火山灰石灰水泥組合物的可調控制的制作方法

火山灰石灰水泥組合物的可調控制的制作方法
【專利摘要】本文公開水泥組合物和在地下地層中使用水泥組合物的方法。實施方案公開配制水泥組合物的方法。所述方法可包括測量一組火山灰的表面積，其中所述組的火山灰的所測量最小表面積和所述組的火山灰的所測量最大表面積相差約50％或更大。所述方法還可包括從所述組的火山灰選擇一種或多種火山灰。所述方法還可包括將包含石灰和水的組分加入所述所選擇的一種或多種火山灰以便形成水泥組合物。
【專利說明】火山灰石灰水泥組合物的可調控制
[0001 ] 背景
[0002] 本發明的實施方案涉及水泥組合物，并且在特定實施方案中，涉及控制包含火山 灰和石灰的水泥組合物的特性。
[0003] 水泥組合物可在多種地下操作中使用。例如，在地下井施工中，管柱(例如，套管、 襯管、膨脹管等)可伸入井筒中并且用水泥固定在適當位置。將管柱用水泥固定在適當位置 的方法通常稱為"初次注水泥"。在典型的初次注水泥方法中，水泥組合物可被栗送入井筒 的壁與設置在井筒中的管柱的外表面之間的環帶中。水泥組合物可在環狀空間中凝固，由 此形成具有硬化的、大致上不可透水泥的環狀護套（即水泥護套），所述環狀護套可將管柱 支撐并定位在井筒中并且可將管柱的外表面粘結到地下地層。除了其他情況之外，圍繞管 柱的水泥護套防止環帶中流體的迀移，并且保護管柱不受腐蝕。水泥組合物還可用于補注 水泥方法中，例如，用于密封管柱或水泥護套中的裂痕或孔洞，用于密封高滲透地層區域或 斷口，或用于放置水泥塞等等。
[0004] 廣泛多種的水泥組合物已用于地下注水泥操作中。在一些情況中，已使用延遲凝 固的水泥組合物。延遲凝固的水泥組合物由能夠在靜止存儲時在室溫(例如，約80°F)下保 持在可栗送流體狀態達至少約一天(例如，約7天、約2周、約2年或更久)來表征。當需要使用 時，延遲凝固的水泥組合物應能夠活化并且由此產生合理的抗壓強度。例如，水泥凝固活化 劑可被加入延遲凝固的水泥組合物中以誘導所述組合物凝固成硬化塊。除了其他情況之 外，延遲凝固的水泥組合物可適合用于井筒應用中，如希望提前制備水泥組合物的應用。這 可允許水泥組合物在使用之前被存儲。此外，這可允許在方便的位置處制備水泥組合物，之 后運輸到工作地點。因此，由于對現場大容量存儲與混合設備的需要的減少，可減少資本支 出。這可尤其適用于船載容器的空間可能很有限的海上注水泥操作。
[0005] 盡管迄今已經開發了水泥組合物和延遲凝固的水泥組合物，但當針對具體應用配 制這些組合物時可能存在問題。例如，可能需要具有低反應性的組合物以使得所述組合物 可維持低粘度，以便用于需要水泥組合物保持在可栗送流體狀態達長時間段的應用。然而， 當凝固來實際上成為適合的組合物以用于它們的預期用途時，這類低反應性流體可能不具 有足夠的抗壓強度。通常，水泥組合物可使用添加劑來增強水泥特性(例如，抗壓強度）。然 而，添加劑可產生另外的成本以及與其他流體或與地層自身的相容性問題。因此，可能需要 調整水泥組合物的特性，同時限制對調整水泥組合物的組合物構成的需要。
[0006] 附圖簡述
[0007] 這些圖示出本發明方法和組合物的一些實施方案的某些方面，并且不應用來限制 或限定所述方法和組合物。
[0008]圖1示出根據某些實施方案的用于制備水泥組合物并將其輸送到井筒的系統。
[0009] 圖2示出根據某些實施方案的可用于將水泥組合物放置在井筒中的地面設備。
[0010] 圖3示出根據某些實施方案將水泥組合物放置到井筒環帶中。
[0011] 詳述
[0012] 本發明的實施方案涉及水泥組合物，并且在特定實施方案中，涉及控制包含火山 灰和石灰的水泥組合物的特性。例如，水泥組合物的特性可針對具體應用加以調節。實施方 案可包括基于表面積和/或粒度來選擇火山灰，并且其他任選的實施方案可包括共混兩種 或更多種火山灰以便控制水泥組合物的特性。
[0013] 水泥組合物的實施方案通常可包含水、火山灰和石灰。任選地，水泥組合物還可包 含分散劑和/或緩凝劑。包含緩凝劑的水泥組合物的實施方案可被延遲凝固，以使得能夠保 持在可栗送流體狀態達延長時間段。例如，延遲凝固的水泥組合物可保持在可栗送流體狀 態達至少約1天或更長。水泥組合物可適用于多種注水泥操作；它們可尤其適用于具有相對 低的底孔靜態溫度（例如，約200°F或更小或在約100T至約200°F范圍內的溫度）的地下地 層中。在替代實施方案中，水泥組合物可用于具有可達約450°F或更高的底孔靜態溫度的地 下地層中。
[0014] 用于實施方案中的水可來自于任何來源，只要它不含可能不合需要地影響水泥組 合物中的其他組分的過量化合物即可。例如，水泥組合物可包含淡水或鹽水(salt water)。 鹽水中通常可包括一種或多種溶解的鹽并且可根據特定應用的需要為飽和或不飽和的。海 水或鹽水(brine)可適合在實施方案中使用。此外，水可以足以形成可栗送漿液的量存在。 在某些實施方案中，水可以在火山灰的約33重量％至約200重量％范圍內的量存在于水泥 組合物中。在某些實施方案中，水可以在火山灰的約35重量％至約70重量％范圍內的量存 在于水泥組合物中。受益于本公開的益處，本領域的普通技術人員將會認識到用于選定應 用的水的適當量。
[0015] 水泥組合物的實施方案可包含火山灰。多種不同的火山灰可適用于實施方案。包 含火山灰的示例性實施方案可包含粉煤灰、硅粉、偏高嶺土、天然火山灰(例如，浮石)或其 組合。在一些實施方案中，水泥組合物中存在的膠結組分可基本上由火山灰組成。例如，膠 結組分可主要包含火山灰，而沒有在水的存在下水硬凝固的任何附加膠結組分(例如，波特 蘭水泥）。
[0016] 適合的火山灰的實例可包括粉煤灰。多種粉煤灰可適用于具體實施方案，包括根 據美國石油學會的API Specification for Materials and Testing for Well Cements, API Specification 10,第五版，1990年7月I日被分類為C級和F級粉煤灰的粉煤灰。C級粉 煤灰包括二氧化硅和石灰，所以它可在與水混合之后凝固來形成硬化塊。F級粉煤灰通常不 含誘導膠結反應的足量石灰，因此，另外的鈣離子源對于包含F級粉煤灰的水泥組合物來說 是必需的。在一些實施方案中，石灰可與在粉煤灰的約0.1重量％至約100重量％范圍內的 量的F級粉煤灰混合。在一些情況中，石灰可以是水合石灰。粉煤灰的適合實例包括但不限 于可購自Halliburton Energy Services，Inc. ,Houston,Texas的p.〇ZMIX?A水泥添加 劑。
