 0,5%, около 1%, около 2%, около 3%, около 4% или около 5%. Рядовой специалист может, при помощи данного описания, определить подходящее количество диспергатора для введения в выбранное применение.
[0030] Другие добавки, подходящие для использования в операциях подземного цементирования, тоже могут содержаться в вариантах реализации изобретения композиций, способных затвердевать. Примеры таких добавок включают, но не ограничиваются этим, добавки-утяжелители, облегченные добавки, газогенерирующие добавки, добавки для улучшения механических характеристик, материалы для борьбы с поглощениями, добавки для регулирования фильтрации, понизители водоотдачи, пеноудаляющие реагенты, вспениватели, тиксотропные добавки и их комбинации. В вариантах реализации изобретения одна или более из этих добавок может вводиться в цементные композиции с отсроченным схватыванием после хранения, но перед помещением цементной композиции с отсроченным схватыванием в подземную формацию. При помощи данного описания рядовой специалист может легко определить тип и количество добавки, которая будет полезна для конкретного применения и достижения желаемого результата.
3
3
3
[0031] Рядовым специалистам должно быть понятно, что варианты реализации изобретения цементных композиций с отсроченным схватыванием, в общем случае, должны иметь плотность, подходящую для конкретного применения. Например, цементные композиции с отсроченным схватыванием могут иметь плотность из диапазона от около 479,3 кг/м (4 фунт на галлон (фунт/галл.)) до около 2396,5 кг/м (20 фунт/галл). В определенных вариантах реализации изобретения композиции, способные затвердевать, могут иметь плотность из диапазона от около 959 кг/м3 (8 фунт/галл) до около 2037 кг/м (17 фунт/галл). Варианты реализации изобретения композиций, способных затвердевать, могут быть вспененными или невспененными или могут содержать другие средства для уменьшения их плотностей, такие как полые микросферы, эластичные шарики с низкой плотностью или другие, известные в данной области, уменьшающие плотность добавки. В вариантах реализации изобретения плотность может быть уменьшена после хранения, но перед помещением в подземную формацию. При помощи данного описания рядовые специалисты могут определить подходящую плотность для конкретного применения.
Recommended Practice for Testing Well Cements
[0032] Как указано ранее, варианты реализации изобретения композиций, способных затвердевать, могут иметь отсроченное схватывание, поэтому способны оставаться в состоянии пригодной для прокачивания жидкости в течение продолжительного периода времени. Например, композиции, способные затвердевать, могут представлять собой цементные композиции с отсроченным схватыванием, которые способны оставаться в состоянии пригодной для прокачивания жидкости на период времени от около 1 дня до около 7 дней или более. В некоторых вариантах реализации изобретения цементные композиции с отсроченным схватыванием могут оставаться в состоянии пригодной для прокачивания жидкости в течение по меньшей мере около 1 дня, около 7 дней, около 10 дней, около 20 дней, около 30 дней, около 40 дней, около 50 дней, около 60 дней или вплоть да 2 лет. Считается, что жидкость находится в состоянии, пригодном для прокачивания, если ее консистенция составляет менее 70 единиц консистенции Бердена (“Bc”) при измерении высокотемпературным консистометром для замеров под давлением при комнатной температуре (например, около 26,7°С (80°F)) по методике для определения времен загустевания цемента, описанной в API RP Practice 10B-2, , First Edition, July 2005.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Recommended Practice for Testing Well Cements
[0033] При необходимости использования варианты реализации изобретения цементных композиций с отсроченным схватыванием можно активировать (например, комбинируя их с активатором схватывания цемента) к превращению в затвердевшую массу. Например, варианты реализации изобретения цементных композиций с отсроченным схватыванием могут быть активированы к превращению в затвердевшую массу за период времени из диапазона от около 1 часа до около 12 часов. Например, варианты реализации изобретения цементных композиций с отсроченным схватыванием могут схватываться с образованием затвердевшей массы за период времени, который находятся между любыми из и/или включает любой из следующих сроков: около 1 дня, около 2 дней, около 4 дней, около 6 дней, около 8 дней, около 10 дней или около 12 дней. После активации цементные композиции с отсроченным схватыванием могут за 24-часа приобретать компрессионную прочность из диапазона от около 3,45 бар (50 фунт/дюйм) до около 344,7 бар (5000 фунт/дюйм), альтернативно, от около 6,9 бар (100 фунт/дюйм) до около 310,3 бар (4500 фунт/дюйм), или, альтернативно, от около 34,5 бар (500 фунт/дюйм) до около 275,8 бар (4000 фунт/дюйм). В некоторых вариантах реализации изобретения цементные композиции с отсроченным схватыванием могут за 24 часа приобретать компрессионную прочность по меньшей мере около 3,45 бар (50 фунт/дюйм), по меньшей мере около 6,9 бар (100 фунт/дюйм), по меньшей мере около 34,5 бар (500 фунт/дюйм) или более. Значения компрессионной прочности можно определять в соответствии с руководством API RP 10B-2, , First Edition, July 2005, с использованием UCA при 60°С (140°F), если прочность сохраняется на уровне 206,8 бар (3000 фунт/дюйм2).
