通过组成分析利用废产物的制作方法
在固井(诸如井施工和补救固井)中，通常利用水泥组合物。水泥组合物可在多种地下应用中使用。例如，在地下井施工中，管柱(例如，套管、衬管、膨胀管等)可伸入井筒中并且用水泥固定在适当位置。将管柱用水泥固定在适当位置的方法通常称为“初次注水泥”。在典型的初次注水泥方法中，水泥组合物可被泵送入井筒的壁与设置在井筒中的管柱的外表面之间的环带中。水泥组合物可在环状空间中凝固，由此形成具有硬化的、大致上不可透水泥的环状护套(即，水泥护套)，所述环状护套可将管柱支撑并定位在井筒中并且可将管柱的外表面粘结到地下地层。除了其他情况之外，围绕管柱的水泥护套起作用防止环带中流体的迁移，以及保护管柱不受腐蚀。水泥组合物还可用于补注水泥方法中，例如，用于密封管柱或水泥护套中的裂痕或孔洞，用于密封高渗透地层区域或断口，用于放置水泥塞等等。
固井中的特定挑战是在放置在地下地层中之后的合理时间段内在水泥组合物中发展出令人满意的机械性质。先前，在水泥组合物中包含工业和农业废料以节省成本。所述废料可能与水泥组合物不相容，并且除了具有胶结性质的主要效果之外，还可能具有不希望的或次要的效果。另外，由于诸如废料的反应性不足等因素，可能限制被废料替代的波特兰的量。此外，由于废料可能具有强烈的负面效应，因此通常可认为本文公开的废料不适合用于水泥组合物。本文公开了允许使用先前被认为不适合用于水泥组合物的废料的方法和系统。
附图说明
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。
图1是用于分析水泥组分的示例系统的示意图。
图2是用于生成水泥组合物的示例性系统的示意图。
图3是示出将水泥组合物引入井筒中的示意图。
具体实施方式
本公开可总体涉及固井方法和系统。本文提供的方法可包括设计包含废料的水泥组合物，该设计考虑了每种废料的物理化学性质。该方法可涉及分析通常不适用于井筒固井的废料，以及使所述废料与其他胶结组分平衡以生成适合使用的水泥组合物。如本文所用的适合使用是指该组合物是可混合的、具有所需的工程性质，并且具有特定应用所需的成本。一种改善水泥组合物设计的方法可以是确定石灰与二氧化硅的比率以提供改善的比率来影响某些水泥性质。具体地，物理化学性质可包括每种废料的组成。废料的组成可以影响水泥组合物的最终凝固机械性质，以及动态或基于时间的性质，诸如可混合性、流变性、粘度等。每种废料都可能影响所提到的性质中的一种或多种性质。如先前所提及的，如本文所述的废料是指通常不适合用于水泥中的材料。废料可以是工业副产物。如本文所用，术语“工业副产物”是指来源于制造过程的次生产物。换句话说，工业副产物不是从制造过程中生产的主要产物。例如，来自某个燃煤电厂的粉煤灰可包含相对大量的游离石灰。如果用于水泥组合物中，则大量游离石灰可能与水泥组合物中的其他组分不利地相互作用，从而导致较差的性能。本文描述的技术可以允许本领域普通技术人员分析不适合用于水泥中的废产物，并且通过水泥组合物设计过程，可以使废料仍然可以被利用。本文所述的技术可允许普通技术人员开发具有先前可能已丢弃的材料的水泥组合物。
在先前的基于波特兰水泥的水泥组合物设计中，可以添加废料作为填料以降低成本，而无需考虑材料的组成或反应性。当与水泥中使用的其他废料相比时，某一废料(例如，矿渣)在特定矿物中可能反应性过大或失衡。在一些示例中，由于废料具有的较大负面效应，废料可能失衡到使得所述废料不适合用于胶结。材料可例如包含大量的游离石灰，该大量的游离石灰当与波特兰水泥混合时可能导致不良凝固。在先前的水泥组合物中，具有大的负面影响的废料可能不被认为适合使用并随后被丢弃或不使用。通常，可以在几种水泥组合物或配方中测试废料以确定所述废料是否合适。来自特定区域的废料可以在组成上不同于另一区域的相同类型的废料。废料的组成差异可能使一种废料比另一种废料更合适或使一种废料完全不合适。一种确定废料性能如何的方法是通过美国石油协会(api)定义的标准水泥凝固测试。可以对包含废料的水泥组合物执行水泥凝固测试和其他测试，并且基于结果，工程师可以确定所述废料是否应该用于水泥组合物中。如果废料未通过测试，则所述废料可能永远不被使用或考虑。
