固井中的高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰的制作方法

固井中的高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰的制作方法
【专利摘要】提供在固井中利用高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰的方法和组合物。实施方案公开一种固井的方法，其包括：将水泥组合物引入至地下地层中，其中所述水泥组合物包括：选自由水泥窑灰、波特兰水泥和其任何组合组成的组的组分；高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰；和水；以及允许所述水泥组合物凝结。
【专利说明】固井中的高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰
[0001 ] 背景
[0002] 实施方案涉及固井操作且更具体地在特定实施方案中涉及在固井中利用高氧化 铝耐火铝硅酸盐火山灰的方法和组合物。
[0003] 在固井操作（诸如井施工和补救固井）中，通常利用水泥组合物。水泥组合物可用 于初次固井操作中，由此管柱(诸如套管和衬管)胶结在井筒中。在典型的初次固井操作中， 水泥组合物可被栗入被安置其中的管柱的外表面与井筒的壁(或井筒中的较大管道)之间 的环空中。水泥组合物可凝结在环形空间中，由此形成硬化、大体上不透水材料的环形护层 (即，水泥环），其可将管柱支撑并且定位在井筒中并且可将管柱的外表面接合至井筒壁(或 较大管道）。尤其，围绕管柱的水泥环应起作用以阻止流体在环空中运移，以及保护管柱不 受腐蚀。水泥组合物也可用在补救固井方法中，诸如用于密封管柱、水泥环、砾石充填体、地 下地层和类似物中的间隙的挤水泥中。水泥组合物也可用在地面应用中，例如施工固井。
[0004] 为了固井操作能成功，水泥组合物应满足若干具体要求，包括流变性、流体损失、 稠化时间和强度发展。当用在高温井(例如，>250°F)中时，包括波特兰水泥的传统水泥组合 物已知在持续暴露于高温后损失强度，一种通常称为"强度衰退"的现象。据称波特兰水泥 的强度衰退因为正常粘结相(氢氧化钙)在高温下转化为硅酸二钙而发生。可通过将二氧 化硅材料添加至水泥组合物(包括硅粉或硅砂)而对抗强度衰退。虽然二氧化硅材料已成功 用于抵消强度衰退，但是期望开发可在高温下使用的额外水泥组合物。
[0005] 附图简述
[0006] 这些附图图示本发明的一些实施方案的特定方面，且应不用于限制或界定本发 明。
[0007] 图1是用于将包括高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰的水泥组合物制备并且递送至井 筒的示例性系统的示意图。
[0008] 图2是可用于将包括高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰的水泥组合物放入井筒中的示 例性地面设备的示意图。
[0009] 图3是包括高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰的水泥组合物至井筒环空中的示例性放 置的示意图。
[0010] 图4图示针对包括高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰的示例性水泥组合物的压缩强度 随时间的发展。
【具体实施方式】
[0011]实施方案涉及固井操作且更具体地在特定实施方案中涉及在固井中利用高氧化 铝耐火铝硅酸盐火山灰的方法和组合物。包括高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰的水泥组合物 可用在多种地面和地下固井应用中，包括初次固井操作和补救固井操作。水泥组合物的实 施方案可用于任何类型的地下地层中的水平、垂直、偏斜或其它非线性井筒。实施方案可适 用于注入井、监测井和生产井，包括油气或地热井。
[0012]示例性水泥组合物可包括:水泥窑灰和/或波特兰水泥;高氧化铝耐火铝硅酸盐火 山灰；和水。虽然示例性水泥组合物可适于若干固井操作，但是它们可能特别适用于高温 井，包括具有大约250°F或更大的井底静态温度（"BHST"）的井。举例来说，水泥组合物可用 于具有高达大约510°F或更大BHST的井中。本公开的许多潜在优点之一可为水泥组合物可 在高温井中维持强度，由此提供传统上将二氧化硅材料用于防止包括波特兰水泥的水泥组 合物中的强度衰退的替代方案。耐火铝硅酸盐火山灰的高铝含量为水泥组合物赋予高温稳 定性。例如，当结合波特兰水泥使用时，铝硅酸钙(例如，水钙铝榴石和加藤石)可在高达550 °F的温度下形成，其具有高温稳定性。此外，当结合水泥窑灰使用时，所形成的主要组分可 包括莫来石和刚玉，其具有高温稳定性，其中雪硅钙石形成在高温下而非低于200°F的温度 下。
[0013] 此外，根据一些实施方案的高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰和/或水泥窑灰可源自 廉价且常见的材料，提供节约成本的好处。在一些实施方案中，高氧化铝耐火铝硅酸盐火山 灰和/或水泥窑灰可为回收和/或废料产品，由此通过它们的再利用而提供环境好处。此外， 根据一些实施方案的水泥组合物原地凝结的能力可有利地避免将熟料和熟料衍生材料用 于固井操作的需要，其可能进一步减小与这些实施方案的水泥组合物相关的环境影响。
[0014] 如上所述，水泥组合物可包括波特兰水泥。适当的波特兰水泥的实例可包括根据 美国石油学会的井水泥的材料和测试的API规范(API Specification for Materials and Testing for Well Cements)，API Specification 10,第五版，1990年7月1 日被归类为A、 B、C、G或Η类水泥的水泥。适当的波特兰水泥的额外实例可包括被归类为ASTM I、II、III、IV 或V型的水泥。
