用于井下水泥灌浆操作的组合物和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及，例如，用于井下水泥灌浆操作的新组合物和方法。
_2] 背景和
【发明内容】
[0003]作为井筒施工的一部分，通常向地下钻洞或井眼，所钻的洞或井眼随后通常被衬上套管或衬垫。通常，套管或衬垫的节段螺纹连接或以其他方式连接在一起，使其下入井目艮，以形成“柱(string)”。此类套管可包含管状钢〃管(pipe)"，其外径小于所述井眼的内径。因为那些直径具有差异，在井眼内径和套管外径之间会出现环状空间。在没有任何东西存在的情况下，井眼液体和地下地层(format1n)液体可能会沿井眼在所述环状空间内纵向迀移。
[0004]井通常分阶段构建。开始时在地里钻洞，直至某一深度时土地塌方或井眼液体控制成为潜在问题。这时，停止钻洞并将套管置于井眼中。尽管该套管可能会在结构上防止塌方，但其并不能防止液体沿着井长在所述环状空间内迀移。出于该原因，套管通常是就地水泥灌浆。为实现该目的，将水泥浆料向下泵送通过该套管，但在该套管底部以外。在所述水泥浆料之后泵送钻井液、水，或其它合适的井眼液体，以取代该水泥浆料进入所述环状空间。通常而言，采用可钻孔的封隔塞来在水泥体积之前和之后将水泥与井眼液体分开。使水泥留在环状空间内固化，由此形成防止液体在该环状空间内迀移的屏障。在水泥固化之后，留在套管内部的固化的水泥被钻出，并且测试所述套管和地层(format1n)之间的水泥密封或屏障的压强。如果压强测试成功，使钻头进入通过经水泥灌浆的套管，并且从所述套管的底部开始钻孔。然后钻出新长度的洞，并对其加套并灌注水泥。视井的总长而定，可能会有数个钻孔和加套阶段。通过该方式，抑制或防止了由基本分区分离(substantial zonalisolat1n)促生的液压密封(即，地层液体或气体在井眼环状空间内的迀移)。类似地，可对套管进行锚定、支持以及针对侵蚀的保护。因此，水泥灌浆能够促进，例如对目标间隔的增产措施、有效泥土移除以及其它所需作用。
[0005]不尽如人意的是，用于上述操作的水泥通常具有许多缺陷。例如，所述水泥可能不具有足够的强度、柔性或韧性以抵挡压强、侵蚀和可能通常在井下会遇到的其它压力。不达要求的水泥可能会对该井和/或周围环境造成灾难性和高成本的后果。类似地，现有可得的水泥可能不便加工。例如，水泥中的六价铬化合物和其它微粒可能需要进行特殊的处理方法，以限制工人与此类危险物质的接触。因此，需要新型水泥组合物和方法，来解决井下油气操作中所用传统水泥的这些缺陷中的一种或多种。
[0006]本发明有利地减少或排除了现有技术水泥灌浆组合物和方法中的一个或多个所述缺陷。在一个实施方式中，本发明涉及对井进行水泥灌浆的新方法。所述方法包括泵送悬液的步骤。所述悬液包含填充物混合物和至少约5重量％的热固树脂(基于树脂和填充物混合物的总重量)。所述悬液在施予催化剂时固化。固化的组合物包含如下特性(a)至(g)中的一种或多种:(a)至少约300、1000、1500psi的拉伸强度，根据ASTM C1273在50%湿度和室温25C下采用0.01英寸/分钟的十字头速度；(b)至少约1500,2000,3000,10, OOOpsi的压缩强度，根据ASTMC873在50%湿度和室温25C下采用0.01英寸/分钟的十字头速度；(C)至少约500ps1、750、1000的挠曲强度，根据ASTM C873在50%湿度和室温25C下采用
