固井中的高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰的制作方法

固井中的高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰的制作方法
【專利摘要】提供在固井中利用高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰的方法和組合物。實施方案公開一種固井的方法，其包括：將水泥組合物引入至地下地層中，其中所述水泥組合物包括：選自由水泥窯灰、波特蘭水泥和其任何組合組成的組的組分；高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰；和水；以及允許所述水泥組合物凝結。
【專利說明】固井中的高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰
[0001 ] 背景
[0002] 實施方案涉及固井操作且更具體地在特定實施方案中涉及在固井中利用高氧化 鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰的方法和組合物。
[0003] 在固井操作（諸如井施工和補救固井）中，通常利用水泥組合物。水泥組合物可用 于初次固井操作中，由此管柱(諸如套管和襯管)膠結在井筒中。在典型的初次固井操作中， 水泥組合物可被栗入被安置其中的管柱的外表面與井筒的壁(或井筒中的較大管道)之間 的環空中。水泥組合物可凝結在環形空間中，由此形成硬化、大體上不透水材料的環形護層 (即，水泥環），其可將管柱支撐并且定位在井筒中并且可將管柱的外表面接合至井筒壁(或 較大管道）。尤其，圍繞管柱的水泥環應起作用以阻止流體在環空中運移，以及保護管柱不 受腐蝕。水泥組合物也可用在補救固井方法中，諸如用于密封管柱、水泥環、礫石充填體、地 下地層和類似物中的間隙的擠水泥中。水泥組合物也可用在地面應用中，例如施工固井。
[0004] 為了固井操作能成功，水泥組合物應滿足若干具體要求，包括流變性、流體損失、 稠化時間和強度發展。當用在高溫井(例如，>250°F)中時，包括波特蘭水泥的傳統水泥組合 物已知在持續暴露于高溫后損失強度，一種通常稱為"強度衰退"的現象。據稱波特蘭水泥 的強度衰退因為正常粘結相(氫氧化鈣)在高溫下轉化為硅酸二鈣而發生。可通過將二氧 化硅材料添加至水泥組合物(包括硅粉或硅砂)而對抗強度衰退。雖然二氧化硅材料已成功 用于抵消強度衰退，但是期望開發可在高溫下使用的額外水泥組合物。
[0005] 附圖簡述
[0006] 這些附圖圖示本發明的一些實施方案的特定方面，且應不用于限制或界定本發 明。
[0007] 圖1是用于將包括高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰的水泥組合物制備并且遞送至井 筒的示例性系統的示意圖。
[0008] 圖2是可用于將包括高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰的水泥組合物放入井筒中的示 例性地面設備的示意圖。
[0009] 圖3是包括高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰的水泥組合物至井筒環空中的示例性放 置的示意圖。
[0010] 圖4圖示針對包括高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰的示例性水泥組合物的壓縮強度 隨時間的發展。
【具體實施方式】
[0011]實施方案涉及固井操作且更具體地在特定實施方案中涉及在固井中利用高氧化 鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰的方法和組合物。包括高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰的水泥組合物 可用在多種地面和地下固井應用中，包括初次固井操作和補救固井操作。水泥組合物的實 施方案可用于任何類型的地下地層中的水平、垂直、偏斜或其它非線性井筒。實施方案可適 用于注入井、監測井和生產井，包括油氣或地熱井。
[0012]示例性水泥組合物可包括:水泥窯灰和/或波特蘭水泥;高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火 山灰；和水。雖然示例性水泥組合物可適于若干固井操作，但是它們可能特別適用于高溫 井，包括具有大約250°F或更大的井底靜態溫度（"BHST"）的井。舉例來說，水泥組合物可用 于具有高達大約510°F或更大BHST的井中。本公開的許多潛在優點之一可為水泥組合物可 在高溫井中維持強度，由此提供傳統上將二氧化硅材料用于防止包括波特蘭水泥的水泥組 合物中的強度衰退的替代方案。耐火鋁硅酸鹽火山灰的高鋁含量為水泥組合物賦予高溫穩 定性。例如，當結合波特蘭水泥使用時，鋁硅酸鈣(例如，水鈣鋁榴石和加藤石)可在高達550 °F的溫度下形成，其具有高溫穩定性。此外，當結合水泥窯灰使用時，所形成的主要組分可 包括莫來石和剛玉，其具有高溫穩定性，其中雪硅鈣石形成在高溫下而非低于200°F的溫度 下。
[0013] 此外，根據一些實施方案的高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰和/或水泥窯灰可源自 廉價且常見的材料，提供節約成本的好處。在一些實施方案中，高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山 灰和/或水泥窯灰可為回收和/或廢料產品，由此通過它們的再利用而提供環境好處。此外， 根據一些實施方案的水泥組合物原地凝結的能力可有利地避免將熟料和熟料衍生材料用 于固井操作的需要，其可能進一步減小與這些實施方案的水泥組合物相關的環境影響。