[0017] 適合的火山灰的實例可包括偏高嶺土。通常，偏高嶺土是可通過將高嶺土加熱到 在約600°C至約800°C范圍內的溫度制備的白色火山灰。
[0018] 適合的火山灰的實例可包括天然火山灰。天然火山灰通常存在于地球表面并且在 水合石灰和水的存在下凝固并硬化。例如，浮石是天然火山灰。浮石是可表現出膠結特性的 火山巖。適合的浮石的實例可購自Hess Pumice Products，Inc. ,Malad, Idaho,如DS-325輕 骨料。包含天然火山灰的浮石示例性實施方案可包含浮石、硅藻土、火山灰、乳白色頁巖、凝 灰巖和其組合。天然火山灰可為研磨或未研磨的。
[0019] 通常，根據對特定應用的需要，火山灰可具有任何粒度分布。如本文所使用，"粒 度"是指與比表面積相關的體積表面平均直徑（"Ds"）。體積表面平均直徑可由下式來定義： Ds = 6/( C>sAwpP)，其中C>s=圓球度;Aw=比表面積并且P p =顆粒密度。應理解，粒度可基于 測量技術、樣本制備和樣本條件(例如，溫度、濃度等)變化。在某些實施方案中，火山灰可具 有在約1微米至約200微米范圍內的d50粒度分布。d50值可通過粒度分析器來測量，所述粒 度分析器諸如由Malvern Instruments ,Worcestershire ,United Kingdom制造的那些分析 器。在具體實施方案中，火山灰可具有約1微米至約200微米、約5微米至約100微米或約10微 米至約25微米范圍內的d50粒度分布。在特定實施方案中，火山灰可具有約15微米或更小的 d50粒度分布。適合火山灰的實例可購自Hess Pumice Products, Inc. ,Malad, Idaho,其為 DS-325輕骨料浮石，所述DS-325輕骨料具有約12-17微米的d50粒度分布。
[0020] 通常，根據特定應用的需要，火山灰可具有任何大小的表面積。如本文所使用，"表 面積"被定義為顆粒面和曲面的總面積。比表面積可通過在顆粒表面上測量氣體吸附的布 魯諾一埃梅特一特勒方法來計算。在某些實施方案中，火山灰可具有在約lm 2/g至約500m2/g 或甚至更大的范圍內的表面積。表面積值可通過Quantachrome NOVA?2200e表面積分析 器來測量，所述表面積分析器諸如Quantachrome Instruments ,Boynton Beach ,Florida制 造的那些分析器。在具體實施方案中，火山灰可具有約lm2/g至約20m2/g、約5m 2/g至約20m2/ g或約l〇m2/g至約15m2/g范圍內的表面積。在特定實施方案中，火山灰可具有約20m 2/g或更 小的表面積。適合的火山灰的實例可購自Hess Pumice Products, Inc. ,Malad,Idaho,所述 火山灰是DS-325輕骨料浮石，其具有約20m2/g或更小的表面積分布。
[0021] 應當理解，過小的粒度可能具有可混性問題，而過大的粒度可能不能有效懸浮在 水泥組合物中。類似地，過大的表面積可能反應性過大并且過早膠凝或凝固，而過小的表面 積可能反應性過低并且不能足夠快的凝固或提供足夠的抗壓強度。因此，實施方案包括基 于粒度的尺寸和表面積選擇火山灰，以使得儲存壽命、流變性和抗壓強度可被調節來提供 具有特定應用所需的具體特性的水泥組合物。
[0022] 在實施方案中，火山灰可包括具有不同表面積和/或不同粒度的兩種或更多種火 山灰。例如，火山灰可包括具有相差多達50%或更大的粒度的火山灰，以使得兩種或更多種 火山灰的火山灰顆粒可具有相差約10%、約20%、約30%、約40%、約50%或更大的粒度。作 為另一實例，火山灰可包括具有相差50%或更大的表面積的火山灰，以使得兩種或更多種 火山灰的火山灰顆粒可具有相差約10%、約20%、約30%、約40%、約50%或更大的表面積。 在特定實施方案中，可使用具有相差約10%或更小的粒度，但是具有相差約10%或更大的 表面積的兩種或更多種火山灰。例如，兩種或更多種火山灰的表面積可相差約10%、約 20 %、約30 %、約40%、約50 %或更大，而粒度相差約10 %、約5 %或更小。兩種或更多種火山 灰可以是相同類型的火山灰(例如，浮石），但具有不同的表面積。在實施方案中，需要具有 粒度和/或表面積的具體分布的顆粒，因此可能有必要選擇并隔離火山灰顆粒。
[0023] 本發明技術的實施方案可包括測量一組火山灰的粒度和表面積和/或根據那些測 量值來將火山灰分類。所述組的火山灰可包括相同類型但具有不同粒度和/或表面積的火 山灰。可通過任何充分手段測量粒度和表面積，諸如本文討論的那些技術。一旦粒度和表面 積已被測量，就可根據那些測量值將火山灰分類。火山灰的分類可包括將火山灰隔離并組 織成群組或類別，所述群組或類別對粒度和/或表面積分布的預定范圍是特定的。替代地， 分類可包括過濾。在實施方案中，可通過任何充分手段過濾火山灰，以使得基于粒度、表面 積或兩者通過過濾將火山灰分類為兩個或更多個組。基于粒度和/或表面積隔離和分類火 山灰顆粒可允許火山灰特性的調節，所述火山灰特性諸如儲存壽命、流變性、抗壓強度和總 反應性。受益于本公開的益處的本領域的普通技術人員應該能夠隔離適用于選定應用的火 山灰(或多種火山灰)并選擇所述粒度和/或表面積。
[0024] 在實施方案中，火山灰可包括兩種或更多種火山灰的共混物。例如，一種或多種干 火山灰可與一種或多種干火山灰共混。替代地，一種或多種濕火山灰可與一種或多種干火 山灰共混。此外，一種或多種濕火山灰可與一種或多種濕火山灰共混。火山灰的共混物可包 括兩種或更多種不同類型的火山灰的共混物，例如，粉煤灰和浮石的共混物，和/或所述共 混物可包括兩種或更多種相同類型的具有不同表面積和/或粒度的顆粒的火山灰(例如，浮 石）的共混物，例如，包括18m 2/g的表面積的浮石和包括12m2/g的表面積的浮石的共混物。基 于類型和/或粒度和/或表面積的火山灰的共混可允許配制包括適用于具體應用的儲存壽 命、流變性、抗壓強度和總反應性的火山灰泥漿。例如，包括高表面積的火山灰可與足夠量 的包括低表面積的火山灰的共混，以使得總體共混物具有長儲存壽命并維持低粘度，而且 還在凝固之后具有足夠的抗壓強度。受益于本公開的益處的本領域的普通技術人員應該能 夠共混兩種或更多種火山灰以便產生適用于選定應用的水泥組合物。