[0015] 在一些实施方案中，水泥组合物可包括水泥窑灰，其可结合或替代波特兰水泥使 用。如本文中使用的术语"水泥窑灰"指的是作为水泥窑中加热水泥原料的副产物产生的固 体的材料。如本文中使用的术语"水泥窑灰"旨在包括如本文中描述制作的水泥窑灰和水泥 窑灰的等效形式。依据它的来源，水泥窑灰可展现胶结性质，其中它可在水存在的情况下凝 结并且硬化。水泥窑灰可作为水泥生产的副产物产生，所述副产物从气流中移除并且收集 在例如集尘器中。通常，在水泥生产中收集大量水泥窑灰，其通常作为废料被处置。水泥窑 灰的处置可增加水泥制造的非期望成本，以及与其处置相关的环境问题。来自不同水泥制 造的水泥窑灰的化学分析依据若干因素而变化，包括特定水泥窑供料、水泥生产操作的效 率和相关集尘系统。水泥窑灰通常可包括多种氧化物，包括Si〇2、Al 2〇3、Fe2〇3、CaO、MgO、S〇3、 Na20 和 K20。
[0016] 水泥组合物可进一步包括高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰。如本文中所使用，术语 "高氧化错耐火错娃酸盐火山灰（high-alumina refractory aluminosilicate pozzolan)"指的是具有大约0.7或更大的氧化铝与二氧化硅铝（或A: S)的比率且衍生自耐 火材料(如耐火砖)的火山灰。在一些实施方案中，A: S比可为大约1.0或更大，且在特定实施 方案中可高达17。换句话说，高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰可包括比二氧化硅多的氧化铝， 且在一些实施方案中大体上具有比二氧化硅多的氧化铝。适当的高氧化铝耐火铝硅酸盐火 山灰的实例包括但不限于防火砖、防火砖熟料、耐火泥浆、耐火粘土、莫来石、电熔莫来石和 其组合。
[0017] 在一些实施方案中，高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰可充当包括波特兰水泥的水泥 组合物的低成本补充物。此外，已令人意外地发现高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰和水泥窑 灰的混合物形成胶结材料，而不包括任何具有水硬活性的额外材料。除可能存在于水泥窑 灰中的最小量石灰外，可无需结合高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰使用石灰。相比之下，石灰 传统上用于活化火山灰。此外，在水泥组合物中包括高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰可能产 生可对应于更大耐热性质的水泥组合物。换句话说，高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰的使用 可帮助减轻与固井中的强度衰退相关的问题。这在一些实施方案中可能是由于诸如存在于 高铝含量耐火铝硅酸盐火山灰中的种类，诸如莫来石、刚玉等。高氧化铝耐火铝硅酸盐(诸 如耐火砖或耐火砖熟料)可为包括这些材料的水泥组合物赋予固有耐热和耐化学性。下面 表1展示可包括在水泥组合物中的高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰（在表1中，耐火砖熟料 "FBG"）的X射线衍射（"XRD"）组成分析。表2展示耐火砖熟料的全氧化物分析。
[0018] 表1.耐火砖熟料的XRD
[0020]表2.耐火砖熟料的全氧化物分析
[0022]如上表中说明，高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰可包括大约30重量％或更大量的莫 来石。举例来说，高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰可包括大约30重量％、大约35重量％、大约 40重量％、大约45重量％、大约50重量％、大约55重量％、大约60重量％、大约65重量％、大 约70重量％或甚至更大量的莫来石。更进一步，高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰可包括大约 10重量％或更大量的刚玉。举例来说，高氧化错耐火错娃酸盐火山灰可包括大约10重量％、 大约15重量％、大约20重量％、大约25重量％、大约30重量％或甚至更大量的刚玉。类似地， 根据一些实施方案被并入至水泥组合物中的高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰可大体上不包 括非晶形(非晶)材料。高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰可能以特定应用所期望的量存在于水 泥组合物中。例如，高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰可能以从大约10 %至大约200%bwoc的范 围中的数存在。如本文中使用，"bwoc"指的是以水泥窑灰和/或波特兰水泥在水泥组合物中 的重量比表示的包括在水泥组合物中的材料量。在特定实施方案中，高氧化错耐火错娃酸 盐火山灰可以范围在大约10%、大约20%、大约40%、大约60%、大约80%、大约100%、大约 120%、大约140%、大约160%、大约180%或大约200%bwoc的任意者之间或包括其任意者 的量存在于水泥组合物中。在一个特定实施方案中，高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰可以从 大约50%至大约150%bwoc和替代地从大约80%至120%bwoc的范围中的量存在。