[0014] 如上所述，水泥組合物可包括波特蘭水泥。適當的波特蘭水泥的實例可包括根據 美國石油學會的井水泥的材料和測試的API規范(API Specification for Materials and Testing for Well Cements)，API Specification 10,第五版，1990年7月1 日被歸類為A、 B、C、G或Η類水泥的水泥。適當的波特蘭水泥的額外實例可包括被歸類為ASTM I、II、III、IV 或V型的水泥。
[0015] 在一些實施方案中，水泥組合物可包括水泥窯灰，其可結合或替代波特蘭水泥使 用。如本文中使用的術語"水泥窯灰"指的是作為水泥窯中加熱水泥原料的副產物產生的固 體的材料。如本文中使用的術語"水泥窯灰"旨在包括如本文中描述制作的水泥窯灰和水泥 窯灰的等效形式。依據它的來源，水泥窯灰可展現膠結性質，其中它可在水存在的情況下凝 結并且硬化。水泥窯灰可作為水泥生產的副產物產生，所述副產物從氣流中移除并且收集 在例如集塵器中。通常，在水泥生產中收集大量水泥窯灰，其通常作為廢料被處置。水泥窯 灰的處置可增加水泥制造的非期望成本，以及與其處置相關的環境問題。來自不同水泥制 造的水泥窯灰的化學分析依據若干因素而變化，包括特定水泥窯供料、水泥生產操作的效 率和相關集塵系統。水泥窯灰通常可包括多種氧化物，包括Si〇2、Al 2〇3、Fe2〇3、CaO、MgO、S〇3、 Na20 和 K20。
[0016] 水泥組合物可進一步包括高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰。如本文中所使用，術語 "高氧化錯耐火錯娃酸鹽火山灰（high-alumina refractory aluminosilicate pozzolan)"指的是具有大約0.7或更大的氧化鋁與二氧化硅鋁（或A: S)的比率且衍生自耐 火材料(如耐火磚)的火山灰。在一些實施方案中，A: S比可為大約1.0或更大，且在特定實施 方案中可高達17。換句話說，高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰可包括比二氧化硅多的氧化鋁， 且在一些實施方案中大體上具有比二氧化硅多的氧化鋁。適當的高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火 山灰的實例包括但不限于防火磚、防火磚熟料、耐火泥漿、耐火粘土、莫來石、電熔莫來石和 其組合。
[0017] 在一些實施方案中，高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰可充當包括波特蘭水泥的水泥 組合物的低成本補充物。此外，已令人意外地發現高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰和水泥窯 灰的混合物形成膠結材料，而不包括任何具有水硬活性的額外材料。除可能存在于水泥窯 灰中的最小量石灰外，可無需結合高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰使用石灰。相比之下，石灰 傳統上用于活化火山灰。此外，在水泥組合物中包括高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰可能產 生可對應于更大耐熱性質的水泥組合物。換句話說，高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰的使用 可幫助減輕與固井中的強度衰退相關的問題。這在一些實施方案中可能是由于諸如存在于 高鋁含量耐火鋁硅酸鹽火山灰中的種類，諸如莫來石、剛玉等。高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽(諸 如耐火磚或耐火磚熟料)可為包括這些材料的水泥組合物賦予固有耐熱和耐化學性。下面 表1展示可包括在水泥組合物中的高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰（在表1中，耐火磚熟料 "FBG"）的X射線衍射（"XRD"）組成分析。表2展示耐火磚熟料的全氧化物分析。
[0018] 表1.耐火磚熟料的XRD
[0020]表2.耐火磚熟料的全氧化物分析
[0022]如上表中說明，高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰可包括大約30重量％或更大量的莫 來石。舉例來說，高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰可包括大約30重量％、大約35重量％、大約 40重量％、大約45重量％、大約50重量％、大約55重量％、大約60重量％、大約65重量％、大 約70重量％或甚至更大量的莫來石。更進一步，高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰可包括大約 10重量％或更大量的剛玉。舉例來說，高氧化錯耐火錯娃酸鹽火山灰可包括大約10重量％、 大約15重量％、大約20重量％、大約25重量％、大約30重量％或甚至更大量的剛玉。類似地， 根據一些實施方案被并入至水泥組合物中的高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰可大體上不包 括非晶形(非晶)材料。高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰可能以特定應用所期望的量存在于水 泥組合物中。例如，高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰可能以從大約10 %至大約200%bwoc的范 圍中的數存在。如本文中使用，"bwoc"指的是以水泥窯灰和/或波特蘭水泥在水泥組合物中 的重量比表示的包括在水泥組合物中的材料量。在特定實施方案中，高氧化錯耐火錯娃酸 鹽火山灰可以范圍在大約10%、大約20%、大約40%、大約60%、大約80%、大約100%、大約 120%、大約140%、大約160%、大約180%或大約200%bwoc的任意者之間或包括其任意者 的量存在于水泥組合物中。在一個特定實施方案中，高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰可以從 大約50%至大約150%bwoc和替代地從大約80%至120%bwoc的范圍中的量存在。