[0034] Варианты реализации изобретения могут включать добавку активатора схватывания цемента к цементным композициям с отсроченным схватыванием. Примеры подходящих активаторов схватывания цемента включают, но не ограничиваются этим, хлорид кальция, триэтаноламин, силикат натрия, формиат цинка, ацетат кальция, гидроксид натрия, одновалентную соль, нанокремнезем (т.е., кремнезем с размером частиц менее или равным около 100 нанометров), полифосфат и их комбинации. В некоторых вариантах реализации изобретения для активации может использоваться комбинация полифосфата и одновалентной соли. Применяемая одновалентная соль может представлять собой любую соль, которая диссоциирует с образованием одновалентного катиона, такую как соли натрия и калия. Конкретные примеры подходящих одновалентных солей включают сульфат калия, хлорид кальция и сульфат натрия. Для активации цементных композиций с отсроченным схватыванием можно использовать широкий спектр различных полифосфатов в комбинации с одновалентной солью, включая, например, полимерные метафосфатные соли, фосфатные соли и их комбинации. Конкретные примеры подходящих для использования полимерных метафосфатных солей включают гексаметафосфат натрия, триметафосфат натрия, тетраметафосфат натрия, пентаметафосфат натрия, гептаметафосфат натрия, октаметафосфат натрия и их комбинации. Конкретный пример подходящего активатора схватывания цемента содержит комбинацию сульфата натрия и гексаметафосфата натрия. В конкретных вариантах реализации изобретения активатор может быть заготовлен и добавлен к цементной композиции с отсроченным схватыванием в виде жидкой добавки, например жидкой добавки, содержащей одновалентную соль, полифосфат и, необязательно, диспергатор.
[0035] Активатор схватывания цемента можно добавлять к вариантам реализации изобретения цементной композиции с отсроченным схватыванием в количестве, достаточном, чтобы инициировать превращение композиции с отсроченным схватыванием в затвердевшую массу. В определенных вариантах реализации изобретения активатор схватывания цемента можно добавлять к цементной композиции с отсроченным схватыванием в количестве из диапазона от около 1% до около 20% по массе пемзы. В специфических вариантах реализации изобретения активатор схватывания цемента может присутствовать в количестве, которое находится между любыми из и/или включает любое из следующих отношений к массе пемзы: около 1%, около 5%, около 10%, около 15% или около 20%. При помощи данного описания рядовой специалист может определить подходящее количество активатора схватывания цемента для введения в выбранное применение.
[0036] Рядовым специалистам должно быть понятно, что варианты реализации изобретения композиций, способных затвердевать, можно использовать во множестве подземных операций, включая первичное и ремонтное цементирование. В некоторых вариантах реализации изобретения предлагается композиция, способная затвердевать, которая содержит воду, пемзу, гашеную известь, замедлитель схватывания и, необязательно, диспергатор. Затвердевающие композиции можно вводить в подземную формацию и давать возможность там затвердевать. В данном документе подразумевается, что введение композиции, способной затвердевать, в подземную формацию включает введение в любую часть подземной формации, включая, но не ограничиваясь этим, ствол скважины, пробуренной в подземной формации, приствольную зону, окружающую ствол или в обе эти зоны. Варианты реализации изобретения могут дополнительно включать активацию цементной композиции с отсроченным схватыванием. Активация цементной композиции с отсроченным схватыванием может включать, например, добавление к цементной композиции с отсроченным схватыванием активатора схватывания цемента.