[0025] 在實施方案中，可使用任何充分機制或技術來共混火山灰。例如，可通過分批或連 續混合器(例如，旋轉混合器、帶狀混合器、槳犁式混合器等等)共混火山灰。共混火山灰的 工藝可能需要以不誘導火山灰的粒度或表面積的進一步改變的方式控制混合設備。盡管可 通過足以產生共混組合物的任何這類機制或技術共混火山灰，但最小化對顆粒的粒度或表 面積的改變的機制或技術是優選的。可以任何比率共混火山灰以便實現針對具體應用所必 需的具體范圍的特性。例如，變化表面積和粒度的火山灰可被共混來使得所共混的火山灰 能夠保持在可栗送流體狀態大于5天，而一旦火山灰已凝固，對所述火山灰的抗壓強度的影 響最小或沒有影響。作為另一實例，一種火山灰與另一種火山灰的比率可為約10:90、20: 80、30:70、40:60、50:50、60:40、70:30、80:20或約90:10。受益于本公開的益處的本領域的 普通技術人員應該能夠共混兩種或更多種火山灰以便產生適合用于選定應用的水泥組合 物。
[0026] 水泥組合物的實施方案可包含石灰。此外，在一些實施方案中石灰可包括水合石 灰。如本文所使用，術語"水合石灰"將理解為是指氫氧化鈣。在一些實施方案中，石灰可提 供為生石灰(氧化鈣），所述生石灰在與水混合時發生水合以形成水合石灰。石灰可包括在 水泥組合物的實施方案中例如以便形成具有火山灰的水硬組合物。例如，石灰可以約10:1 至約1:1的火山灰對石灰重量比率或約3:1至約5:1的比率被包括。在存在時，石灰可例如以 在火山灰的約10重量％至約100重量％范圍內的量包括在水泥組合物中。在一些實施方案 中，石灰可以在火山灰的約10重量％、約20重量％、約40重量％、約60重量％、約80重量％或 約100重量％的任何量之間的范圍內和/或包括任何量的量存在。受益于本公開益處的本領 域的普通技術人員將會認識到針對所選應用來包括的石灰的量。
[0027] 水泥組合物的實施方案可包含凝固緩凝劑。寬范圍的凝固緩凝劑可適合在水泥組 合物中使用。例如，凝固緩凝劑可包括膦酸，諸如乙二胺四（亞甲基膦酸）、二亞乙基三胺五 (亞甲基膦酸)等;木質素磺酸鹽，諸如木質素磺酸鈉、木質素磺酸鈣等;鹽，諸如硫酸亞錫、 乙酸鉛、磷酸二氫鈣；有機酸，諸如檸檬酸、酒石酸等；纖維素衍生物，諸如羥乙基纖維素 (HEC)和羧甲基羥乙基纖維素（CMHEC);包含磺酸酯基和羧酸基的合成共聚物或三元聚合 物，諸如磺酸酯官能化的丙烯酰胺-丙烯酸共聚物;硼酸鹽化合物，諸如堿性硼酸鹽、偏硼酸 鈉、四硼酸鈉、五硼酸鉀;其衍生物或其混合物。適合的凝固緩凝劑的實例包括膦酸衍生物 以及其他。適合的凝固緩凝劑的一個實例是可購自Halliburton Energy Services, Inc的 Micro_MaiTix'K水泥緩凝劑。通常，凝固緩凝劑可以足夠延遲凝固一段所需時間的量存在于 水泥組合物中。在一些實施方案中，凝固緩凝劑可以在火山灰的約0.01重量％至約10重 量％范圍內的量存在于水泥組合物中。在具體實施方案中，凝固緩凝劑可以在火山灰的約 0.01重量％、約0.1重量％、約1重量％、約2重量％、約4重量％、約6重量％、約8重量％或約 10重量％的任何量之間的范圍內和/或包括任何量的量存在。受益于本公開的益處的本領 域的普通技術人員將會認識到針對選定應用來包括的凝固緩凝劑的適當量。
[0028]如先前所提及，水泥組合物的實施方案可任選地包含分散劑。適合的分散劑的實 例包括但不限于基于磺化甲醛的分散劑（例如，磺化丙酮甲醛縮合物），其實例可包括可購 自Geo Specialty Chemicals ,Ambler ,Pennsylvania的 DaxacT' 19分散劑。其他適合的分 散劑可以是聚羧酸醚分散劑，諸如可購自BASF Corporation Houston, Texas的 UquimeittisSSS IF和 Iiquimefft瑕514L分散齊 Ij，或可購自 Coatex ,Genay ,France 的 EthacryItmG分散劑。適合的可商購分散劑的另外實例是可購自Halliburton Energy Services，Inc ,Houston,Texas的CFR?_3分散劑。Liquimeiltκ 514L分散劑可包含溶于水中 的36重量％的聚羧酸醚。盡管多種分散劑可根據實施方案來使用，聚羧酸醚分散劑可特別 適合在一些實施方案中使用。在不受理論限制的情況下，據信聚羧酸醚分散劑可協同地與 水泥組合物的其他任選組分相互作用。例如，據信聚羧酸醚分散劑可與某些凝固緩凝劑(例 如，膦酸衍生物)反應，從而引起在延長的時間段內懸浮組合物中的火山灰和石灰的凝膠的 形成。
[0029]在一些實施方案中，分散劑可以在火山灰的約0.01重量％至約5重量％范圍內的 量包括在水泥組合物中。在具體實施方案中，分散劑可以在火山灰的約0.01重量％、約0.1 重量％、約0.5重量％、約1重量％、約2重量％、約3重量％、約4重量％或約5重量％的任何量 之間的范圍內和/或包括任何量的量范圍存在。受益于本公開的益處的本領域的普通技術 人員將會認識到針對選定應用來包括的分散劑的適當量。
[0030]水泥組合物的一些實施方案可包含除了火山灰之外的二氧化硅源；例如，結晶二 氧化硅和/或無定形二氧化硅。結晶二氧化硅是可包括在水泥組合物的實施方案中例如以 便防止水泥抗壓強度衰退的粉末。無定形二氧化硅是可包括在水泥組合物的實施方案中作 為輕型填料和/或以便增加水泥抗壓強度的粉末。無定形二氧化硅通常是硅鐵合金生產工 藝的副產物，其中所述無定形二氧化娃可通過氣態低氧化娃即SiO的氧化和冷凝來形成，所 述氣態低氧化娃是作為工藝中的中間物形成。無定形二氧化娃的適合來源的實例是可購自 Halliburton Energy Services，Inc. ,Houston,Texas的Silicalite?水泥添加劑。包含另 外的二氧化硅來源的實施方案可根據需要利用另外的二氧化硅來源以便增加抗壓強度或 延長凝固時間。
[0031 ]適合于在注水泥操作中使用的其他添加劑還可包括在水泥組合物的實施方案中。 這類添加劑的實例包括但不限于:加重劑、輕質添加劑、產氣添加劑、機械性能增強添加劑、 堵漏材料、過濾控制添加劑、失液量控制添加劑、消泡劑、發泡劑、觸變性添加劑和其組合。 在實施方案中，這些添加劑的一種或多種可在存儲之后但是在放置水泥組合物之前加入水 泥組合物中。受益于本公開的益處的本領域的普通技術人員應很容易能夠確定用于特定應 用并實現所需結果的添加劑的類型和量。