[0023] 此外，高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰可以壓碎、研磨、粉末或其它適當顆粒形式包 括在水泥組合物中。在一些實施方案中，高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰可具有4篩目或更小 的粒度。如本文中所使用，對篩目的所有提及都涉及美國篩制。舉例來說，高氧化鋁耐火鋁 硅酸鹽火山灰可具有4篩目、6篩目、8篩目、10篩目、20篩目、30篩目、40篩目、50篩目、60篩 目、70篩目、80篩目或甚至更小的粒度。雖然實施方案可能無下限，但是高氧化鋁耐火鋁硅 酸鹽火山灰的粒度的下限可能為400篩目、200篩目、100篩目、80篩目、40篩目、20篩目、10篩 目或甚至更大。高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰的適當粒度分布的實例可包括:-80/+400篩 目； _200/+400篩目；_30/+100篩目；_60/+80篩目；或_18/+80篩目。
[0024] 示例性水泥組合物中使用的水可包括例如淡水、鹽水(例如，含溶解其中的一種或 更多種鹽的水）、鹵水(例如，從地下地層產生的飽和鹽水）、海水或其任何組合。通常，水可 來自任何來源，前提是例如它不含可能非期望地影響水泥組合物中的其它組分的過量化合 物。可包括足以形成可栗送漿料的量的水。例如，水可以從大約40%至大約200%bw 〇c的范 圍中的量和替代地以從大約40%至大約150 %bwoc的范圍中的量包括在水泥組合物中。進 一步舉例來說，水可以范圍在大約40 %、大約50 %、大約60 %、大約70 %、大約80 %、大約 90%、大約100%、大約110%、大約120%、大約130%、大約140%、大約150%、大約160%、大 約170%、大約180%、大約190%或大約200%bwoc的任意者之間和/或包括其任意者的量存 在。受益于本公開的本領域一般技術人員應了解針對所選擇的應用包括適當量的水。
[0025] 受益于本公開的本領域一般技術人員應了解水泥組合物大致可具有適于特定應 用的密度。舉例來說，水泥組合物可具有大約5鎊/加侖（"lbs/gal"）至大約251bs/gal的密 度。舉例來說，水泥組合物可具有范圍在大約5]^8/〖31、大約1〇]^8/〖31、大約15]^8/〖31、大 約201bs/gal或大約251bs/gal的任意者之間和/或包括其任意者的密度。在特定實施方案 中，水泥組合物可具有大約141bs/gal至大約171bs/gal的密度。水泥組合物可發泡或未發 泡或可包括減小它們的密度的其它手段，諸如空心微球、低密度塑料珠或本領域中已知的 其它密度減小添加劑。受益于本公開的本領域一般技術人員應了解針對特定應用的適當密 度。
[0026] 適合用于地下固井操作中的其它添加劑也可根據特定應用的期望被添加至水泥 組合物。這些添加劑的實例包括但不限于發泡添加劑、強度衰退添加劑、促凝劑、緩凝劑、輕 質添加劑、氣體發生添加劑、機械性質增強添加劑、堵漏材料、流體損失控制添加劑、消泡添 加劑、觸變添加劑和其任何組合。這些和其它添加劑的具體實例包括珍珠巖、頁巖、無定形 二氧化硅、偏高嶺土、結晶二氧化硅、氣相二氧化硅、硅酸鹽、鹽、纖維、水合性粘土、微球、硅 藻土、天然火山灰、沸石、粉煤灰、谷糠灰、膨脹彈性體、樹脂、其任何組合和類似物。受益于 本公開的本領域一般技術人員將易于能夠確定可用于特定應用和期望結果的添加劑的類 型和量。
[0027] 任選地，發泡添加劑可包括在水泥組合物中，例如以促進發泡和/或穩定用其形成 的所得泡沫。發泡添加劑可包括表面活性劑或減小水的表面張力的表面活性劑的組合。如 本領域一般技術人員將了解，發泡添加劑可結合氣體使用以產生發泡水泥組合物。舉例來 說，發泡劑可包括陰離子、非離子、兩性(包括兩性離子界面活性劑）、陽離子表面活性劑或 其混合物。適當發泡添加劑的實例包括但不限于:甜菜堿；陰離子表面活性劑，諸如水解角 蛋白；氧化胺，諸如烷基或烯烴二甲基氧化胺;椰油酰胺丙基二甲基氧化胺；甲酯磺酸鈉;烷 基或烯烴酰氨基甜菜堿，諸如椰油酰胺丙基甜菜堿;α-烯烴磺酸鹽;季銨表面活性劑，諸如 三甲基牛脂氯化胺和三甲基椰油基氯化胺;C8-C22烷基乙氧基化硫酸鹽;和其組合。適當的 發泡添加劑的具體實例包括但不限于:烷基醚硫酸鈉的銨鹽、椰油酰胺丙基甜菜堿表面活 性劑、椰油酰胺丙基二甲胺氧化物表面活性劑、氯化鈉和水的混合物;烷基醚硫酸鈉表面活 性劑的銨鹽、椰油酰胺丙基羥基磺基甜菜堿表面活性劑、椰油酰胺丙基二甲胺氧化物表面 活性劑、氯化鈉和水的混合物;水解角蛋白；乙氧基化醇醚硫酸鹽表面活性劑、烷基或烯烴 酰胺丙基甜菜堿表面活性劑和烷基或烯烴二甲基氧化胺表面活性劑的混合物;烯烴磺酸 鹽表面活性劑和甜菜堿表面活性劑的水溶液;和其組合。適當的發泡添加劑的實例是可從 Halliburton Energy Services, Inc購得的Z0NESEALANT?2000試劑。
[0028] 任選地，強度衰退添加劑可被包括在水泥組合物中例如以在水泥組合物已被允許 在水泥組合物暴露于高溫時發展壓縮強度之后防止強度的衰退。由于在本文中描述的示例 性水泥組合物中包括耐火磚熟料，在特定應用中可能無需強度衰退添加劑。這些添加劑可 允許水泥組合物根據期望形成，防止裂紋和膠結組合物的過早失效。適當的強度衰退添加 劑的實例可包括但不限于無定形二氧化硅、粗晶粒結晶二氧化硅、細晶粒結晶二氧化硅或 其組合。
[0029] 任選地，促凝劑可被包括在水泥組合物中例如以增大凝結反應的速率。凝結時間 的控制可允許調整至井筒條件或定制個別工作的凝結時間的能力。適當的促凝劑的實例可 包括但不限于硫酸鋁、明礬、氯化鈣、硫酸鈣、半水石膏、鋁酸鈉、碳酸鈉、氯化鈉、硅酸鈉、硫 酸鈉、氯化鐵或其組合。