[0023] 此外，高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰可以压碎、研磨、粉末或其它适当颗粒形式包 括在水泥组合物中。在一些实施方案中，高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰可具有4筛目或更小 的粒度。如本文中所使用，对筛目的所有提及都涉及美国筛制。举例来说，高氧化铝耐火铝 硅酸盐火山灰可具有4筛目、6筛目、8筛目、10筛目、20筛目、30筛目、40筛目、50筛目、60筛 目、70筛目、80筛目或甚至更小的粒度。虽然实施方案可能无下限，但是高氧化铝耐火铝硅 酸盐火山灰的粒度的下限可能为400筛目、200筛目、100筛目、80筛目、40筛目、20筛目、10筛 目或甚至更大。高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰的适当粒度分布的实例可包括:-80/+400筛 目； _200/+400筛目；_30/+100筛目；_60/+80筛目；或_18/+80筛目。
[0024] 示例性水泥组合物中使用的水可包括例如淡水、盐水(例如，含溶解其中的一种或 更多种盐的水）、卤水(例如，从地下地层产生的饱和盐水）、海水或其任何组合。通常，水可 来自任何来源，前提是例如它不含可能非期望地影响水泥组合物中的其它组分的过量化合 物。可包括足以形成可栗送浆料的量的水。例如，水可以从大约40%至大约200%bw 〇c的范 围中的量和替代地以从大约40%至大约150 %bwoc的范围中的量包括在水泥组合物中。进 一步举例来说，水可以范围在大约40 %、大约50 %、大约60 %、大约70 %、大约80 %、大约 90%、大约100%、大约110%、大约120%、大约130%、大约140%、大约150%、大约160%、大 约170%、大约180%、大约190%或大约200%bwoc的任意者之间和/或包括其任意者的量存 在。受益于本公开的本领域一般技术人员应了解针对所选择的应用包括适当量的水。
[0025] 受益于本公开的本领域一般技术人员应了解水泥组合物大致可具有适于特定应 用的密度。举例来说，水泥组合物可具有大约5镑/加仑（"lbs/gal"）至大约251bs/gal的密 度。举例来说，水泥组合物可具有范围在大约5]^8/〖31、大约1〇]^8/〖31、大约15]^8/〖31、大 约201bs/gal或大约251bs/gal的任意者之间和/或包括其任意者的密度。在特定实施方案 中，水泥组合物可具有大约141bs/gal至大约171bs/gal的密度。水泥组合物可发泡或未发 泡或可包括减小它们的密度的其它手段，诸如空心微球、低密度塑料珠或本领域中已知的 其它密度减小添加剂。受益于本公开的本领域一般技术人员应了解针对特定应用的适当密 度。
[0026] 适合用于地下固井操作中的其它添加剂也可根据特定应用的期望被添加至水泥 组合物。这些添加剂的实例包括但不限于发泡添加剂、强度衰退添加剂、促凝剂、缓凝剂、轻 质添加剂、气体发生添加剂、机械性质增强添加剂、堵漏材料、流体损失控制添加剂、消泡添 加剂、触变添加剂和其任何组合。这些和其它添加剂的具体实例包括珍珠岩、页岩、无定形 二氧化硅、偏高岭土、结晶二氧化硅、气相二氧化硅、硅酸盐、盐、纤维、水合性粘土、微球、硅 藻土、天然火山灰、沸石、粉煤灰、谷糠灰、膨胀弹性体、树脂、其任何组合和类似物。受益于 本公开的本领域一般技术人员将易于能够确定可用于特定应用和期望结果的添加剂的类 型和量。
[0027] 任选地，发泡添加剂可包括在水泥组合物中，例如以促进发泡和/或稳定用其形成 的所得泡沫。发泡添加剂可包括表面活性剂或减小水的表面张力的表面活性剂的组合。如 本领域一般技术人员将了解，发泡添加剂可结合气体使用以产生发泡水泥组合物。举例来 说，发泡剂可包括阴离子、非离子、两性(包括两性离子界面活性剂）、阳离子表面活性剂或 其混合物。适当发泡添加剂的实例包括但不限于:甜菜碱；阴离子表面活性剂，诸如水解角 蛋白；氧化胺，诸如烷基或烯烃二甲基氧化胺;椰油酰胺丙基二甲基氧化胺；甲酯磺酸钠;烷 基或烯烃酰氨基甜菜碱，诸如椰油酰胺丙基甜菜碱;α-烯烃磺酸盐;季铵表面活性剂，诸如 三甲基牛脂氯化胺和三甲基椰油基氯化胺;C8-C22烷基乙氧基化硫酸盐;和其组合。适当的 发泡添加剂的具体实例包括但不限于:烷基醚硫酸钠的铵盐、椰油酰胺丙基甜菜碱表面活 性剂、椰油酰胺丙基二甲胺氧化物表面活性剂、氯化钠和水的混合物;烷基醚硫酸钠表面活 性剂的铵盐、椰油酰胺丙基羟基磺基甜菜碱表面活性剂、椰油酰胺丙基二甲胺氧化物表面 活性剂、氯化钠和水的混合物;水解角蛋白；乙氧基化醇醚硫酸盐表面活性剂、烷基或烯烃 酰胺丙基甜菜碱表面活性剂和烷基或烯烃二甲基氧化胺表面活性剂的混合物;烯烃磺酸 盐表面活性剂和甜菜碱表面活性剂的水溶液;和其组合。适当的发泡添加剂的实例是可从 Halliburton Energy Services, Inc购得的Z0NESEALANT?2000试剂。
[0028] 任选地，强度衰退添加剂可被包括在水泥组合物中例如以在水泥组合物已被允许 在水泥组合物暴露于高温时发展压缩强度之后防止强度的衰退。由于在本文中描述的示例 性水泥组合物中包括耐火砖熟料，在特定应用中可能无需强度衰退添加剂。这些添加剂可 允许水泥组合物根据期望形成，防止裂纹和胶结组合物的过早失效。适当的强度衰退添加 剂的实例可包括但不限于无定形二氧化硅、粗晶粒结晶二氧化硅、细晶粒结晶二氧化硅或 其组合。
[0029] 任选地，促凝剂可被包括在水泥组合物中例如以增大凝结反应的速率。凝结时间 的控制可允许调整至井筒条件或定制个别工作的凝结时间的能力。适当的促凝剂的实例可 包括但不限于硫酸铝、明矾、氯化钙、硫酸钙、半水石膏、铝酸钠、碳酸钠、氯化钠、硅酸钠、硫 酸钠、氯化铁或其组合。