[0032]本領域的普通技術人員將理解水泥組合物的實施方案應通常具有適合用于特定 應用的密度。例如，水泥組合物可具有約4鎊每加侖（"lb/gal"）至約201b/gal范圍內的密 度。在某些實施方案中，水泥組合物可具有約81b/gal至約171b/gal范圍內的密度。水泥組 合物的實施方案可為發泡的或未發泡的，或者可包含其他方式來降低它們的密度，諸如中 空微球、低密度彈性珠或本領域已知的其他降低密度的添加劑。在實施方案中，加重添加劑 可用來增加水泥組合物的密度。適合的加重添加劑的實例可包括重晶石、赤鐵礦、黑錳礦、 碳酸鈣、菱鐵礦、鈦鐵礦或其組合。在特定實施方案中，加重添加劑可具有3或更大的比重。 受益于本公開的益處的本領域的普通技術人員將會認識到用于特定應用的適當密度。 [0033]如先前所提及，已被緩凝使得水泥組合物包括延遲凝固狀態的水泥組合物可能能 夠在靜止存放時在室溫(例如，約80°F)下保持在可栗送流體狀態達至少約一天(例如，至少 約1天、約2周、約2年或更長）。例如，延遲凝固的水泥組合物可保持在可栗送流體狀態達約1 天至約7天或更長的一段時間。在一些實施方案中，延遲凝固的水泥組合物可保持在可栗送 流體狀態達至少約1天、約7天、約10天、約20天、約30天、約40天、約50天、約60天或更長。組 合物可在保持在可栗送流體狀態的同時被存儲直到被需要。此外，組合物可在保持在可栗 送流體狀態的同時被運輸。在流體具有小于70伯登稠度單位（"Be"）的稠度的情況下，所述 流體被認為處于可栗送流體狀態，所述稠度是根據API RP Practice 10B-2,Recommended Practice for Testing Well Cements,第一版,2005年7月中闡述的用于測定水泥增稠時 間的程序在加壓稠度計上測量。
[0034] 如下文在實施例中所示，具有較小表面積的火山灰(例如，浮石)可在一些實施方 案中用于延遲凝固的水泥組合物的制備。火山灰的較小表面積可減少更高反應性火山灰膠 凝或以其他方式與水泥組合物的其他組分相互作用的趨勢。在特定實施方案中，用于延遲 凝固的水泥組合物中的火山灰可具有約2m 2/g至約10m2/g并且替代地約3m2/g至約7m2/g的表 面。在一些實施方案中，具有較高表面積(例如，>l〇m 2/g)的火山灰可與較小表面積的火山 灰共混以便提供增大的活性。例如，較小表面積的浮石可與大表面積的浮石共混。
[0035] 當需要使用時，緩凝/延遲凝固的水泥組合物的實施方案可被活化(例如，通過與 活化劑組合或通過熱活化)來凝固成硬化塊。如在本文所使用，術語"水泥凝固活化劑"或 "活化劑"是指一種添加劑，所述添加劑活化延遲凝固和/或緩凝水泥組合物并且還可加速 延遲凝固和/或緩凝水泥組合物的凝固。例如，延遲凝固的水泥組合物的實施方案可被活化 來在約1小時至約12小時范圍內的時間段中形成硬化塊。例如，延遲凝固的水泥組合物的實 施方案可凝固來在約1天、約2天、約4天、約6天、約8天、約10天或約12天的任何時間之間的 范圍內和/或包括任何時間的時間段內形成硬化塊。
[0036] 實施方案可包括將水泥凝固活化劑加入緩凝和/或延遲凝固的水泥組合物的實施 方案中。適合的水泥凝固活化劑的實例包括但不限于：沸石；胺類，諸如三乙醇胺、二乙醇 胺;硅酸鹽，諸如硅酸鈉；甲酸鋅；乙酸鈣；IA族和IIA族氫氧化物，諸如氫氧化鈉、氫氧化鎂 和氫氧化鈣;一價鹽，諸如氯化鈉;二價鹽，諸如氯化鈣;納米二氧化硅(即，具有小于或等于 約100納米的粒度的二氧化硅）；多磷酸鹽;和其組合。在一些實施方案中，多磷酸鹽和一價 鹽的組合可用于活化。一價鹽可以是解離來形成一價陽離子的任何鹽，諸如鈉鹽和鉀鹽。適 合的一價鹽的具體實例包括硫酸鉀和硫酸鈉。多種不同的多磷酸鹽可與一價鹽組合使用以 用于緩凝和/或延遲凝固的水泥組合物的活化，包括聚合的偏磷酸鹽、磷酸鹽和其組合。可 以使用的偏磷酸聚合物鹽的具體實例包括六偏磷酸鈉、三偏磷酸鈉、四偏磷酸鈉、五偏磷酸 鈉、七偏磷酸鈉、八偏磷酸鈉和其組合。適合的水泥凝固活化劑的具體實例包含硫酸鈉和六 偏磷酸鈉的組合。在特定實施方案中，活化劑可作為液體添加劑提供并加入緩凝和/或延遲 凝固的水泥組合物中，所述液體添加劑例如包含一價鹽、多磷酸鹽和任選地分散劑的液體 添加劑。
[0037] 水泥凝固活化劑可以足以誘導延遲凝固的水泥組合物凝固成硬化塊的量加入緩 凝和/或延遲凝固的水泥組合物的實施方案中。在某些實施方案中，水泥凝固活化劑可以在 火山灰的約0.1重量％至約20重量％范圍內的量加入緩凝和/或延遲凝固的水泥組合物中。 在具體實施方案中，水泥凝固活化劑可以在火山灰的約〇. 1重量％、約1重量％、約5重量％、 約10重量％、約15重量％或約20重量％的任何量之間的范圍內和/或包括任何量的量存在。 受益于本公開的益處的本領域的普通技術人員將會認識到針對選定應用來包括的水泥凝 固活化劑的適當量。
[0038] 在實施方案中，在活化之后，水泥組合物可凝固來具有合需要的抗壓強度。抗壓強 度通常是材料或結構承受軸向指向的推力的能力。抗壓強度可在組合物維持在規定溫度和 壓力條件下一段規定時間時進行測量。可通過破壞性方法或非破壞性方法來測量抗壓強 度。破壞性方法通過在壓縮測試機中壓碎樣本來物理地測試處理流體樣本在各個時間點的 強度。抗壓強度是根據斷裂載荷除以抵抗載荷的橫截面積來計算并且以每平方英寸鎊力 (psi)為單位來報告。非破壞性方法可采用可購自Farm Instrument Company ,Houston ,TX 的UCA?超聲水泥分析器。抗壓強度值可根據API RP 10B-2,Recommended Practice for Testing Well Cements,第一版,2005年7月來測定。
[0039] 例如，水泥組合物可產生在約50psi至約5000psi、替代地在約IOOpsi至約4500psi 或替代地在約500psi至約4000psi范圍內的24小時抗壓強度。在一些實施方案中，水泥組合 物可產生至少約50卩8；[、至少約100卩8；[、至少約500卩8；[或更大的24小時抗壓強度。在一些實 施方案中，可使用破壞性方法或非破壞性方法在約100T至約200°F范圍內的溫度下測定抗 壓強度值。