[0030] 任選地，緩凝劑可被包括在水泥組合物中例如以增大水泥組合物的稠化時間。適 當的緩凝劑的實例包括但不限于銨、堿金屬、堿土金屬、硼砂、木質素磺酸鈣的金屬鹽、羧甲 基羥乙基纖維素、磺烷基化木質素、羥基羧基酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸鹽和丙烯酸 或馬來酸的共聚物、飽和鹽或其組合。適當的磺烷基化木質素的一個實例包括磺甲基化木 質素。
[0031] 任選地，輕質添加劑可被包括在水泥組合物中例如以增大水泥組合物的密度。適 當的輕質添加劑的實例包括但不限于膨潤土、煤、硅藻土、膨脹珍珠巖、粉煤灰、硬瀝青、空 心微球、低密度彈性珠、氮、火山灰-膨潤土、硅酸鈉、其組合或本領域中已知的其它輕質添 加劑。
[0032] 任選地，氣體發生添加劑可被包括在水泥組合物中以在預定時間釋放氣體，其可 有利于在水泥組合物硬化之前防止氣體從底層運移穿過水泥組合物。產生的氣體可與地層 氣體組合或抑制水泥組合物被地層氣體滲透。適當的氣體發生添加劑的實例包括但不限于 金屬微粒(例如，鋁粉），其與堿溶液反應以產生氣體。
[0033] 任選地，機械性質增強添加劑可被包括在水泥組合物中例如以確保足夠的壓縮強 度和長期結構完整性。這些性質可能被來自地下環境的應變、應力、溫度、壓力和沖擊效應 影響。機械性質增強添加劑的實例包括但不限于碳纖維、玻璃纖維、金屬纖維、礦物纖維、二 氧化硅纖維、聚合物彈性體、乳膠和其組合。
[0034] 任選地，堵漏材料可被包括在水泥組合物中例如以幫助防止至地下地層中的流體 循環的損失。堵漏材料的實例包括但不限于黃杉樹皮、切碎甘蔗莖、礦物纖維、云母薄片、玻 璃紙、碳酸鈣、硫化膠粉、聚合物材料、塑料片、研磨大理石、木材、堅果殼、三聚氰胺樹脂層 合板(例如，Formiea K層合板）、玉米棒子、棉花殼和其組合。
[0035] 任選地，流體損失控制添加劑可被包括在水泥組合物中例如以減小損失至地下地 層的流體的體積。水泥組合物的性質可能受它們的水含量的顯著影響。流體的損失可能使 水泥組合物經歷設計性質的劣化或完全失效。適當的流體損失控制添加劑的實例包括但不 限于特定聚合物，諸如羥乙基纖維素、羧甲基羥基乙基纖維素、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺 酸和丙烯酰胺或N，N-二甲基丙烯酰胺的共聚物和包括木質素或褐煤的主鏈和包括選自由 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯腈和N，N-二甲基丙烯酰胺的組的至少一個成分的側基 的接枝共聚物。
[0036] 任選地，消泡添加劑可被包括在水泥組合物中例如以減小水泥組合物在水泥組合 物的混合和栗送期間發泡的趨勢。適當的消泡添加劑的實例包括但不限于多元醇硅酮化合 物。適當的消泡添加劑可從Halliburton Energy Services，Inc.以產品名稱D-AIR?消泡劑 購得。
[0037] 任選地，觸變添加劑可被包括在水泥組合物中例如以提供可作為薄或低粘度流體 栗送，但當被允許保持靜止時實現相對高的粘度的水泥組合物。尤其，觸變添加劑可用于幫 助控制游離水、在漿料凝結時形成快速凝膠化，對抗井漏，防止環形柱中的"回落"和使氣體 運移最小化。適當的觸變添加劑的實例包括但不限于石膏、水溶性羧甲基、羥烷基、混合的 羧甲基羥烷基纖維素、多價金屬鹽、具有羥乙基纖維素的氧氯化鋯或其組合。
[0038] 水泥組合物的組分可以形成可被放入地下地層中的水泥組合物所期望的任何順 序組合。此外，水泥組合物的組分可使用與組合物相容的任何混合裝置組合，包括例如散裝 混合器。在一個特定實例中，可通過將干燥組分(其可為例如，波特蘭水泥/水泥窯灰和高氧 化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰）與水組合而制備水泥組合物。液體添加劑（如有）可在水與干燥 組分組合之前(或之后）與水組合。可在干燥組分與水組合之前干混合干燥組分。例如，可制 備干燥混合物，其包括高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰和波特蘭水泥/水泥窯灰。如將由本領 域一般技術人員根據示例性實施方案將了解，其它適當技術可用于制備水泥組合物。
[0039] 在放入地下地層后，包括波特蘭水泥/水泥窯灰、高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰和 水的水泥組合物可凝結為具有期望的用于固井的壓縮強度。如本文中使用，術語"凝結"、 "正在凝結"或"可凝結"指的是諸如水泥組合物的材料從漿料狀態硬化至固化狀態的過程 和/或水泥組合物展現這種硬化的能力。例如，"固化"可能指的是水泥組合物至少部分由于 在水存在的情況下的水合(或火山灰)反應的硬化。在一些實施方案中，凝結可具體為在適 當條件中放入水泥組合物(例如，適當溫度和/或壓力）。根據一些實施方案，這種放入可在 地下地層中。在一些實施方案中，可使用合適的緩凝劑延遲凝結。
[0040] 壓縮強度通常是材料或結構承受軸向推力的能力。可在水泥組合物已定位且水泥 組合物維持在指定溫度和壓力條件下后的指定時間測量壓縮強度。壓縮強度可通過破壞性 方法或非破壞性方法測量。破壞性方法通過在壓縮測試機中壓碎樣本而在不同時間點物理 測試水泥組合物樣本的強度。壓縮強度通過將破壞載荷除以阻擋載荷的橫截面積計算并且 以鎊力/平方英寸(psi)的單位報告。非破壞性方法可采用可從得克薩斯州Houston的Fann Instrument Company購得的UCA?超聲波水泥分析儀。可根據API RP 10B-2,測試井水泥的 推薦實務（Recommended Practice for Testing Well Cements)，第一版，2005年7月確定 壓縮強度。