[0030] 任选地，缓凝剂可被包括在水泥组合物中例如以增大水泥组合物的稠化时间。适 当的缓凝剂的实例包括但不限于铵、碱金属、碱土金属、硼砂、木质素磺酸钙的金属盐、羧甲 基羟乙基纤维素、磺烷基化木质素、羟基羧基酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸盐和丙烯酸 或马来酸的共聚物、饱和盐或其组合。适当的磺烷基化木质素的一个实例包括磺甲基化木 质素。
[0031] 任选地，轻质添加剂可被包括在水泥组合物中例如以增大水泥组合物的密度。适 当的轻质添加剂的实例包括但不限于膨润土、煤、硅藻土、膨胀珍珠岩、粉煤灰、硬沥青、空 心微球、低密度弹性珠、氮、火山灰-膨润土、硅酸钠、其组合或本领域中已知的其它轻质添 加剂。
[0032] 任选地，气体发生添加剂可被包括在水泥组合物中以在预定时间释放气体，其可 有利于在水泥组合物硬化之前防止气体从底层运移穿过水泥组合物。产生的气体可与地层 气体组合或抑制水泥组合物被地层气体渗透。适当的气体发生添加剂的实例包括但不限于 金属微粒(例如，铝粉），其与碱溶液反应以产生气体。
[0033] 任选地，机械性质增强添加剂可被包括在水泥组合物中例如以确保足够的压缩强 度和长期结构完整性。这些性质可能被来自地下环境的应变、应力、温度、压力和冲击效应 影响。机械性质增强添加剂的实例包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、金属纤维、矿物纤维、二 氧化硅纤维、聚合物弹性体、乳胶和其组合。
[0034] 任选地，堵漏材料可被包括在水泥组合物中例如以帮助防止至地下地层中的流体 循环的损失。堵漏材料的实例包括但不限于黄杉树皮、切碎甘蔗茎、矿物纤维、云母薄片、玻 璃纸、碳酸钙、硫化胶粉、聚合物材料、塑料片、研磨大理石、木材、坚果壳、三聚氰胺树脂层 合板(例如，Formiea K层合板）、玉米棒子、棉花壳和其组合。
[0035] 任选地，流体损失控制添加剂可被包括在水泥组合物中例如以减小损失至地下地 层的流体的体积。水泥组合物的性质可能受它们的水含量的显著影响。流体的损失可能使 水泥组合物经历设计性质的劣化或完全失效。适当的流体损失控制添加剂的实例包括但不 限于特定聚合物，诸如羟乙基纤维素、羧甲基羟基乙基纤维素、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质素或褐煤的主链和包括选自由 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯腈和N，N-二甲基丙烯酰胺的组的至少一个成分的侧基 的接枝共聚物。
[0036] 任选地，消泡添加剂可被包括在水泥组合物中例如以减小水泥组合物在水泥组合 物的混合和栗送期间发泡的趋势。适当的消泡添加剂的实例包括但不限于多元醇硅酮化合 物。适当的消泡添加剂可从Halliburton Energy Services，Inc.以产品名称D-AIR?消泡剂 购得。
[0037] 任选地，触变添加剂可被包括在水泥组合物中例如以提供可作为薄或低粘度流体 栗送，但当被允许保持静止时实现相对高的粘度的水泥组合物。尤其，触变添加剂可用于帮 助控制游离水、在浆料凝结时形成快速凝胶化，对抗井漏，防止环形柱中的"回落"和使气体 运移最小化。适当的触变添加剂的实例包括但不限于石膏、水溶性羧甲基、羟烷基、混合的 羧甲基羟烷基纤维素、多价金属盐、具有羟乙基纤维素的氧氯化锆或其组合。
[0038] 水泥组合物的组分可以形成可被放入地下地层中的水泥组合物所期望的任何顺 序组合。此外，水泥组合物的组分可使用与组合物相容的任何混合装置组合，包括例如散装 混合器。在一个特定实例中，可通过将干燥组分(其可为例如，波特兰水泥/水泥窑灰和高氧 化铝耐火铝硅酸盐火山灰）与水组合而制备水泥组合物。液体添加剂（如有）可在水与干燥 组分组合之前(或之后）与水组合。可在干燥组分与水组合之前干混合干燥组分。例如，可制 备干燥混合物，其包括高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰和波特兰水泥/水泥窑灰。如将由本领 域一般技术人员根据示例性实施方案将了解，其它适当技术可用于制备水泥组合物。
[0039] 在放入地下地层后，包括波特兰水泥/水泥窑灰、高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰和 水的水泥组合物可凝结为具有期望的用于固井的压缩强度。如本文中使用，术语"凝结"、 "正在凝结"或"可凝结"指的是诸如水泥组合物的材料从浆料状态硬化至固化状态的过程 和/或水泥组合物展现这种硬化的能力。例如，"固化"可能指的是水泥组合物至少部分由于 在水存在的情况下的水合(或火山灰)反应的硬化。在一些实施方案中，凝结可具体为在适 当条件中放入水泥组合物(例如，适当温度和/或压力）。根据一些实施方案，这种放入可在 地下地层中。在一些实施方案中，可使用合适的缓凝剂延迟凝结。
[0040] 压缩强度通常是材料或结构承受轴向推力的能力。可在水泥组合物已定位且水泥 组合物维持在指定温度和压力条件下后的指定时间测量压缩强度。压缩强度可通过破坏性 方法或非破坏性方法测量。破坏性方法通过在压缩测试机中压碎样本而在不同时间点物理 测试水泥组合物样本的强度。压缩强度通过将破坏载荷除以阻挡载荷的横截面积计算并且 以镑力/平方英寸(psi)的单位报告。非破坏性方法可采用可从得克萨斯州Houston的Fann Instrument Company购得的UCA?超声波水泥分析仪。可根据API RP 10B-2,测试井水泥的 推荐实务（Recommended Practice for Testing Well Cements)，第一版，2005年7月确定 压缩强度。