[0040] 在一些實施方案中，水泥組合物可具有合需要的增稠時間。增稠時間通常是指流 體(諸如水泥組合物)保持為能夠被栗送的流體狀態的時間。多種不同的實驗室技術可用來 測量增稠時間。根據上述API RP Practice 10B-2中闡述的程序操作的加壓稠度計可用來 測量流體是否處于可栗送流體狀態。增稠時間可以是處理流體達到70Bc的時間并且可作為 達到70Bc的時間來報告。在一些實施方案中，在3,000?81下和在約50°?至約400°?范圍內、 替代地約80°F至約250°F范圍內的溫度下并替代地在約140°F的溫度下，水泥組合物可具有 大于約1小時、替代地大于約2小時、替代地大于約5小時的增稠時間。
[0041] 如本領域的普通技術人員將理解的，水泥組合物的實施方案可用在多種注水泥操 作中，包括初次注水泥和補注水泥。在一些實施方案中，可提供包含水、火山灰和水合石灰 的水泥組合物。水泥組合物可被引入地下地層中并且在所述地下地層中使之凝固。如在本 文所使用，將水泥組合物引入地下地層中包括引入地下地層的任何部分中，包括但不限于 引入鉆入地下地層中的井筒中，引入圍繞井筒的附近井筒區域中或引入上述兩者中。
[0042] 在一些實施方案中，可提供包含水、火山灰、石灰、凝固緩凝劑和任選地分散劑的 延遲凝固的水泥組合物。延遲凝固的水泥組合物可被存儲在例如器皿或其他適合的容器 中。可允許延遲凝固的水泥組合物在所需時間段內保持存儲。例如，延遲凝固的水泥組合物 可在約1天或更長的時間段內保持存儲。例如，延遲凝固的水泥組合物可在約1天、約2天、約 5天、約7天、約10天、約20天、約30天、約40天、約50天、約60天或更長的時間段內保持存儲。 在一些實施方案中，延遲凝固的水泥組合物可在約1天至約7天或更長范圍內的時間段內保 持存儲。然后，延遲凝固的水泥組合物可例如通過水泥凝固活化劑的添加來活化，引入地下 地層中，并且在所述地下地層中使之凝固。
[0043] 在初次注水泥實施方案中，例如，水泥組合物的實施方案可被引入到位于井筒中 的管道與井筒的壁(和/或井筒中的較大管道)之間的環狀空間中，其中所述井筒穿透地下 地層。可使水泥組合物在環狀空間中凝固以便形成硬化水泥的環狀護套。水泥組合物可形 成防止流體在井筒中迀移的屏障。水泥組合物還可以例如將管道支撐在井筒中。
[0044] 在補注水泥實施方案中，水泥組合物可用在例如擠壓注水泥操作中或替代水泥 塞。例如，組合物可被放置在井筒中以便堵塞地層中、填礫(gravel pack)中、管道中、水泥 護套中和/或水泥護套與管道之間（例如，微環帶）的開口（例如，空隙或裂紋）。
[0045] 實施方案公開配制水泥組合物的方法。方法可包括測量一組火山灰的表面積，其 中所述組的火山灰的所測量最小表面積和所述組的火山灰的所測量最大表面積相差約 50 %或更大。方法還可包括從所述組的火山灰選擇一種或多種火山灰。方法還可包括將包 含石灰和水的組分加入所選擇的一種或多種火山灰以便形成水泥組合物。
[0046] 實施方案公開在地下地層中注水泥的方法。方法可包括提供第一火山灰。方法還 可包括提供第二火山灰，其中所述第二火山灰包含具有與第一火山灰的火山灰顆粒相差約 50%或更大的表面積的火山灰顆粒。方法還可包括共混第一火山灰和第二火山灰以便形成 共混的火山灰。方法還可包括將組分石灰和水加入共混的火山灰以便形成水泥組合物。方 法還可包括將水泥組合物引入地下地層中。方法還可包括使水泥組合物在地下地層中凝 固。
[0047] 現在參考圖1，現在將描述根據示例性實施方案的水泥組合物(可以是延遲凝固或 非延遲凝固的水泥組合物）的制備。圖1示出根據某些實施方案的用于水泥組合物的制備并 向井筒輸送的系統2。如圖所示，水泥組合物可在混合設備4(例如像噴射混合器、再循環混 合器或分批混合器）中混合，并且接著通過栗送設備6栗送到井筒。在一些實施方案中，如本 領域的普通技術人員將會明白的，混合設備4和栗送設備6可被設置在一輛或多輛水泥卡車 上。在一些實施方案中，噴射混合器可用來例如隨著石灰/可凝固材料與水被栗送到井筒連 續地將所述石灰/可凝固材料與水混合。在延遲凝固實施方案中，再循環混合器和/或分批 混合器可用來混合延遲凝固的水泥組合物，并且活化劑可在將水泥組合物向井下栗送之前 作為粉末加入混合器中。
[0048] 現在將參考圖2和圖3描述用于將水泥組合物放置到地下地層中的示例性技術。圖 2示出根據某些實施方案的可用于水泥組合物的放置中的地面設備10。應注意，盡管圖2大 體上示出陸上操作，但是本領域的技術人員將容易認識到，在不脫離本公開的范圍的情況 下，本文描述的原理可同等地適用于水下操作，所述水下操作采用浮動或海上平臺和鉆機。 如由圖2所示，地面設備10可包括注水泥單元12,所述注水泥單元12可包括一輛或多輛水泥 卡車。如本領域的普通技術人員將明白的，注水泥單元12可包括混合設備4和栗送設備6(例 如，圖1)。注水泥單元12可栗送水泥組合物14通過進料管16并且到達注水泥頭18,所述注水 泥頭18將水泥組合物14向井下運送。
[0049] 現在轉向圖3,根據示例性實施方案，延遲凝固或非延遲凝固的火山灰水泥組合物 14可被放置到地下地層20中。如圖所示，可將井筒22鉆入地下地層20中。盡管井筒22被示出 為大體上垂直地延伸到地下地層20中，但是本文描述的原理還適用于以一個角度延伸通過 地下地層20的井筒，諸如水平或傾斜井筒。如圖所示，井筒22包括壁24。在所示出的實施方 案中，地面套管26已被插入井筒22中。地面套管26可由水泥護套28用水泥固定到井筒22的 壁24。在所示出的實施方案中，這里被示出為套管30的一個或多個另外的管道(例如，中間 套管、生產套管、襯管等)還可被設置在井筒22中。如圖所示，存在形成于套管30與井筒22的 壁24和/或地面套管26之間的井筒環帶32。一個或多個定心器34可被附接到套管30例如以 便在注水泥操作之前和期間使套管30位于井筒22的中心。
[0050] 繼續參考圖3，可沿套管30的內部向下栗送水泥組合物14。可使水泥組合物14沿套 管30的內部向下流動通過位于套管30的底部處的套管鞋42,并且圍繞套管30向上流動到井 筒環帶32中。可使水泥組合物14在井筒環帶32中凝固例如以便形成將套管30支撐并定位在 井筒22中的水泥護套。盡管未示出，但是其他技術也可用于火山灰水泥組合物14的引入。例 如，可使用反向循環技術，所述反向循環技術包括借助于井筒環帶32而不是通過套管30來 將水泥組合物14引入地下地層20中。