[0041 ]舉例來說，包括波特蘭水泥/水泥窯灰、高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰的水泥組合 物可發展在從大約50psi至大約5000psi，替代地從大約lOOpsi至大約4500psi或替代地從 大約500psi至大約4000psi的范圍中的24小時壓縮強度。在一些實施方案中，水泥組合物可 在24小時內發展大約50psi、大約lOOpsi、大約500psi或甚至更高的壓縮強度。在一些實施 方案中，可使用破壞性或非破壞性方法在范圍從100T至200°F的溫度下確定壓縮強度值。 此外，水泥組合物的實施方案可甚至在高溫下維持壓縮強度。舉例來說，水泥組合物可在高 達550°F的溫度下維持大約3000psi、大約4000psi或甚至更高的7天壓縮強度。
[0042] 包括波特蘭水泥/水泥窯灰、高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰和水的水泥組合物可 用在多種地下固井應用中，包括初次固井和補救固井。舉例來說，可提供包括波特蘭水泥/ 水泥窯灰、高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰和水的水泥組合物。也可包括如上所述的額外添 加劑。上文描述水泥組合物的組分的濃度和量。水泥組合物可被引入至地下地層中并且允 許在其中凝結。如本文中使用，將水泥組合物引入至地下地層中包括引入至地下地層的任 何部分中，包括但不限于鉆至地下地層中的井筒、井筒周圍的近井筒區域或兩者。
[0043] 例如，在用于初次固井的情況下，水泥組合物可被引入至位于井筒中的管道（例 如，套管）與井筒的壁(和/或井筒中的較大管道)之間的環形空間中，其中井筒穿透地下地 層。水泥組合物可被允許在環形空間中凝結以形成硬化水泥的環形護層。水泥組合物可形 成阻止井筒中的流體運移的屏障。水泥組合物也可例如在井筒中支撐管道。
[0044] 在用于補救固井的情況下，可將水泥組合物用于例如擠水泥操作或水泥塞的放 入。舉例來說，水泥組合物可被放入井筒中以塞住地層中、礫石充填體中、管道中、水泥環中 和/或水泥環與管道之間（例如，微環）中的開口（例如，間隙或裂紋）。
[0045] 實施方案可包括一種固井的方法，其包括:將水泥組合物引入至地下地層中，其中 水泥組合物包括:選自由水泥窯灰、波特蘭水泥和其任何組合組成的組的組分;高氧化鋁耐 火鋁硅酸鹽火山灰;和水；以及允許水泥組合物凝結。先前參考示例性實施方案描述可使用 的水泥組合物的組分及其不同濃度。
[0046] 實施方案可包括水泥組合物，其包括:選自由水泥窯灰、波特蘭水泥和其任何組合 組成的組的組分;高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰;和水。先前參考示例性實施方案描述可使 用的水泥組合物的組分及其不同濃度。
[0047] 實施方案可包括用于固井的系統，其包括:水泥組合物，其包括選自由水泥窯灰、 波特蘭水泥和其任何組合組成的組的組分;高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰;和水；用于混合 水泥組合物的混合設備;和用于將水泥組合物遞送至井筒的栗送設備。先前參考示例性實 施方案描述可使用的水泥組合物的組分及其不同濃度。
[0048] 現將參考圖1至圖3更詳細描述將高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰用于固井的示例 性方法。圖1圖示用于制備包括波特蘭水泥/水泥窯灰、高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰和水 的水泥組合物和將水泥組合物遞送至井筒的示例性系統5。如所示，水泥組合物可在混合設 備1〇(例如，諸如噴射混合器、再循環混合器或分批混合器）中混合，且接著經由栗送設備15 栗送至井筒。如將由本領域一般技術人員了解，在一些實施方案中，混合設備10和栗送設備 15可被安置在一輛或更多輛水泥車上。在一些實施方案中，例如，噴射混合器可用于在將包 括波特蘭水泥/水泥窯灰和高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰的干燥混合物栗送至井筒時，連 續地將它與例如水混合。
[0049] 現將參考圖2和圖3描述用于將水泥組合物放入地下地層中的示例性技術。圖2圖 示可用放入水泥組合物的示例性地面設備20。應注意，雖然圖2大致描繪陸上操作，但是本 領域技術人員將易于了解本文中描述的原理同樣適用于采用浮動或海上平臺和鉆機的海 底操作，而不脫離本公開的范圍。如通過圖2圖示，地面設備20可包括固井單元25,其可包括 一輛或更多輛水泥車。如本領域一般技術人員將了解，固井單元25可包括混合設備10和栗 送設備15(例如，圖1)。固井單元25可栗送可包括水、波特蘭水泥/水泥窯灰和高氧化鋁耐火 鋁硅酸鹽火山灰的水泥組合物30穿過供料管35并且栗送至固井頭36,其可將水泥組合物30 傳送至井下。
[0050] 現參考圖3,可包括波特蘭水泥/水泥窯灰、高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰和水的 水泥組合物30可根據示例性實施方案放入地下地層45中。如圖示，井筒50可被鉆入一個或 更多個地下地層45中。雖然井筒50被示為大致垂直延伸至一個或更多個地下地層45中，但 是本文中描述的原理也適用于按一定角度延伸穿過一個或更多個地下地層45的井筒，諸如 水平井筒和斜井筒。如圖示，井筒50包括壁55。在圖示的實施方案中，地面套管60已被插入 井筒50中。地面套管60可通過水泥環65膠結至井筒50的壁55。在圖示的實施方案中，在本文 中示為套管70的一個或更多個額外導管(例如，中間套管、生產套管、襯管等)也可安置在井 筒50中。如圖示，存在形成于套管70與井筒50的壁55和/或地面套管60之間的井筒環空75。 一個或更多個扶正器80可附接至套管70,例如以在固井操作之前或期間使套管70扶正于井 筒50中。