[0037] В некоторых вариантах реализации изобретения предлагается цементная композиция с отсроченным схватыванием, которая содержит воду, пемзу, гашеную известь, замедлитель схватывания и, необязательно, диспергатор. Цементную композицию с отсроченным схватыванием можно хранить, например, в цистерне или другом подходящем контейнере. Цементную композицию с отсроченным схватыванием можно оставлять в хранилище на нужный период времени. Например, цементная композиция с отсроченным схватыванием может оставаться в хранилище на период времени около 1 дня или дольше. Например, цементная композиция с отсроченным схватыванием может оставаться в хранилище в течение около 1 дня, около 2 дней, около 5 дней, около 7 дней, около 10 дней, около 20 дней, около 30 дней, около 40 дней, около 50 дней, около 60 дней или вплоть до 2 лет. В некоторых вариантах реализации изобретения цементная композиция с отсроченным схватыванием может оставаться в хранилище в течение периода времени из диапазона от около 1 дня до около 7 дней или дольше. После этого цементную композицию с отсроченным схватыванием можно активировать, например, добавлением активатора схватывания цемента, вводить в подземную формацию и давать возможность там затвердевать.
[0038] При первичном цементировании, например, варианты реализации изобретения композиций, способных затвердевать, можно вводить в пространство между стенкой ствола скважины и обсадной трубой (например, колоннами труб, хвостовиками), расположенной в стволе скважины, при этом ствол скважины проходит через подземную формацию. Затвердевающим композициям можно давать возможность затвердевать с образованием кольцевой оболочки из затвердевшего цемента в пространстве между стенкой ствола скважины и обсадной трубой. Первичное цементирование также включает введение композиции, способной затвердевать, в пространство между обсадной трубой и большей обсадной трубой в стволе скважины. Помимо прочего, композиции, способные затвердевать, могут формировать барьер, который предотвращает миграцию флюидов в стволе скважины. Затвердевающие композиции могут также, например, поддерживать обсадную трубу в стволе скважины.
[0039] В вариантах реализации изобретения для ремонтного цементирования затвердевающую композицию можно использовать, например, в ремонтно-изоляционных работах или при помещении цементировочных пробок. Например, затвердевающую композицию можно вводить в ствол скважины, чтобы закрыть отверстие, такое как пустота или трещина в формации, в гравийной набивке, в обсадной трубе, в цементной оболочке и/или кольцевой микрозазор между цементной оболочкой и обсадной колонной.
[0040] Один из вариантов реализации изобретения предлагает способ управления реологией цементной композиции с отсроченным схватыванием, который включает: приготовление цементной композиции с отсроченным схватыванием, содержащей воду, пемзу, гашеную известь и замедлитель схватывания; сдвиг цементной композиции с отсроченным схватыванием в количестве, достаточном для радикального предотвращения осаждения твердых частиц; хранение цемента с отсроченным схватыванием в состоянии прокачиваемой жидкости в течение по меньшей мере 1 дня; активирование цементной композиции с отсроченным схватыванием; введение цементной композиции с отсроченным схватыванием в подземную формацию; и предоставление возможности цементной композиции с отсроченным схватыванием затвердевать в подземной формации.
[0041] Другой вариант реализации изобретения, предусматривающий управление реологией композиции, способной затвердевать, включает: приготовление композиции, способной затвердевать, содержащей воду, гашеную известь и материал, выбранный из группы, состоящей из портландцемента, пуццоланового цемента, гипсового цемента, грунтоцемента, кальциево-фосфатного цемента, цемента с высоким содержанием глинозема, кремнеземистого цемента, высокощелочного цемента, шлакового цемента, цементной пыли, пемзы и их смесей; приложение напряжения сдвига к цементной композиции с отсроченным схватыванием в количестве, достаточном для радикального предотвращения осаждения твердых частиц; введение цементной композиции с отсроченным схватыванием в подземную формацию; и предоставление возможности цементной композиции с отсроченным схватыванием затвердевать в подземной формации.
[0042] В одном варианте реализации изобретения предлагается система для управления реологией цементной композиции с отсроченным схватыванием, которая включает: цементную композицию с отсроченным схватыванием, содержащую: воду; пемзу; гашеную известь; и замедлитель схватывания; и смесительное оборудование для осуществления сдвига цементной композиции с отсроченным схватыванием в количестве, достаточном для радикального предотвращения осаждения твердых частиц в цементной композиции с отсроченным схватыванием.