[0051 ]在引入水泥組合物14時，所述水泥組合物可使其他流體36位移，所述其他流體諸 如可存在于套管30和/或井筒環帶32的內部中的鉆井液和/或隔離液。位移流體36的至少一 部分可通過流動管線38退出井筒環帶32并且沉積在例如一個或多個保持坑40(例如，泥坑） 中，如在圖2中示出。再次參考圖3,底部塞44可在水泥組合物14之前引入井筒22中，例如，以 便使水泥組合物14與可在注水泥之前位于套管30內部的流體36分離。在底部塞44到達碰壓 箍46之后，隔膜或其他適合的裝置應破裂以便允許火山灰水泥組合物14通過底部塞44。在 圖3中，底部塞44被示出為處于碰壓箍46上。在所示出的實施方案中，頂部塞48可在水泥組 合物14之后引入井筒22中。頂部塞48可將水泥組合物14與位移流體50分離并且還推動水泥 組合物14通過底部塞44。
[0052]本文公開的示例性水泥組合物可直接或間接影響與所公開水泥組合物的制備、輸 送、取回（recapture)、再循環、重復使用和/或處置相關聯的一種或多種組分或設備零件。 例如，所公開的水泥組合物可直接或間接影響用來產生、存儲、監測、調節和/或再調示例性 水泥組合物的一個或多個混合器、相關混合設備、泥坑、存儲設施或單元、組合物分離器、換 熱器、傳感器、計量器具、栗、壓縮機等等。所公開的水泥組合物還可直接或間接影響用來將 水泥組合物運送到井場或井下的運輸或輸送設備，例如像用來在組成上將水泥組合物從一 個位置移動到另一位置的任何運輸器皿、管道、管路、卡車、管式器具和/或管件，用來驅動 水泥組合物運動的任何栗、壓縮機或馬達(例如位于頂側或井下），用來調節水泥組合物的 壓力或流率的任何閥門或相關接頭，以及任何傳感器（即，壓力傳感器和溫度傳感器）、計量 器具和/或其組合等等。所公開的水泥組合物還可直接或間接影響可與水泥組合物發生接 觸的各種井下設備和工具，諸如但不限于井筒套管、井筒襯管、完井管柱、插入管柱、鉆柱、 連續油管、平直管線（slickline)、鋼絲、鉆桿、鉆鋌、泥漿馬達、井下馬達和/或栗、水泥栗、 地面安裝馬達和/或栗、定心器、渦流器(turbolizer)、刮泥器、浮體(例如，浮靴、浮箍、浮閥 等）、測井工具以及相關遙測設備、致動器(例如，機電裝置、液力學裝置等）、滑動套筒、生產 套筒、塞子、篩、過濾器、流量控制裝置(例如，流入控制裝置、自動流入控制裝置、流出控制 裝置等）、聯軸器(例如，電動液壓濕連接件、干連接件、電感耦合器）、控制線路(例如，電線、 光纖線路、液壓線路等）、監視線路、鉆頭和擴孔器、傳感器或分布式傳感器、井下換熱器、閥 門和對應的致動裝置、工具密封件、封隔器(packer)、水泥塞、橋式塞以及其他井筒隔離裝 置或部件等等。
[0053]為了便于更好地理解實施方案，給出一些實施方案的特定方面的以下實施例。以 下實施例決不應解讀成是限制或限定本公開的全部范圍。 實施例
[0054] 實施例1
[0055] 獲得四個浮石樣本，其中每個樣本具有類似的粒度但具有不同的表面積。浮石樣 本是可購自 Hess Pumice Products ,Inc · ,Malad ,Idaho 的 DS-325 級。DS-325 級是 325 目輕骨 料浮石，根據網目測量值，DS-325級浮石通常應具有約12-17微米的d50粒度分布。下文表1 中說明樣本特性的細節。
[0056] 表 1
[0057]浮石樣本分析
LUUDVj 權皮的測重但衣明：FJ目佰IT近似73頭脫測疋的權皮。1史用口」購目Malvern Instruments ,Worcestershire ,United Kingdom的Malvern Mastersizer 3000來測量粒 度。浮石樣本3和浮石樣本4用來產生兩種水泥組合物漿液，實驗樣本I和實驗樣本2分別如 在下文表2中示出。
[0060]表 2 「00611 St駘烊太謚昍
[0063]除了加入實驗樣本1以輔助顆粒懸浮的懸浮劑之外，以完全相同的方式制備水泥 組合物漿液，以使得兩個樣本之間的唯一主要差異是浮石的表面積。實驗樣本的組合物呈 現于下文表3中。
[0064]表 3
[0065]實驗樣本組合物構成
[0068] *浮石的重量百分比;**僅用于實驗樣本1
[0069] 組合物具有13.5鎊/加侖的密度。分散劑是可購自BASF, Florham Park, New Jersey的LiquilHellt:*5581F分散劑。水泥緩凝劑是可購自Halliburton Energy Services， I n c ·，H o u s t ο η，T X的M i c r o M at r i Xκ水泥緩凝劑。水泥輔緩凝劑是可購自H a 11 i b u r t ο η Energy Services，Inc · ,Houston，TX的 HR/ _5水泥緩凝劑。加重劑是可購自Halliburton Energy Serv ices, Inc. ,Houston，TX的 Micr〇max?_FF重量添加劑。懸浮劑是可購自 Halliburton Energy Services，Inc· ,Houston,TX的SA-1015?懸浮劑。
[0070] 在制備之后，通過將每個樣本的一部分放入密封容器中并且將它們留在周圍溫度 和壓力條件下來測量實驗樣本1和實驗樣本2的儲存壽命。每天檢查樣本以便測量并觀察變 化。實驗樣本2膠凝并且在12天變得過度粘稠并需要另外的分散劑以便降低粘度。實驗樣本 1保持在可栗送流體狀態大于40天。
[0071] 接著，根據在API RP Practice 10B-2,Recommended Practice for Testing Well Cements中闡述的程序，使用35A型范氏粘度計和帶有范氏屈服應力適配器(FYSA)的 二號彈簧測量實驗樣本的流變特性。使用轉矩刻度盤讀數和校準因子計算體積平均粘度 (VAV)，所述校準因子將RPM轉換成剪切速率并且將刻度盤讀數轉換成剪切應力。表4將 I OOrpm下的組合物的表觀粘度對比組合物老化制成表格。
[0072] 表 4
[0073] 100RPM下的體積平均粘度(厘泊）
[0075] 是指未在當天測量的粘度。