[00511 繼續參考圖3,水泥組合物30可在套管70的內部向下栗送。水泥組合物30可被允許 在套管70的內部向下流動穿過套管70的底部處的套管鞋85且繞套管70向上流動至井筒環 空75中。水泥組合物30可被允許凝結在井筒環空75中例如以形成在井筒50中支撐并且定位 套管70的水泥環。雖然未圖示，但是其它技術也可用于引入水泥組合物30。舉例來說，可使 用反循環技術，其包括經由井筒環空75而非穿過套管70將水泥組合物30引入地下地層45 中。
[0052]在水泥組合物30被引入時，其可置換可存在于套管70和/或井筒環空75內部的其 它流體90,諸如鉆井流體和/或間隔流體。被置換流體90的至少一部分可經由出油管線95離 開井筒環空75并且沉積在例如一個或更多個滯留池100(例如，泥漿池）中，如在圖2上所示。 再次參考圖3,底塞105可被引入至井筒50中的水泥組合物30前方例如以將水泥組合物30與 在固井前可能在套管70內的其它流體90分離。在底塞105到達座箍110之后，隔膜或其它適 當裝置應破裂以允許水泥組合物30穿過底塞105。在圖3中，底塞105被示為在座箍110上。在 圖示的實施方案中，頂塞115可被引入至井筒50中的水泥組合物30的后方。頂塞115可將水 泥組合物30與置換流體120分離并且也推動水泥組合物30穿過底塞105。
[0053]本文中的示例性高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰可能直接或間接影響與高氧化鋁 耐火鋁硅酸鹽火山灰和相關水泥組合物的制備、遞送、回收、再循環、再使用和/或處置相關 的設備的一個或更多個組件或件。例如，高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰可能直接或間接影 響用于產生、存放、監測、調節和/或再調節示例性高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰和含高氧 化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰的流體的一個或更多個混合器、相關混合設備15、泥漿池、存放設 施或單元、組合物分離器、熱交換器、傳感器、計量器、栗、壓縮機和類似物。所公開的高氧化 鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰也可能直接或間接影響用于將高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰傳送 至井場或井下的任何運送或遞送設備，諸如，例如用于將高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰從 一個位置組合地移動至另一個位置的任何運送容器、導管、管線、卡車、管和/或管道；用于 將高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰或含高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰的流體驅動運動的任 何栗、壓縮機或馬達(例如，頂側或井下）、用于調節高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰(或含高 氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰的流體）的壓力或流速的任何閥門或相關接頭、和任何傳感器 (即，壓力和溫度）、計量器和/或其組合和類似物。公開的高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰也 可能直接或間接影響可能與高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰接觸的各種井下設備和工具，諸 如但不限于井筒套管70、井筒襯管、完井管柱、插入管柱、鉆柱、盤管、鋼絲、測井電纜、鉆管、 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、扶正器80、渦輪、刮削 器、浮子(例如，鞋、環、閥等）、測井工具和相關遙測設備、致動器(例如，電機械裝置、液壓機 械裝置等）、滑動套管、生產套管、塞、篩、過濾器、流量控制裝置(例如，流入控制裝置、自主 流入控制裝置、流出控制裝置等）、耦接件(例如，電動液壓濕式連接、干式連接、電感耦接器 等）、控制線路(例如，電、光纖、液壓等）、監控線路、鉆頭和擴孔鉆、傳感器或分布式傳感器、 井下熱交換器、閥門和相應的致動裝置、工具密封件、封隔器、水泥塞、橋塞和其它井筒隔離 裝置或組件和類似物。
[0054] 實施例
[0055] 為了方便更好地理解本發明，給出一些優選實施方案的下列實施例例。這些實施 例絕不應被解讀為限制或界定本發明的范圍。
[0056] 實施例1
[0057]下列一系列測試被執行來評估包括高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰和波特蘭水泥 的水泥組合物的機械性質。制備具有16.61bs/gal的密度的樣本水泥組合物(被指定為樣本 1)，其包括耐火磚熟料和G類波特蘭水泥（以1:1的重量比混合），其中水為70%bwoc的量。耐 火磚熟料是可從Alsey Refractories Co.購得的High Duty耐火磚熟料。耐火磚熟料的粒 度分析展示160微米的d50。通過在按4000rpm攪拌的同時，在混合罐中將波特蘭水泥加至 水，之后按4000rpm將耐火磚熟料添加至所得漿料而制備這個樣本水泥組合物。在固體的添 加完成后，在混合器中按4000至6000rpm攪拌漿料1分鐘。漿料接著被轉移至2" X4"圓柱形 固化模具、密封并且放入190°F水浴中。樣本在環境條件下按190°F下固化24小時和7天，且 接著被移除用于壓縮強度測量。另一組樣本在190°F下固化24小時，且接著被轉移至高壓釜 且在2000psi下按550°F下進一步固化7天。在凝結后，根據API RP10B-2使用機械壓力機確 定破壞性壓縮強度。