[0043] Теперь, с обращением к ФИГ.1, будет описано приготовление затвердевающей композиции в соответствии с примером вариантов реализации изобретения. ФИГ. 1 иллюстрирует систему 2 для приготовления композиции, способной затвердевать, и ее доставки в ствол скважины в соответствии с определенными вариантами реализации изобретения. Как показано на фигуре, затвердевающую композицию можно смешивать в смесительном оборудовании 4, таком как, например, струйная мешалка, рециркуляционная мешалка, порционная мешалка, а затем закачивать в ствол скважины при помощи насосного оборудования 6. В некоторых вариантах реализации изобретения смесительное оборудование 4 и насосное оборудование 6 могут быть размещены на одном или более цементовозов, что должно быть понятно рядовым специалистам в данной области. В некоторых вариантах реализации изобретения струйная мешалка может использоваться, например, для непрерывного смешивания извести/материала, способного затвердевать, с водой по мере перекачивания смеси в ствол скважины.
[0044] Пример аппаратуры для введения композиции, способной затвердевать, в подземную формацию будет описан со ссылками на ФИГ. 2A и 2B. ФИГ. 2A иллюстрирует оборудование 10, которое может использоваться для помещения композиции, способной затвердевать, в соответствии с определенными вариантами реализации изобретения. Следует отметить, что хотя ФИГ. 2A, в общем случае, изображает наземную рабочую площадку, специалистам в данной области должно быть ясно, что описанные в данном документе принципы равным образом применимы к подводным операциям, в которых используются плавучие или морские платформы и буровые установки, без выхода из объема данного описания изобретения. Как показано на ФИГ. 2A, наземное оборудование 10 может включать цементирующий блок 12, который может содержать один или более цементовозов. Цементирующий блок 12 может содержать смесительное оборудование 4 и насосное оборудование 6 (например, ФИГ. 1), что должно быть ясно рядовым специалистам. Цементирующий блок 12 может перекачивать затвердевающую композицию 14 через питающую трубу 16 в цементировочную головку 18, которая передает затвердевающую композицию 14 в скважину.
[0045] Обратимся к Фиг.2B, на которой показано, что композицию 14, способную затвердевать, можно поместить в подземную формацию 20 в соответствии с примером вариантов реализации изобретения. Как проиллюстрировано, ствол скважины 22 может быть пробурен в подземную формацию 20. Хотя ствол скважины 22 показан проходящим, в общем случае, вертикально в подземную формацию 20, описанные в данном документе принципы применимы также к стволам скважин, которые проходят через подземную формацию 20 под углом, таким как горизонтальные и наклонные стволы скважин. Как проиллюстрировано, ствол скважины 22 включает стенки 24. В иллюстрируемом варианте реализации изобретения кондукторная обсадная колонна 26 вставлена в ствол скважины 22. Кондукторная обсадная колонна 26 может быть сцементирована со стенками 24 ствола скважины 22 цементной оболочкой 28. В иллюстрируемом варианте реализации изобретения в стволе скважины 22 могут также быть размещены одна или более дополнительных обсадных труб (например, промежуточная обсадная колонна, эксплуатационная обсадная колонна, хвостовики и т. д.), которые показаны здесь как колонна 30. Как проиллюстрировано, в стволе скважины имеется кольцевое пространство 32 между обсадной колонной 30 и стенками 24 ствола скважины 22 и/или кондукторной обсадной колонной 26. К обсадной колонне 30 могут быть присоединены один или более центраторов 34, например, для центрирования обсадной колонны 30 в стволе скважины 22 перед и в течение операции цементирования.
[0046] На Фиг. 2B видно, что композицию 14, способную затвердевать, можно перекачивать вниз, внутрь обсадной колонны 30. Композиции 14, способной затвердевать, можно дать возможность стекать вниз внутри обсадной колонны 30 через башмак обсадной колонны 42 на дне обсадной колонны 30 и подниматься вверх вокруг обсадной колонны 30 в кольцевое пространство 32 ствола скважины. Композиции 14, способной затвердевать, можно дать возможность затвердевать в кольцевом пространстве ствола скважины 32, например, для формирования цементной оболочки, которая поддерживает и позиционирует обсадную колонну 30 в стволе скважины 22. Хотя это не проиллюстрировано, для введения композиции 14, способной затвердевать, можно использовать и другое оборудование. Например, можно использовать способ обратной циркуляции, который включает введение композиции 14, способной затвердевать, в подземную формацию 20 не через обсадную колонну 30, а через кольцевое пространство ствола скважины 32.