[0076] 如由數據所示，大表面積漿液(實驗樣本2)-致地表現出比較小表面積漿液更高 的體積平均粘度。在11天內，實驗樣本2的VAV·寧平均為1779cP，而實驗樣本1的VAV iqq寧平 均值僅為286cP。
[0077] 最后，兩個實驗樣本均被活化。每個實驗樣本分成兩份并且將活化劑加入每一份 中。一種活化劑是六偏磷酸鈉 (SHMP)和硫酸鈉的2%活性液體添加劑組合，另一種活化劑是 10%活性氯化鈣。在活化之后，將樣本傾注到2" X4"黃銅圓筒中并且在140°F下在水浴中固 化24小時。在固化樣本以后，根據在API RP Practice 10B-2,Recommended Practice for Testing Well Cements中闡述的程序，使用機械壓機以壓碎樣本來測量破壞性抗壓強度。 結果呈現在下文表5中。
[0078] 表 5
[0079]抗壓強度測量值
[0081]這些結果為三個實驗的平均值。結果指示：具有較大表面積的浮石顆粒比具有較 小表面積的浮石顆粒反應性更大。實驗樣本2因此具有比實驗樣本1更高的抗壓強度。然而， 實驗樣本2也表現出比實驗樣本1更快的膠凝作用和更高的粘度，所述實驗樣本1可在延遲 凝固的實施方案或需要水泥組合物保持在可栗送流體狀態達延長時間段的任何實施方案 中具有負面影響。
[0082] 實施例2
[0083] 實驗樣本3和實驗樣本4被制備來產生兩種水泥組合物漿液。實驗樣本3和實驗樣 本4利用不僅包括不同的表面積，而且包括不同的粒度的浮石以便證明相對于水泥特性來 說粒度可具有的分布。樣本的特性示出在下文表6中。
[0084] 表 6
[0085] 實驗樣本說明
LUUS/J 以芫全相冋的萬式制泥組合物澩淞便得兩個樣本之1日」的唯一主妥差丼是泮 石的表面積和粒度。實驗樣本的組合物呈現于下文表7中。
[0088]表 7
[0089]實驗樣本組合物構成
[0091] *浮石的重量百分比
[0092] 組合物具有13.5鎊/加侖的密度。分散劑是可購自BASF, Florham Park, New Jersey的 Liquimenlf 5581F分散劑。水泥緩凝劑是可購自Halliburton Energy Services, Inc · ,Houston , TX的MicroMatrix1'水泥緩凝劑。水泥輔緩凝劑是可購自Halliburton Energy Services, Inc ·, Houston, TX的 HR?_5水泥緩凝劑。加重劑是可購自 Hal I iburton Energy Services,Inc. ,Houston,TX的Micr〇max_K FF重量添加劑。
[0093] 在制備之后，通過將每個樣本的一部分放入密封容器中并且將它們留在周圍溫度 和壓力條件下來測量實驗樣本3和實驗樣本4的儲存壽命。每天檢查樣本以便測量以觀察變 化。實驗樣本4膠凝并且在10天內變得過度粘稠并需要另外的分散劑以便降低粘度。實驗樣 本3保持在可栗送流體狀態大于17天。
[0094] 接著，根據在API RP Practice 10B-2,Recommended Practice for Testing Well Cements中闡述的程序，使用35A型范氏粘度計和帶有范氏屈服應力適配器(FYSA)的 二號彈簧測量實驗樣本的流變特性。使用轉矩刻度盤讀數和校準因子計算體積平均粘度 (VAV)，所述校準因子將RPM轉化成剪切速率并且將刻度盤讀數轉化成剪切應力。表8將 I OOrpm下的組合物的表觀粘度對比組合物老化制成表格。
[0095] 表 8
[0096] 100RPM下的體積平均粘度(厘泊） L 0098] *一是指禾在當大測量的粘度。
[0099] 如由數據所示，小表面積-大粒度漿液(實驗樣本3) -致地表現出比大表面積-小 粒度漿料更低的體積平均粘度。在11天內，實驗樣本3的VAV1QQ_平均為493cP，而實驗樣本4 的 VAV1QQrpm 平均值為 1876cP。
[0100] 最終，兩個實驗樣本均被活化。每個實驗樣本分成兩份并且將活化劑加入每一份 中。一種活化劑是六偏磷酸鈉 (SHMP)和硫酸鈉的2%活性液體添加劑組合，另一種活化劑是 10%活性氯化鈣。在活化之后，將樣本傾注到2" X4"黃銅圓筒中并且在140°F下在水浴中固 化24小時。在固化樣本之后，根據在API RP Practice 10B-2,Recommended Practice for Testing Well Cements中闡述的程序，通過使用機械壓機以壓碎樣本來測量破壞性抗壓強 度。結果在以下表9中呈現。
[0101] 表9
[0102] 抗壓強度測量
[0104] 這些結果為三個實驗的平均值。結果指示:具有較小粒度和較大表面積的浮石顆 粒比具有較大粒度和較小表面積的浮石顆粒反應性更高。實驗樣本4因此具有比實驗樣本3 更高的抗壓強度。然而，實驗樣本4也表現出比實驗樣本3更快的膠凝作用和更高的粘度，所 述實驗樣本3可在延遲凝固的實施方案或需要水泥組合物保持在可栗送流體狀態達延長時 間段的任何實施方案中具有負面影響。
[0105] 應當理解，組合物和方法是就"包含"、"含有"或"包括"各種組分或步驟而言來描 述，但是組合物和方法還可"基本上由各種組分和步驟組成"或"由各種組分和步驟組成"。 此外，如權利要求書中所用的不定冠詞"一個/種(a/an)"在本文中定義為意指引入的一個 或一個以上的要素。
[0106] 為簡潔起見，本文僅明確公開某些范圍。然而，從任何下限起的范圍可與任何上限 結合來列舉未明確列舉的范圍，并且從任何下限起的范圍可與任何其他下限結合來列舉未 明確列舉的范圍，以相同的方式，從任何上限起的范圍可與任何其他上限結合來列舉未明 確列舉的范圍。此外，每當公開具有下限和上限的數字范圍時，就明確公開了落在范圍內的 任何數字和任何所包括的范圍。具體地說，本文公開的值的每個范圍（形式為"約a至約b"， 或等效地"大致a至b"，或等效地"大致a-b"）應理解為闡述涵蓋在值的較寬范圍內的每個數 字和范圍，即使未明確列舉也是如此。因此，每個點或單個值可用作其自身的下限或上限來 與任何其他點或單個值或者任何其他下限或上限結合，以便列舉未明確列舉的范圍。