[0058] 來自這些測試的結果（表3)指示強度衰退未在高溫下發生。如所示，190°F環境下 24小時后的壓縮強度是1533psi，且在190°F下7天后是3363psi。有趣的是，如波特蘭水泥將 期望的，暴露于550°F7天的樣本在這些高溫下未損失強度。下表中的數據是針對每個樣本 的兩個測試的平均值。
[0059]表3.樣本1壓縮強度測試
[00611 基于XRD衍射圖樣的XRD組成分析(表4)表明高溫(550 °F )下的固化與較低溫（190 °F)下凝結的相比導致水泥組合物的組成變化。如所示，低溫下的XRD分析表明莫來石的大 量存在以及少量從波特蘭水泥衍生的氫氧鈣石和其它材料的存在。但是，當在550°F下固化 時，多數莫來石被消耗且鋁硅酸鈣水鈣鋁榴石和加藤石形成為主要成分。剛玉的量也針對 高溫樣本增大且無氫氧鈣石存在。存在由耐火磚熟料在樣本組成物中的存在而產生的種 類。
[0062] 表4.固化樣本1的XRD分析

[0065] 實施例2
[0066] 下列一系列測試被執行來評估包括高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰和水泥窯灰的 水泥組合物的機械性質。制備具有16.21bs/gal的密度的樣本水泥組合物(被指定為樣本 2 )，其包括耐火磚熟料和水泥窯灰（以1:1的重量比混合），其中水為5 5重量％水泥窯灰的 量。耐火磚熟料是可從Alsey Refractories Co.購得的High Duty耐火磚熟料。耐火磚熟料 的粒度分析展示160微米的d50。水泥窯灰由H〇lcim(US)Ada水泥廠供應。這種樣本水泥組合 物通過在罐中將耐火磚熟料與水泥窯灰干混合且接著在4000rpm下攪拌的同時在混合罐中 將干燥混合物添加至水而制備。在將干燥混合物與水混合時添加基于聚羧酸的分散劑（ Liquiment_<v5581F，可從BASF Global Oilfield Solutions購得）以促進固體的混合和濕 潤。在固體的添加完成后，在混合器中按4000-6000rpm攪拌漿料1分鐘。漿料接著被轉移至 2"X4"圓柱形固化模具、密封并且放入190°F水浴中。樣本在環境條件下按190°F下固化24 小時和7天，且接著被移除用于壓縮強度測量。另一組樣本在190°F下固化24小時，且接著被 轉移至高壓釜且在2000psi下按550°F下進一步固化7天。在凝結后，根據API RP 10B-2使用 機械壓力機確定破壞性壓縮強度。
[0067] 這些測試的結果展示在下表5中。如所示，190°F環境下24小時后的壓縮強度是 1939psi，且在190°F下7天后是4147psi。有趣的是，結果指示暴露于550°F7天的樣本不比在 190°F下固化24小時的樣本低的壓縮強度。數據是針對每個樣本的兩個測試的平均值。 [0068]表5.樣本2壓縮強度測試
[0070]為了進一步評估這些組成物，包括耐火磚熟料和水泥窯灰的另一個樣本水泥組合 物(標注為樣本3)經歷使用可從Fann Instrument Company購得的UCA?超聲波水泥分析儀 的測試，以及通過壓碎樣本的壓縮強度。樣本水泥組合物具有15.71bs/gal，且包括與以 65%bwoc水泥窯灰的量與水結合的耐火磚熟料和水泥窯灰（以1:1的重量比混合）。樣本水 泥組合物如上文描述制備且一半漿料被轉移至UCA?超聲波水泥分析儀，而另一半被轉移至 ΓΧ2"黃銅筒模具用于固化。黃銅筒模具中的樣本被密封且放入190T水浴達24小時或7天 且接著根據API RP 10B-2使用機械壓力機壓碎以確定破壞壓縮強度。放入UCA?超聲波水泥 分析儀中的樣本的測試條件是500°F和3000psi。用UCA?超聲波水泥分析儀監測壓縮強度發 展7天，之后樣本水泥組合物被移除且根據API RP 10B-2用機械壓力機壓碎以確定壓縮強 度。
[0071]來自這些額外測試的結果(表6)指示暴露于高溫的樣本未經歷強度衰退。如所示， 190°F環境下24小時后用黃銅筒模具測試的樣本的壓縮強度是1021psi，且在190°F下7天后 是3183psi。這些樣本的較低壓縮強度與上表5中相比可能是由于增大的含水量。來自UCA? 超聲波水泥分析儀的測量與壓碎測量精確關聯。來自UCA?超聲波水泥分析儀的24小時測量 是1382psi，且來自UCA?超聲波水泥分析儀的樣本水泥組合物在7天后壓碎以賦予3351psi。 此外，UCA?超聲波水泥分析儀中的樣本水泥組合物快速地獲得強度，在43分鐘內達到50psi 且在3小時17分鐘內達到500psi。此外，在7天測試期內在500°F下壓縮強度分布未展示強度 損失。圖4顯示使用UCA?超聲波水泥分析儀的測試的壓縮強度發展的曲線圖。
[0072]表6.樣本3壓縮強度測試
[0074] bCA?超聲波水泥分析儀上的樣本的7天壓縮強度是在將樣本從分析儀移除后使 用機械壓力器確定的壓碎強度。
[0075] 基于XRD衍射圖樣的XRD組成分析(表7)表明樣本2和3都具有莫來石、剛玉和方解 石作為主要成分。如圖示，高溫鋁硅酸鈣相(雪硅鈣石)大量形成在高溫(550°F)下處理的兩 個樣本中。莫來石和剛玉因它們的高溫穩定性而跨所有溫度范圍存在，且甚至在550°F下也 未大量損失。存在的方解石衍生自水泥窯灰。與樣本2中相比在樣本3中缺少特定種類可能 被解釋為由于水泥窯灰的固有可變性。也應注意氫氧鈣石和非無定形CSH都不存在于樣本2 和樣本3中。總而言之，除雪硅鈣石的形成外，當在高溫下固化時，樣本保持相對不變。
[0076] 表7.固化樣本2和3的XRD分析
[0078]為簡明起見，本文中僅明確公開特定范圍。但是，從任何下限開始的范圍可與任何 上限組合以引述未明確引述的范圍，以及從任何下限開始的范圍可與任何其它下限組合以 引述未明確引述的范圍，以相同方式，從任何上限開始的范圍可與任何其它上限組合以引 述未明確引述的范圍。此外，每當公開具有下限和上限的數字范圍時，具體公開落在所述范 圍內的任何數字和任何所包括的范圍。尤其，本文中公開的每個值范圍（形式，"從大約a至 大約b"或等效地"從大約a至b"或等效地"從大約a-b"）將被理解為陳述更寬的值范圍內涵 蓋的每個數字和范圍，即使未明確引述。因此，每個點或個別值可充當它與任何其它點或個 別值或任何其它下限或上限組合的自己的下限或上限，以引述未明確引述的范圍。