[0041 ]举例来说，包括波特兰水泥/水泥窑灰、高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰的水泥组合 物可发展在从大约50psi至大约5000psi，替代地从大约lOOpsi至大约4500psi或替代地从 大约500psi至大约4000psi的范围中的24小时压缩强度。在一些实施方案中，水泥组合物可 在24小时内发展大约50psi、大约lOOpsi、大约500psi或甚至更高的压缩强度。在一些实施 方案中，可使用破坏性或非破坏性方法在范围从100T至200°F的温度下确定压缩强度值。 此外，水泥组合物的实施方案可甚至在高温下维持压缩强度。举例来说，水泥组合物可在高 达550°F的温度下维持大约3000psi、大约4000psi或甚至更高的7天压缩强度。
[0042] 包括波特兰水泥/水泥窑灰、高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰和水的水泥组合物可 用在多种地下固井应用中，包括初次固井和补救固井。举例来说，可提供包括波特兰水泥/ 水泥窑灰、高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰和水的水泥组合物。也可包括如上所述的额外添 加剂。上文描述水泥组合物的组分的浓度和量。水泥组合物可被引入至地下地层中并且允 许在其中凝结。如本文中使用，将水泥组合物引入至地下地层中包括引入至地下地层的任 何部分中，包括但不限于钻至地下地层中的井筒、井筒周围的近井筒区域或两者。
[0043] 例如，在用于初次固井的情况下，水泥组合物可被引入至位于井筒中的管道（例 如，套管）与井筒的壁(和/或井筒中的较大管道)之间的环形空间中，其中井筒穿透地下地 层。水泥组合物可被允许在环形空间中凝结以形成硬化水泥的环形护层。水泥组合物可形 成阻止井筒中的流体运移的屏障。水泥组合物也可例如在井筒中支撑管道。
[0044] 在用于补救固井的情况下，可将水泥组合物用于例如挤水泥操作或水泥塞的放 入。举例来说，水泥组合物可被放入井筒中以塞住地层中、砾石充填体中、管道中、水泥环中 和/或水泥环与管道之间（例如，微环）中的开口（例如，间隙或裂纹）。
[0045] 实施方案可包括一种固井的方法，其包括:将水泥组合物引入至地下地层中，其中 水泥组合物包括:选自由水泥窑灰、波特兰水泥和其任何组合组成的组的组分;高氧化铝耐 火铝硅酸盐火山灰;和水；以及允许水泥组合物凝结。先前参考示例性实施方案描述可使用 的水泥组合物的组分及其不同浓度。
[0046] 实施方案可包括水泥组合物，其包括:选自由水泥窑灰、波特兰水泥和其任何组合 组成的组的组分;高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰;和水。先前参考示例性实施方案描述可使 用的水泥组合物的组分及其不同浓度。
[0047] 实施方案可包括用于固井的系统，其包括:水泥组合物，其包括选自由水泥窑灰、 波特兰水泥和其任何组合组成的组的组分;高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰;和水；用于混合 水泥组合物的混合设备;和用于将水泥组合物递送至井筒的栗送设备。先前参考示例性实 施方案描述可使用的水泥组合物的组分及其不同浓度。
[0048] 现将参考图1至图3更详细描述将高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰用于固井的示例 性方法。图1图示用于制备包括波特兰水泥/水泥窑灰、高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰和水 的水泥组合物和将水泥组合物递送至井筒的示例性系统5。如所示，水泥组合物可在混合设 备1〇(例如，诸如喷射混合器、再循环混合器或分批混合器）中混合，且接着经由栗送设备15 栗送至井筒。如将由本领域一般技术人员了解，在一些实施方案中，混合设备10和栗送设备 15可被安置在一辆或更多辆水泥车上。在一些实施方案中，例如，喷射混合器可用于在将包 括波特兰水泥/水泥窑灰和高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰的干燥混合物栗送至井筒时，连 续地将它与例如水混合。
[0049] 现将参考图2和图3描述用于将水泥组合物放入地下地层中的示例性技术。图2图 示可用放入水泥组合物的示例性地面设备20。应注意，虽然图2大致描绘陆上操作，但是本 领域技术人员将易于了解本文中描述的原理同样适用于采用浮动或海上平台和钻机的海 底操作，而不脱离本公开的范围。如通过图2图示，地面设备20可包括固井单元25,其可包括 一辆或更多辆水泥车。如本领域一般技术人员将了解，固井单元25可包括混合设备10和栗 送设备15(例如，图1)。固井单元25可栗送可包括水、波特兰水泥/水泥窑灰和高氧化铝耐火 铝硅酸盐火山灰的水泥组合物30穿过供料管35并且栗送至固井头36,其可将水泥组合物30 传送至井下。
[0050] 现参考图3,可包括波特兰水泥/水泥窑灰、高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰和水的 水泥组合物30可根据示例性实施方案放入地下地层45中。如图示，井筒50可被钻入一个或 更多个地下地层45中。虽然井筒50被示为大致垂直延伸至一个或更多个地下地层45中，但 是本文中描述的原理也适用于按一定角度延伸穿过一个或更多个地下地层45的井筒，诸如 水平井筒和斜井筒。如图示，井筒50包括壁55。在图示的实施方案中，地面套管60已被插入 井筒50中。地面套管60可通过水泥环65胶结至井筒50的壁55。在图示的实施方案中，在本文 中示为套管70的一个或更多个额外导管(例如，中间套管、生产套管、衬管等)也可安置在井 筒50中。如图示，存在形成于套管70与井筒50的壁55和/或地面套管60之间的井筒环空75。 一个或更多个扶正器80可附接至套管70,例如以在固井操作之前或期间使套管70扶正于井 筒50中。