[0047] После введения композиция 14, способная затвердевать, может вытеснять другие флюиды 36, такие как буровые растворы и/или вытесняющие жидкости, которые могут присутствовать во внутренней части обсадной колонны 30 и/или в кольцевом пространстве ствола скважины 32. По меньшей мере часть вытесненных флюидов 36 может выходить из кольцевого пространства ствола скважины 32 по выкидной линии 38 и осаждаться, например, в одном или более отстойниках 40 (например, в баке для бурового раствора), как показано на ФИГ. 2A. Обратимся снова к ФИГ. 2B, на которой показано, что в ствол скважины 22 можно перед композицией 14, способной затвердевать, ввести нижнюю пробку для цементирования 44, например, чтобы отделить композицию 14, способную затвердевать, от флюидов 36, которые могут находиться внутри обсадной колонны 30 до цементирования. После того как нижняя пробка для цементирования 44 достигнет муфты с упором 46, должна раскрыться диафрагма или другое подходящее устройство, чтобы дать возможность композиции 14, способной затвердевать, проходить через нижнюю пробку для цементирования 44. На ФИГ. 2B нижняя пробка для цементирования 44 показана на муфте с упором 46. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения продавочную пробку 48 можно вводить в ствол скважины 22 после композиции 14, способной затвердевать. Продавочная пробка 48 может отделять композицию 14, способную затвердевать, от вытесняющего флюида 50, а также продавливать композицию 14, способную затвердевать, через нижнюю пробку для цементирования 44.
[0048] Описанные в данном документе в качестве примера композиции, способные затвердевать, могут прямо или косвенно воздействовать на один или более компонентов или частей оборудования, связанного с приготовлением, доставкой, возвратом, утилизацией, повторным использованием и/или удалением раскрытых композиций, способных затвердевать. Например, описанные композиции, способные затвердевать, могут прямо или косвенно воздействовать на одну или более мешалок, 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, которое используется для генерации, хранения, мониторинга, регулирования и/или восстановления прежних свойств приведенных в качестве примера композиций, способных затвердевать. Описанные композиции, способные затвердевать, могут также прямо или косвенно влиять на любое транспортное или доставочное оборудование, которое используется для перевозки композиций, способных затвердевать, к буровой площадке или их подачи в скважину, такое как, например, любые транспортировочные емкости, патрубки, трубопроводы, грузовики, системы труб и/или трубы, применяемые для композиционного перемещения композиций, способных затвердевать, с одного места на другое, любые насосы, компрессоры или моторы (например, на верхних строениях или в скважине), которые используются для приведения в движение композиций, способных затвердевать, любые клапаны или аналогичные соединения, которые используются для регулирования давления или скорости потока композиций, способных затвердевать, и любые датчики (т.е., давления и температуры), измерительные приборы и/или их комбинации и т.п. Описанные композиции, способные затвердевать, могут также прямо или косвенно влиять на различное скважинное оборудование и инструменты, которые могут вступать с ними в контакт, такие как, но не ограничиваясь ими, обсадная колонна ствола скважины, хвостовик ствола скважины, колонна заканчивания, колонна со вставками, бурильная колонна, гибкие насосно-компрессорные трубы малого диаметра, тросовый канат, вспомогательный канат, трубчатая штанга, утяжеленная бурильная труба, гидравлические забойные двигатели, погружные электродвигатели и/или насосы, цементировочные насосы, двигатели, устанавливаемые на поверхности и/или насосы, центраторы, турбулизаторы, скребки, обратные клапаны (например, башмачные трубы, переходные муфты, клапаны и т.д.), каротажные устройства и связанное телеметрическое оборудование, механизмы управления клапанами (например, электромеханические устройства, гидромеханические устройства и т.д.), скользящие муфты, выходные патрубки, пробки, сетчатые фильтры, фильтры, устройства для регулирования расхода (например, регуляторы притока, автономные регуляторы притока, регуляторы оттока и т.д.), муфтовые соединения (например, электрогидравлическое мокрое соединение, сухое соединение, индуктивный соединитель и т.д.), линии наблюдения, буровые коронки и скважинные расширители, датчики или распределенные датчики, погружные теплообменники, клапаны и соответствующие механизмы управления, уплотнители инструментов, пакеры, цементные пробки, мостовые пробки и другие изолирующие устройства или компоненты ствола скважины и т.п.
ПРИМЕРЫ
[0049] Чтобы улучшить понимание 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.