[0079]因此，本發明非常適于實現所提及的目的和優點以及其中固有的目的和優點。上 文公開的特定實施方案只是說明性的，因為本發明可以受益于本文教示的本領域技術人員 所知的不同但等效方式修改并且實踐。雖然討論個別實施方案，但是本發明涵蓋所有所述 實施方案的所有組合。此外，不旨在限制本文所示的構造或設計的細節，如下文權利要求描 述的除外。此外，權利要求中的術語具有其平常、常規含義，除非專利權所有人另外明確及 清楚定義。因此，明顯地，上文公開的特定說明性實施方案可被變更或修改，且所有這些變 動被視為在本發明的范圍和精神內。如果本說明書和可能以引用的方式并入本文中的一個 或更多個專利或其它文件中的詞或術語的使用存在任何沖突，那么應采用與本說明書一致 的定義。
【主權項】
1. 一種固井的方法，其包括： 將水泥組合物引入至地下地層中，其中所述水泥組合物包括:選自由水泥窯灰、波特蘭 水泥和其任何組合組成的組的組分;高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰;和水；以及 允許所述水泥組合物凝結。2. 根據權利要求1所述的方法，其中所述組分包括所述波特蘭水泥。3. 根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其中所述組分包括所述水泥窯灰。4. 根據任何先前權利要求所述的方法，其中所述高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰包括選 自耐火磚、耐火磚熟料、耐火泥漿、耐火粘土、莫來石、電熔莫來石和其任何組合的化合物。5. 根據任何先前權利要求所述的方法，其中所述高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰以大約 50重量％至大約150重量％的組分的量存在。6. 根據任何先前權利要求所述的方法，其中所述高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰包括大 約30重量％或更大的量的莫來石，其中所述高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰包括大約10重 量％或更大的量的剛玉，且其中高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰大致上無非晶形材料。7. 根據任何先前權利要求所述的方法，其中所述水泥組合物進一步包括選自由發泡添 加劑、強度衰退添加劑、促凝劑、緩凝劑、輕質添加劑、氣體發生添加劑、機械性質增強添加 劑、堵漏材料、流體損失控制添加劑、發泡添加劑、消泡添加劑、觸變添加劑和其任何組合組 成的組選擇的至少一種添加劑。8. 根據任何先前權利要求所述的方法，其中所述水泥組合物被引入至被安置在所述地 下地層中的管柱與被安置在所述地下地層中的井筒壁或較大管道之間的井筒環空中。9. 根據任何先前權利要求所述的方法，其中所述水泥組合物用于初次固化操作中。10. 根據權利要求1至8中任一項所述的方法，其中所述水泥組合物用于補救固化操作 中。11. 根據任何先前權利要求所述的方法，其中使用一個或更多個栗將所述水泥組合物 引入穿過套管并且引入至井筒環空中。12. 根據任何先前權利要求所述的方法，其中所述水泥組合物被允許在大約250°F或更 大的溫度下凝結。13. -種水泥組合物，其包括： 選自由水泥窯灰、波特蘭水泥和其任何組合組成的組的組分； 高氧化鋁耐火鋁娃酸鹽火山灰;和 水。14. 根據權利要求13所述的組合物，其中所述組分包括所述波特蘭水泥。15. 根據權利要求13或權利要求14所述的組合物，其中所述組分包括所述水泥窯灰。16. 根據權利要求13至15中任一項所述的組合物，其中所述高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火 山灰包括選自耐火磚、耐火磚熟料、耐火泥漿、耐火粘土、莫來石、電熔莫來石和其任何組合 的化合物。17. 根據權利要求13至16中任一項所述的組合物，其中所述高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火 山灰以大約50重量％至大約150重量％的組分的量存在。18. 根據權利要求13至17中任一項所述的組合物，其中所述高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火 山灰包括大約30重量％或更大的量的莫來石，其中所述高氧化錯耐火錯娃酸鹽火山灰包括 大約10重量％或更大的量的剛玉，且其中高氧化鋁耐火鋁硅酸鹽火山灰大致上無非晶形材 料。19. 根據權利要求13至18中任一項所述的組合物，其中所述水泥組合物進一步包括選 自由發泡添加劑、強度衰退添加劑、促凝劑、緩凝劑、輕質添加劑、氣體發生添加劑、機械性 質增強添加劑、堵漏材料、流體損失控制添加劑、發泡添加劑、消泡添加劑、觸變添加劑和其 任何組合組成的組選擇的至少一種添加劑。20. -種用于固井的系統，其包括： 水泥組合物，其包括:選自由水泥窯灰、波特蘭水泥和其任何組合組成的組的組分；高 氧化鋁耐火鋁娃酸鹽火山灰;和水； 用于混合所述水泥組合物的混合設備;和 用于將所述水泥組合物遞送至井筒的栗送設備。21. 根據權利要求20所述的系統，其中所述水泥組合物包括權利要求13至18中任一項 中定義的特征的一個或更多個。
【文檔編號】C09K8/46GK105980514SQ201480074108
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2014年2月26日
【發明人】K·阿加皮歐
【申請人】哈利伯頓能源服務公司