[00511 继续参考图3,水泥组合物30可在套管70的内部向下栗送。水泥组合物30可被允许 在套管70的内部向下流动穿过套管70的底部处的套管鞋85且绕套管70向上流动至井筒环 空75中。水泥组合物30可被允许凝结在井筒环空75中例如以形成在井筒50中支撑并且定位 套管70的水泥环。虽然未图示，但是其它技术也可用于引入水泥组合物30。举例来说，可使 用反循环技术，其包括经由井筒环空75而非穿过套管70将水泥组合物30引入地下地层45 中。
[0052]在水泥组合物30被引入时，其可置换可存在于套管70和/或井筒环空75内部的其 它流体90,诸如钻井流体和/或间隔流体。被置换流体90的至少一部分可经由出油管线95离 开井筒环空75并且沉积在例如一个或更多个滞留池100(例如，泥浆池）中，如在图2上所示。 再次参考图3,底塞105可被引入至井筒50中的水泥组合物30前方例如以将水泥组合物30与 在固井前可能在套管70内的其它流体90分离。在底塞105到达座箍110之后，隔膜或其它适 当装置应破裂以允许水泥组合物30穿过底塞105。在图3中，底塞105被示为在座箍110上。在 图示的实施方案中，顶塞115可被引入至井筒50中的水泥组合物30的后方。顶塞115可将水 泥组合物30与置换流体120分离并且也推动水泥组合物30穿过底塞105。
[0053]本文中的示例性高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰可能直接或间接影响与高氧化铝 耐火铝硅酸盐火山灰和相关水泥组合物的制备、递送、回收、再循环、再使用和/或处置相关 的设备的一个或更多个组件或件。例如，高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰可能直接或间接影 响用于产生、存放、监测、调节和/或再调节示例性高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰和含高氧 化铝耐火铝硅酸盐火山灰的流体的一个或更多个混合器、相关混合设备15、泥浆池、存放设 施或单元、组合物分离器、热交换器、传感器、计量器、栗、压缩机和类似物。所公开的高氧化 铝耐火铝硅酸盐火山灰也可能直接或间接影响用于将高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰传送 至井场或井下的任何运送或递送设备，诸如，例如用于将高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰从 一个位置组合地移动至另一个位置的任何运送容器、导管、管线、卡车、管和/或管道；用于 将高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰或含高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰的流体驱动运动的任 何栗、压缩机或马达(例如，顶侧或井下）、用于调节高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰(或含高 氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰的流体）的压力或流速的任何阀门或相关接头、和任何传感器 (即，压力和温度）、计量器和/或其组合和类似物。公开的高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰也 可能直接或间接影响可能与高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰接触的各种井下设备和工具，诸 如但不限于井筒套管70、井筒衬管、完井管柱、插入管柱、钻柱、盘管、钢丝、测井电缆、钻管、 钻铤、泥浆马达、井下马达和/或栗、水泥栗、地面安装马达和/或栗、扶正器80、涡轮、刮削 器、浮子(例如，鞋、环、阀等）、测井工具和相关遥测设备、致动器(例如，电机械装置、液压机 械装置等）、滑动套管、生产套管、塞、筛、过滤器、流量控制装置(例如，流入控制装置、自主 流入控制装置、流出控制装置等）、耦接件(例如，电动液压湿式连接、干式连接、电感耦接器 等）、控制线路(例如，电、光纤、液压等）、监控线路、钻头和扩孔钻、传感器或分布式传感器、 井下热交换器、阀门和相应的致动装置、工具密封件、封隔器、水泥塞、桥塞和其它井筒隔离 装置或组件和类似物。
[0054] 实施例
[0055] 为了方便更好地理解本发明，给出一些优选实施方案的下列实施例例。这些实施 例绝不应被解读为限制或界定本发明的范围。
[0056] 实施例1
[0057]下列一系列测试被执行来评估包括高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰和波特兰水泥 的水泥组合物的机械性质。制备具有16.61bs/gal的密度的样本水泥组合物(被指定为样本 1)，其包括耐火砖熟料和G类波特兰水泥（以1:1的重量比混合），其中水为70%bwoc的量。耐 火砖熟料是可从Alsey Refractories Co.购得的High Duty耐火砖熟料。耐火砖熟料的粒 度分析展示160微米的d50。通过在按4000rpm搅拌的同时，在混合罐中将波特兰水泥加至 水，之后按4000rpm将耐火砖熟料添加至所得浆料而制备这个样本水泥组合物。在固体的添 加完成后，在混合器中按4000至6000rpm搅拌浆料1分钟。浆料接着被转移至2" X4"圆柱形 固化模具、密封并且放入190°F水浴中。样本在环境条件下按190°F下固化24小时和7天，且 接着被移除用于压缩强度测量。另一组样本在190°F下固化24小时，且接着被转移至高压釜 且在2000psi下按550°F下进一步固化7天。在凝结后，根据API RP10B-2使用机械压力机确 定破坏性压缩强度。