Пример 1
[0050] Приготовили образцы цементных композиций с отсроченным схватыванием, которые различались долей присутствующей гашеной извести. Все остальные компоненты были одинаковыми. Содержание компонентов в образцах указано в процентах по массе пемзы (bwoP). Каждый образец содержал 100% bwoP пемзы (легкий заполнитель DS-325), 0,6% bwoP диспергатора Liquiment 5581F, 0,06% bwoP замедлителя схватывания цемента Micro Matrix, 2% bwoP утяжелителя MicroMax Weight Additive, поставляемого Halliburton Energy Services, Houston, TX, и 65% bwoP воды. 5%-я композиция с известью содержала гашеную известь в количестве 5% bwoP. 10%-я композиция с известью содержала гашеную известь в количестве 10% bwoP. 15%-я композиция с известью содержала гашеную известь в количестве 15% bwoP. 20%-я композиция с известью содержала гашеную известь в количестве 20% bwoP.
Recommended Practice for Testing Well Cements
[0051] Образцы сначала смешали в мешалке Hobart, которая только перемешивает образцы, но не создает в композициях, способных затвердевать, сдвига, достаточного, чтобы перевести известь в текучее состояние. Затем часть каждого образца достали и поместили в градуированный цилиндр емкостью 50 мл, чтобы определить присутствие и измерить количество любых твердых частиц, которые могут осаждаться из суспензии. Вторую порцию достали из мешалки Hobart и поместили в цементосмесительную установку Warring, которая не создает достаточного сдвига в извести для перехода в текучее состояние. Производили сдвиг извести при 6000 rpm в течение различных периодов времени. Затем порцию каждого из образцов со сдвиговой деформацией достали и поместили в градуированный цилиндр емкостью 50 мл, чтобы определить присутствие и измерить количество любых твердых частиц, которые могут осаждаться из суспензии. Измерения произвели с использованием Model 35A Fann Viscometer, оснащенного Fann Yield Stress Adapter (FYSA) и пружиной No. 1, в соответствии с методикой, изложенной в API RP Practice 10B-2, . Результаты этого тестирования представлены ниже в Таблице 1.
Таблица 1
Испытания на вязкость
% извести
Время сдвига при 6000 rpm
Показания Fann FYSA
Объем осадка за 20 мин
3
6
100
200
300
600
3D
6D
5%
Hobart (NA)
1
1
67,5
174,5
286
>300
0
0
10 мл
150 сек
1
1
16
41,5
72,5
174
0
0
10 мл
684 сек
25
25
33,5
43
65
110
14
14
0 мл
10%
Hobart (NA)
1
2
70,5
184,5
>300
0
0
10 мл
150 сек
2
2
15,5
40,5
70
167
1,5
1,5
5 мл
455 сек
26
26,5
42
58,5
79,5
135
14
14
0 мл
15%
Hobart (NA)
1
2
65
187
>300
0
0
10 мл
150 сек
2
2
20,5
45
73,5
169
1
1,5
2,5 мл
340 сек
26
26
38,5
60,5
80,5
145
14
14
0 мл
20%
Hobart (NA)
1
2
65
187
>300
0
1
10 мл
150 сек
7
8,5
35,5
65
97
205
2
1
0 мл
228 сек
30,5
31
61
82,5
108,5
181
23
25
0 мл
[0052] Таким образом, Пример 1 показывает, что в большинстве случаев в цементных композициях с отсроченным схватыванием, имеющих более высокие концентрации извести, можно за меньшее время и при меньшей скорости вызвать сдвиг, чтобы создать суспензию, которая лучше удерживает твердые частицы во взвешенном состоянии. Это можно рассматривать как обратную зависимость, в соответствии с которой время для создания в извести сдвига уменьшается при увеличении концентрации извести.
Пример 2
[0053] Энергию, потребляемую образцами цементной композиции с отсроченным схватыванием из Примера 1, измеряли для каждого образца. Компонентный состав образцов не изменяли по сравнению с Примером 1. Каждый образец перемешивали при 6000 rpm в течение периодов времени, показанных ниже в Таблице 2. Измерения произвели с использованием вискозиметра Model 35A Fann Viscometer, оснащенного Fann Yield Stress Adapter (FYSA) и пружиной No. 1, в соответствии с методикой, изложенной в API RP Practice 10B-2, Recommended Practice for Testing Well Cements. Результаты этого тестирования представлены ниже в Таблице 2.