0.01英寸/分钟的十字头速度；(e)至少约0.3(优选0.6、08)Mpa根计(root meter)的断裂韧性，根据ASTM C1421 ；(f)至少约10%，或至少约15%，或至少约20%，或至少约30%的拉伸强度和压缩强度的比，其中拉伸强度按照ASTM C1273在50%湿度和25C室温下采用
0.01英寸/分钟的十字头速度测量，而压缩强度根据ASTM 873在50%湿度和室温25C下用0.01英寸/分钟的十字头速度测量；和(g)使抗挠曲疲劳性，所述抗挠曲疲劳性使固化组合物能够承受固化组合物的极限破坏强度的50%的强度至少1000个循环而不破损。
[0007]在另一个实施方式中，本发明涉及包含如下物质的组合物:(I)约10?约25重量％的热固树脂，基于所述组合物的总重量；(2)约15?约25重量％的微观填充物(microscopic filler)，基于所述组合物的总重量；(3)约30?约70重量％的凝集物，基于所述组合物的总重量；和(4)可插入的纳米粘土、可剥落的纳米粘土或它们的混合物。
[0008]而在另一个实施方式中，本发明涉及一种对地下地层进行水泥灌浆的方法。所述方法包括泵送悬液，所述悬液包含(I)约15?约25重量％的第一组分(基于所述悬液的总重量)，所述第一组分选自下组:碳酸钙、滑石、硅石和它们的混合物；(2)约30?约70重量％的第二组分(基于所述悬液的总重量)，所述第二组分选自下组:碎石、砾石、沙子和它们的混合物；(3)约10?约25重量％的第三热固树脂(基于所述悬液的总重量);和(4)能够使所述悬液固化的催化剂。所述固化的组合物的特点是:拉伸强度与压缩强度之比为至少约20%，其中拉伸强度根据ASTM C1273在50%湿度和室温25C下采用0.01英寸/分钟的十字头速度测量，而压缩强度根据ASTM 873在50%湿度和室温25C下采用0.01英寸/分钟的十字头速度测量。
[0009]在另一个实施方式中，本发明涉及一种悬液，所述悬液包含(I)约15?约25重量％的第一组分(基于所述悬液的总重量)，所述第一组分选自下组:碳酸钙、滑石、硅石和它们的混合物，其中所述第一组分的平均粒径分布为约0.5微米?约100微米(基于激光散射)；(2)约30?约70重量％的第二组分(基于所述悬液的总重量)，所述第二组分选自下组:碎石、砾石、沙子和它们的混合物，其中所述第二组分的平均粒径分布为约50微米?约600微米(基于激光散射)；(3)约25?约45重量％的热固树脂(基于所述悬液的总重量)，所述热固树脂选自聚酯树脂、乙烯基酯树脂和它们的混合物；和(4)能够使所述悬液凝胶化并固化的催化剂，并且所述凝胶化的时间是约2?约10小时。未固化的悬液的可泵性(pumpability)是约10?约120伯登(Bearden)单位，其中伯登单位按照水泥灌楽领域中已知的规范通过稠度计测量。所述固化的组合物的特点是:拉伸强度与压缩强度之比为至少约10%，其中拉伸强度根据ASTM C1273在50%湿度和室温25C下采用0.01英寸/分钟的十字头速度测量，而压缩强度根据ASTM 873在50%湿度和室温25C下采用0.01英寸/分钟的十字头速度测量。
[0010]在另一个实施方式中，本发明涉及对地下地层进行水泥灌浆的方法，所述方法包括泵送悬液的步骤。所述悬液包含(I)约15?约25重量％的第一组分(基于所述悬液的总重量)，所述第一组分选自下组:碳酸钙、滑石、硅石和它们的混合物；(2)约30?约70重量％的第二组分(基于所述悬液的总重量)，所述第二组分选自下组:碎石、砾石、沙子和它们的混合物；(3)约20?约40重量％的第三热固树脂(基于所述悬液的总重量);和(4)能够使所述悬液固化的催化剂。所述固化的组合物的特点是:拉伸强度与压缩强度之比为至少约10%，其中拉伸强度根据ASTM C1273在50%湿度和室温25C下采用0.01英寸/分钟的十字头速度测量，而压缩强度根据ASTM 873在50%湿度和室温25C下采用0.01英寸/分钟的十字头速度测量。