[0058] 来自这些测试的结果（表3)指示强度衰退未在高温下发生。如所示，190°F环境下 24小时后的压缩强度是1533psi，且在190°F下7天后是3363psi。有趣的是，如波特兰水泥将 期望的，暴露于550°F7天的样本在这些高温下未损失强度。下表中的数据是针对每个样本 的两个测试的平均值。
[0059]表3.样本1压缩强度测试
[00611 基于XRD衍射图样的XRD组成分析(表4)表明高温(550 °F )下的固化与较低温（190 °F)下凝结的相比导致水泥组合物的组成变化。如所示，低温下的XRD分析表明莫来石的大 量存在以及少量从波特兰水泥衍生的氢氧钙石和其它材料的存在。但是，当在550°F下固化 时，多数莫来石被消耗且铝硅酸钙水钙铝榴石和加藤石形成为主要成分。刚玉的量也针对 高温样本增大且无氢氧钙石存在。存在由耐火砖熟料在样本组成物中的存在而产生的种 类。
[0062] 表4.固化样本1的XRD分析

[0065] 实施例2
[0066] 下列一系列测试被执行来评估包括高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰和水泥窑灰的 水泥组合物的机械性质。制备具有16.21bs/gal的密度的样本水泥组合物(被指定为样本 2 )，其包括耐火砖熟料和水泥窑灰（以1:1的重量比混合），其中水为5 5重量％水泥窑灰的 量。耐火砖熟料是可从Alsey Refractories Co.购得的High Duty耐火砖熟料。耐火砖熟料 的粒度分析展示160微米的d50。水泥窑灰由H〇lcim(US)Ada水泥厂供应。这种样本水泥组合 物通过在罐中将耐火砖熟料与水泥窑灰干混合且接着在4000rpm下搅拌的同时在混合罐中 将干燥混合物添加至水而制备。在将干燥混合物与水混合时添加基于聚羧酸的分散剂（ Liquiment_<v5581F，可从BASF Global Oilfield Solutions购得）以促进固体的混合和湿 润。在固体的添加完成后，在混合器中按4000-6000rpm搅拌浆料1分钟。浆料接着被转移至 2"X4"圆柱形固化模具、密封并且放入190°F水浴中。样本在环境条件下按190°F下固化24 小时和7天，且接着被移除用于压缩强度测量。另一组样本在190°F下固化24小时，且接着被 转移至高压釜且在2000psi下按550°F下进一步固化7天。在凝结后，根据API RP 10B-2使用 机械压力机确定破坏性压缩强度。
[0067] 这些测试的结果展示在下表5中。如所示，190°F环境下24小时后的压缩强度是 1939psi，且在190°F下7天后是4147psi。有趣的是，结果指示暴露于550°F7天的样本不比在 190°F下固化24小时的样本低的压缩强度。数据是针对每个样本的两个测试的平均值。 [0068]表5.样本2压缩强度测试
[0070]为了进一步评估这些组成物，包括耐火砖熟料和水泥窑灰的另一个样本水泥组合 物(标注为样本3)经历使用可从Fann Instrument Company购得的UCA?超声波水泥分析仪 的测试，以及通过压碎样本的压缩强度。样本水泥组合物具有15.71bs/gal，且包括与以 65%bwoc水泥窑灰的量与水结合的耐火砖熟料和水泥窑灰（以1:1的重量比混合）。样本水 泥组合物如上文描述制备且一半浆料被转移至UCA?超声波水泥分析仪，而另一半被转移至 ΓΧ2"黄铜筒模具用于固化。黄铜筒模具中的样本被密封且放入190T水浴达24小时或7天 且接着根据API RP 10B-2使用机械压力机压碎以确定破坏压缩强度。放入UCA?超声波水泥 分析仪中的样本的测试条件是500°F和3000psi。用UCA?超声波水泥分析仪监测压缩强度发 展7天，之后样本水泥组合物被移除且根据API RP 10B-2用机械压力机压碎以确定压缩强 度。
[0071]来自这些额外测试的结果(表6)指示暴露于高温的样本未经历强度衰退。如所示， 190°F环境下24小时后用黄铜筒模具测试的样本的压缩强度是1021psi，且在190°F下7天后 是3183psi。这些样本的较低压缩强度与上表5中相比可能是由于增大的含水量。来自UCA? 超声波水泥分析仪的测量与压碎测量精确关联。来自UCA?超声波水泥分析仪的24小时测量 是1382psi，且来自UCA?超声波水泥分析仪的样本水泥组合物在7天后压碎以赋予3351psi。 此外，UCA?超声波水泥分析仪中的样本水泥组合物快速地获得强度，在43分钟内达到50psi 且在3小时17分钟内达到500psi。此外，在7天测试期内在500°F下压缩强度分布未展示强度 损失。图4显示使用UCA?超声波水泥分析仪的测试的压缩强度发展的曲线图。
[0072]表6.样本3压缩强度测试
[0074] bCA?超声波水泥分析仪上的样本的7天压缩强度是在将样本从分析仪移除后使 用机械压力器确定的压碎强度。
[0075] 基于XRD衍射图样的XRD组成分析(表7)表明样本2和3都具有莫来石、刚玉和方解 石作为主要成分。如图示，高温铝硅酸钙相(雪硅钙石)大量形成在高温(550°F)下处理的两 个样本中。莫来石和刚玉因它们的高温稳定性而跨所有温度范围存在，且甚至在550°F下也 未大量损失。存在的方解石衍生自水泥窑灰。与样本2中相比在样本3中缺少特定种类可能 被解释为由于水泥窑灰的固有可变性。也应注意氢氧钙石和非无定形CSH都不存在于样本2 和样本3中。总而言之，除雪硅钙石的形成外，当在高温下固化时，样本保持相对不变。
[0076] 表7.固化样本2和3的XRD分析
[0078]为简明起见，本文中仅明确公开特定范围。但是，从任何下限开始的范围可与任何 上限组合以引述未明确引述的范围，以及从任何下限开始的范围可与任何其它下限组合以 引述未明确引述的范围，以相同方式，从任何上限开始的范围可与任何其它上限组合以引 述未明确引述的范围。此外，每当公开具有下限和上限的数字范围时，具体公开落在所述范 围内的任何数字和任何所包括的范围。尤其，本文中公开的每个值范围（形式，"从大约a至 大约b"或等效地"从大约a至b"或等效地"从大约a-b"）将被理解为陈述更宽的值范围内涵 盖的每个数字和范围，即使未明确引述。因此，每个点或个别值可充当它与任何其它点或个 别值或任何其它下限或上限组合的自己的下限或上限，以引述未明确引述的范围。