Таблица 2
Потребленная энергия в зависимости от концентрации извести
Концентрация извести (%)
τ<sub>0</sub> (Па) после 150 сек при 6000 rpm
μ<sub>∞</sub> (сП) после 150 сек при 6000 rpm
n после 150 сек при 6000 rpm
Время перемешивания при 6000 rpm (сек)
Суммарная энергия, потребленная при перемешивании (Дж/см3)
Суммарная энергия, потребленная при перемешивании на единицу извести (Дж/см3)/% извести
5
0,55
125
1,37
684
544
109
10
1,24
115
1,37
455
451
45
15
1,1
251
1,22
340
329
22
20
4,3
755
1,03
228
227
11
[0054] Таким образом, Пример 2 показывает, что потребленная энергия перемешивания уменьшается при увеличении концентрации извести. Следовательно, для сдвига суспензии композиции с известью требуется меньший подвод энергии при более высоких концентрациях извести, чем при меньших концентрациях извести.
Пример 3
Recommended Practice for Testing Well Cements
[0055] Используя описанные в данном документе методы количественного анализа, для образцов цементных композиций с отсроченным схватыванием из Примера 1 произвели измерения при скоростях сдвига 6000 rpm после 150 секунд и повторные измерения после достижения текучести, как описано в Примере 1. Компонентный состав образцов не изменяли по сравнению с Примером 1. Произвели анализ остаточного напряжения, анализ средней по объему кажущейся вязкости и анализ наклона в двойных логарифмических координатах. Измерения произвели с использованием вискозиметра Model 35A Fann Viscometer, оснащенного Fann Yield Stress Adapter (FYSA) и пружиной No. 2, в соответствии с методикой, изложенной в API RP Practice 10B-2, . Результаты этого тестирования представлены ниже в Таблице 3.
Таблица 3
Количественный результат начала текучести извести
Параметр
5% известь До начала текучести
5% известь После начала текучести
10% известь До начала текучести
10% известь После начала текучести
15% известь До начала текучести
15% известь После начала текучести
20% известь До начала текучести
20% известь После начала текучести
Остаточное напряжение (Па), RS
0
9,52
1,02
9,52
0,85
9,52
1,02
16,32
% изменения RS
833%
1020%
1500%
VAAV,25 (сП)
435
911
422
1,142
558
1,047
966
1,659
% увеличения VAAV,25
109%
171%
88%
72%
100/200 наклон log-log
1,38
0,36
1,39
0,48
1,13
0,65
0,87
0,44
200/300 наклон log-log
1,38
1,02
1,35
0,76
1,21
0,70
0,99
0,68
100/300 наклон log-log
1,38
0,60
1,37
0,58
1,16
0,67
0,91
0,52
Ср. Наклон log-log
1,38
0,66
1,37
0,61
1,17
0,68
0,92
0,55
% уменьшения LLS
-52%
-56%
-42%
-41%
[0056] Таким образом, Пример 3 показал, что остаточное напряжение увеличивается в кратности от 9 до 16 раз. Аналогично, % увеличения вязкости при 25 1/сек (VAAV,25) составляет от 72% до 171%. Анализ наклона Log-Log показал, что показатель скорости сдвига уменьшается на от 41% до 56%, и для образцов с содержанием извести 5%, 10% и 15% LLS указывает на дилатантное (загустевание при сдвиге) поведение после 150 секунд при 6000 RPM перед переходом в текучее состояние. После перехода в текучее состояние значения LLS для тех же образцов с содержанием извести 5%, 10% и 15% значительно падает и становится меньше 1,0, что указывает на разжижение при сдвиге.
[0057] Следует понимать, что композиции и способы описаны в контексте «содержания», «вмещения» или «включения» различных компонентов или стадий, кроме того, композиции и способы могут «состоять главным образом из» или «состоять из» различных компонентов и стадий. Кроме того, применяемая в формуле изобретения форма единственного числа предполагает наличие одного или большего количества рассматриваемых элементов.
[0058] 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.
[0059] Таким образом, настоящие варианты реализации изобретения отлично подходят для достижения целей и получения преимуществ, указанных выше, а также присущих им. Конкретные варианты реализации изобретения, раскрытые выше, являются лишь иллюстрацией, поскольку настоящее раскрытие вариантов реализации изобретения может быть модифицировано и осуществлено 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, предусмотрены и охвачены 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(ов) или других документов, которые могут быть включены в настоящее описание посредством ссылки, следует принимать определения, соответствующие настоящему описанию.