[0107] 因此，本發明的實施方案非常適于達到所提到的目標和優勢以及本文固有的那些 目標和優勢。上文所公開的特定實施方案僅僅是說明性的，并且所述實施方案可以對受益 于本文教義的本領域的技術人員來說明顯的不同但等效的方式進行修改和實踐。盡管討論 了個別實施方案，但是本公開涵蓋所有那些實施方案的所有組合。此外，并不意圖對本文示 出的構造或設計的細節存在限制，而所附權利要求書中描述的除外。另外，除非專利權人另 外明確并清楚地定義，否則權利要求書中的術語具有其平常、普通的含義。因此，明顯的是， 上文公開的特定說明性實施方案可加以改變或修改，并且所有這些變化都視為處于那些實 施方案的范圍和精神內。如果在本說明書與可以引用方式并入本文的一個或多個專利或其 他文件中的措詞或術語的使用上存在任何沖突，那么應采用與本說明書一致的定義。
【主權項】
1. 一種配制水泥組合物的方法： 測量一組火山灰的表面積，其中所述組的火山灰的所測量最小表面積和所述組的火山 灰的所測量最大表面積相差約50%或更大； 從所述組的火山灰選擇一種或多種火山灰； 將包含石灰和水的組分加入所述所選擇的一種或多種火山灰以便形成水泥組合物。2. 根據權利要求1所述的方法，其中所述組的火山灰選自由以下各項組成的組：粉煤 灰、硅粉、偏高嶺土、浮石和其任何組合。3. 根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其中所述水泥組合物還包含凝固緩凝劑， 其中所述凝固緩凝劑包括至少一種緩凝劑，所述緩凝劑選自由以下各項組成的組:膦酸、膦 酸衍生物、木質素磺酸鹽、鹽、有機酸、纖維素衍生物、包含磺酸酯基和羧酸基的合成共聚物 或三元聚合物、硼酸鹽化合物和其任何混合物。4. 根據任何前述權利要求所述的方法，其中所述水泥組合物還包含至少一種分散劑， 所述分散劑選自由以下各項組成的組:基于磺化甲醛的分散劑、聚羧酸醚分散劑和其任何 組合。5. 根據任何前述權利要求所述的方法，其中所述水泥組合物還包含水泥凝固活化劑， 所述水泥凝固活化劑選自由以下各項組成的組：氯化鈣、三乙醇胺、硅酸鈉、甲酸鋅、乙酸 鈣、氫氧化鈉、硫酸鈉、納米二氧化硅、六偏磷酸鈉和其任何組合。6. 根據任何前述權利要求所述的方法，其中所述所選擇的一種或多種火山灰包含具有 約lm2/g至約20m 2/g的表面積的火山灰顆粒。7. 根據任何前述權利要求1所述的方法，其還包括測量所述組的火山灰的粒度分布，其 中所述組的火山灰具有在約10微米至約25微米范圍內的d50粒度分布。8. 根據任何前述權利要求所述的方法，其中所述水泥組合物是延遲凝固的水泥組合 物，所述延遲凝固的水泥組合物在室溫下具有約7天或更長的增稠時間。9. 根據任何前述權利要求所述的方法，其中所述所選擇的一種或多種火山灰包含具有 約3m2/g至約7m 2/g的表面積的浮石。10. 根據任何前述權利要求所述的方法，其中所述組的火山灰包含第一浮石和第二浮 石，其中所述第一浮石和所述第二浮石的粒度相差約10%或更小，而所述第一浮石和所述 第二浮石的表面積相差約50%或更大。11. 一種在地下地層中注水泥的方法，其包括： 提供第一火山灰； 提供第二火山灰，其中所述第二火山灰包含具有與所述第一火山灰的火山灰顆粒相差 約50 %或更大的表面積的火山灰顆粒； 共混所述第一火山灰和所述第二火山灰以便形成共混火山灰； 將包含石灰和水的組分加入所述共混火山灰以便形成水泥組合物； 將所述水泥組合物引入所述地下地層中；和 允許所述水泥組合物在所述地下地層中凝固。12. 根據權利要求11所述的方法，其中所述第一火山灰和所述第二火山灰分別選自由 以下各項組成的組:粉煤灰、硅粉、偏高嶺土、浮石和其任何組合。13. 根據權利要求11或權利要求12所述的方法，其中所述水泥組合物還包含凝固緩凝 劑，其中所述凝固緩凝劑包括至少一種緩凝劑，所述緩凝劑選自由以下各項組成的組:膦 酸、膦酸衍生物、木質素磺酸鹽、鹽、有機酸、纖維素衍生物、包含磺酸酯基和羧酸基的合成 共聚物或三元聚合物、硼酸鹽化合物和其任何混合物。14. 根據權利要求11至13中任一項所述的方法，其中所述水泥組合物還包含至少一種 分散劑，所述分散劑選自由以下各項組成的組:基于磺化甲醛的分散劑、聚羧酸醚分散劑和 其任何組合。15. 根據權利要求11至14中任一項所述的方法，其中所述水泥組合物還包含水泥凝固 活化劑，所述水泥凝固活化劑選自由以下各項組成的組：氯化鈣、三乙醇胺、硅酸鈉、甲酸 鋅、乙酸媽、氫氧化鈉、硫酸鈉、納米二氧化娃、六偏磷酸鈉和其任何組合16. 根據權利要求11至15中任一項所述的方法，其中在將所述水泥組合物引入所述地 下地層之前，所述水泥組合物保持在可栗送流體狀態達至少約7天。17. 根據權利要求11至16中任一項所述的方法，其中所述水泥組合物通過包括將所述 水泥組合物栗送通過管道并且栗送到井筒環帶中的工藝引入到所述地下地層中。18. 根據權利要求11至17中任一項所述的方法，其中所述共混火山灰中所述第一火山 灰與所述第二火山灰的比率為約80:20至約20:80。19. 根據權利要求11至18中任一項所述的方法，其中所述第二火山灰具有與所述第一 火山灰的粒度相差約10 %或更小的粒度。20. 根據權利要求11至19中任一項所述的方法，其中所述第一火山灰和所述第二火山 灰各自分別具有從約10微米至約25微米的粒度。21. -種用于在地下地層中注水泥的系統，其包括： 第一火山灰， 第二火山灰；其中所述第二火山灰包含具有與所述第一火山灰的火山灰顆粒相差約 50 %或更大的表面積的火山灰顆粒， 石灰， 和水； 能夠混合所述第一火山灰、所述第二火山灰、所述石灰和所述水的混合設備;和 能夠栗送通過混合所述第一火山灰、所述第二火山灰、所述石灰和所述水形成的所述 水泥組合物的栗送設備。22. 根據權利要求21所述的系統，其中所述第一火山灰和所述第二火山灰單獨地選自 由以下各項組成的組:粉煤灰、硅粉、偏高嶺土、浮石和其任何組合。23. 根據權利要求21或權利要求22所述的系統，其還包括凝固緩凝劑，其中所述凝固緩 凝劑包括至少一種緩凝劑，所述緩凝劑選自由以下各項組成的組:膦酸、膦酸衍生物、木質 素磺酸鹽、鹽、有機酸、纖維素衍生物、包含磺酸酯基和羧酸基的合成共聚物或三元聚合物、 硼酸鹽化合物和其任何混合物。
【文檔編號】C04B7/12GK105829492SQ201480069264
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2014年2月28日
【發明人】T·J·皮斯克拉克, K·阿加皮烏
【申請人】哈里伯頓能源服務公司