[0079]因此，本发明非常适于实现所提及的目的和优点以及其中固有的目的和优点。上 文公开的特定实施方案只是说明性的，因为本发明可以受益于本文教示的本领域技术人员 所知的不同但等效方式修改并且实践。虽然讨论个别实施方案，但是本发明涵盖所有所述 实施方案的所有组合。此外，不旨在限制本文所示的构造或设计的细节，如下文权利要求描 述的除外。此外，权利要求中的术语具有其平常、常规含义，除非专利权所有人另外明确及 清楚定义。因此，明显地，上文公开的特定说明性实施方案可被变更或修改，且所有这些变 动被视为在本发明的范围和精神内。如果本说明书和可能以引用的方式并入本文中的一个 或更多个专利或其它文件中的词或术语的使用存在任何冲突，那么应采用与本说明书一致 的定义。
【主权项】
1. 一种固井的方法，其包括： 将水泥组合物引入至地下地层中，其中所述水泥组合物包括:选自由水泥窑灰、波特兰 水泥和其任何组合组成的组的组分;高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰;和水；以及 允许所述水泥组合物凝结。2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述组分包括所述波特兰水泥。3. 根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述组分包括所述水泥窑灰。4. 根据任何先前权利要求所述的方法，其中所述高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰包括选 自耐火砖、耐火砖熟料、耐火泥浆、耐火粘土、莫来石、电熔莫来石和其任何组合的化合物。5. 根据任何先前权利要求所述的方法，其中所述高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰以大约 50重量％至大约150重量％的组分的量存在。6. 根据任何先前权利要求所述的方法，其中所述高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰包括大 约30重量％或更大的量的莫来石，其中所述高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰包括大约10重 量％或更大的量的刚玉，且其中高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰大致上无非晶形材料。7. 根据任何先前权利要求所述的方法，其中所述水泥组合物进一步包括选自由发泡添 加剂、强度衰退添加剂、促凝剂、缓凝剂、轻质添加剂、气体发生添加剂、机械性质增强添加 剂、堵漏材料、流体损失控制添加剂、发泡添加剂、消泡添加剂、触变添加剂和其任何组合组 成的组选择的至少一种添加剂。8. 根据任何先前权利要求所述的方法，其中所述水泥组合物被引入至被安置在所述地 下地层中的管柱与被安置在所述地下地层中的井筒壁或较大管道之间的井筒环空中。9. 根据任何先前权利要求所述的方法，其中所述水泥组合物用于初次固化操作中。10. 根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述水泥组合物用于补救固化操作 中。11. 根据任何先前权利要求所述的方法，其中使用一个或更多个栗将所述水泥组合物 引入穿过套管并且引入至井筒环空中。12. 根据任何先前权利要求所述的方法，其中所述水泥组合物被允许在大约250°F或更 大的温度下凝结。13. -种水泥组合物，其包括： 选自由水泥窑灰、波特兰水泥和其任何组合组成的组的组分； 高氧化铝耐火铝娃酸盐火山灰;和 水。14. 根据权利要求13所述的组合物，其中所述组分包括所述波特兰水泥。15. 根据权利要求13或权利要求14所述的组合物，其中所述组分包括所述水泥窑灰。16. 根据权利要求13至15中任一项所述的组合物，其中所述高氧化铝耐火铝硅酸盐火 山灰包括选自耐火砖、耐火砖熟料、耐火泥浆、耐火粘土、莫来石、电熔莫来石和其任何组合 的化合物。17. 根据权利要求13至16中任一项所述的组合物，其中所述高氧化铝耐火铝硅酸盐火 山灰以大约50重量％至大约150重量％的组分的量存在。18. 根据权利要求13至17中任一项所述的组合物，其中所述高氧化铝耐火铝硅酸盐火 山灰包括大约30重量％或更大的量的莫来石，其中所述高氧化错耐火错娃酸盐火山灰包括 大约10重量％或更大的量的刚玉，且其中高氧化铝耐火铝硅酸盐火山灰大致上无非晶形材 料。19. 根据权利要求13至18中任一项所述的组合物，其中所述水泥组合物进一步包括选 自由发泡添加剂、强度衰退添加剂、促凝剂、缓凝剂、轻质添加剂、气体发生添加剂、机械性 质增强添加剂、堵漏材料、流体损失控制添加剂、发泡添加剂、消泡添加剂、触变添加剂和其 任何组合组成的组选择的至少一种添加剂。20. -种用于固井的系统，其包括： 水泥组合物，其包括:选自由水泥窑灰、波特兰水泥和其任何组合组成的组的组分；高 氧化铝耐火铝娃酸盐火山灰;和水； 用于混合所述水泥组合物的混合设备;和 用于将所述水泥组合物递送至井筒的栗送设备。21. 根据权利要求20所述的系统，其中所述水泥组合物包括权利要求13至18中任一项 中定义的特征的一个或更多个。
【文档编号】C09K8/46GK105980514SQ201480074108
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2014年2月26日
【发明人】K·阿加皮欧
【申请人】哈利伯顿能源服务公司