【具体实施方式】
_1] 一般方法和组合物
[0012]本发明在一个实施方式中涉及对井或例如油气或地热操作中的其它地下地层进行水泥灌浆的方法。所用的确切方法和组合物将视多种因素而不同。所述因素包括，例如，井的性质和类型、位置(例如，陆上或海上)、深度、所用液体和/或产生的液体、压强、温度、所需凝固时间(set time)、可用装置等。
[0013]事实上，本发明可广泛应用于所有种类的地下水泥灌浆操作，其包括，例如，初次操作、补救操作，例如挤压或下塞(Plug)、下塞和弃井、在较弱地层战略性地设置水泥灌浆操作，以及一般而言的出于某些原因采用传统水泥可能不尽如人意的任何位置。本发明甚至可有利地用于高二氧化碳、盐水或其它侵蚀性环境，其中需要针对例如二氧化碳、硫酸盐、酸、碱，和/或其它侵蚀性物质的化学抵抗。相对高强度和低模数可使本文所述的悬液非常有利于作为井的使用期间的水泥。即，本文所述的多种悬液制剂的模数可常常低于300，000，或甚至低于 250，OOOpsi0
[0014]一般而言，所用方法将通常包括，例如，通过泵送所述悬液然后使其固化来将所述悬液置于所需位置的步骤。泵送的具体方式不重要，只要所述悬液能够被泵送至所需位置即可。此类所需位置可根据井或应用而不同，但通常是井眼的内径和套管外径之间出现的环形空间。这可通过任何方便的方式完成，并且通常通过将地表处的所述悬液引至套管上端，从而所述悬液流动通过直至套管的底部，其在该底部流出，然后向上流动至环形空间。必要时，所述泵送(即，放置)可通过重力流和/或可由例如作用是将所述悬液直接或间接地置于所需位置的机械装置、机器或甚至其它液体协助的任何重力流来最简单地完成。通过该方式，所述悬液可被置于所述管和井眼的壁之间，或所需的任何其它位置。该步骤中有时可采用典型的泵和一般用于传统初次水泥灌浆应用的其它方法。一般的水泥灌浆方法和操作描述于，例如，美国专利号7，748，455,7, 757，765,7, 798，225和8，124，569，其通过不与本说明书矛盾的方式引用纳入本文。
[0015]合适的悬液通常包含(I)填充物混合物和(2)至少约5重量％的热固树脂(基于树脂和填充物混合物的总重量)。热固树脂是指，通常能够在例如固化之后经历可逆相变的那些树脂。有利地，可使所述悬液在应用催化剂时固化，并且通常可以不需要大量的波特兰(Portland)水泥等作为粘合剂等。这在组合物可能缺少大量的水和/或六价铬化合物的情况下是有用的。在一些实施方式中，所述悬液实质上不含水、六价铬化合物，或两者均不含。此外，不像传统的水泥灌浆组合物，本文所用的组合物在凝固过程中释放非常少或不释放温室气体，如二氧化碳。
[0016]固化的组合物通常包含一种或多种、两种或更多种、三种或更多种、四种或更多种、五种或更多种、六种或更多种或全部的多种有用特点。
[0017]有用特点可包括，例如，
[0018](a)至少约300，或至少约1000，或至少约1500psi的拉伸强度，根据ASTMC1273在50%湿度和室温25C下采用0.01英寸/分钟的十字头速度；
[0019](b)至少约1500，或至少约2000，或至少约3000，或至少约10，OOOpsi的压缩强度，根据ASTM C873在50%湿度和室温25C下采用0.01英寸/分钟的十字头速度；
[0020](c)至少约500