本文描述的技术可允许普通技术人员分析废料并推理地确定废料是否将适合使用，以及是否需要进行任何修改或转弯以减少废料可能具有的任何负面效应。本文所述的技术还可允许使用通常不适合水泥使用的废料。本文公开的水泥组合物设计方法可包括调谐废料以增强组合物的整体机械性质。本文公开的另一种水泥组合物设计方法可以通过利用多种废料或水泥组分并平衡每种废料或水泥组分的反应性来使成本最小化。可以通过调节存在的矿物的相对量来控制或调谐废料的反应性。矿物质可包括但不限于石灰、二氧化硅或硅酸、石膏、金属水合物、诸如氧化铝等金属氧化物，等等。如本文所公开的水泥组合物通常可归类为合成波特兰水泥组合物。尽管本文所公开的水泥组合物可能与波特兰水泥的氧化物浓度不匹配，但是水泥组合物可满足或超过基于波特兰水泥的水泥组合物的机械性质。另外，本文公开的水泥组分(诸如废料)通常可描述为碱溶性的。在水泥组分至少部分可溶于ph7.0或更高的水溶液中的情况下，水泥组分被认为是碱溶性的。
水泥组合物通常可包含水、波特兰水泥、废料，以及石灰。水泥组合物可具有适合于特定应用的密度。水泥组合物可包含任何合适的密度，包括但不限于在约8磅/加仑(“ppg”)至约16ppg(1g/cm3至1.9g/cm3)的范围内的密度。在经发泡的示例中，本发明的发泡的水泥组合物的密度可以在约8ppg至约13ppg(1g/cm3至1.6g/cm3)(或甚至更低)的范围内。水泥组合物包括减小它们的密度的其它手段，诸如空心微球、低密度弹性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。
水泥组合物中使用的水可包括例如淡水、盐水(例如，含溶解在水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，或它们的组合。通常，水可来自任何来源，前提是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。可包括足以形成可泵送浆料的量的水。水可以以任何合适的量包含在水泥组合物中，包括但不限于按照所述水泥组合物中存在的胶结组分的重量计(“bwoc”)约40％至约200％。如本文所用，术语“胶结组分”是指具有胶结性质的材料，诸如具有水硬活性、火山灰活性或其它胶结活性的材料，包括波特兰水泥和废料等。出于本公开的目的，石灰也被认为是胶结组分，因为其可以在火山灰反应和其他胶结反应中与各种氧化物反应。在一些示例中，水可以在约40％至约150％bwoc的范围内的量被包含。受益于本公开益处的本领域普通技术人员应该能够针对特定应用选择合适的量和类型的水。
适用于本公开的波特兰水泥可根据美国石油协会的apispecificationformaterialsandtestingforwellcements，api规范10，第五版，1990年7月1日而被分类为a级、c级、g级和h级水泥。另外，在一些示例中，适用于本发明的水泥可以分类为astmi型、ii型或iii型。可以被认为是“低波特兰”的水泥组合物可以通过使用本文公开的技术来设计，因为所述水泥组合物可包含按照胶结组分的重量计(“bwoc”)约50％或更少的量的波特兰水泥。除波特兰水泥外，其他水硬水泥包括但不限于包含钙、铝、硅、氧、铁和/或硫的水硬水泥，所述水硬水泥通过与水反应而凝固和硬化。合适的水硬水泥可包括石膏，和高氧化铝含量的水泥，以及复合水泥组合物中存在的其它水泥。波特兰水泥可以任何合适的量存在于水泥组合物中，包括但不限于在约0％至约50％bwoc范围内的量。在一些示例中，波特兰水泥可以在约1％、约5％、约10％、约20％、约40％或约50％bwoc的任何量之间的范围内和/或包括所述任何量的量存在。水泥组合物还可以设计为不含(或基本上不含)波特兰水泥。受益于本公开益处的本领域普通技术人员应该能够针对特定应用选择适当量的水硬水泥。
水泥组合物可包含废料。如本文所用，术语“废料”是指这样的材料，所述材料因为不能出售或以其他方式使用而在工业上通常丢弃。合适的废料的示例可包括但不限于粉煤灰、钻屑、水泥窑灰(“ckd”)、煅制二氧化硅、生物灰，以及其他废火山灰，等等。生物灰通常可以是农业、市政和工业有机废物的有意燃烧产物。生物灰可包括但不限于农业废灰，诸如稻壳灰、甘蔗灰和蔗渣灰。此外，在本文公开的水泥组合物的某些示例中，废料可包含一种或多种废料的混合物。通常，废料包括各种氧化物，诸如caco3、sio2、cao、k2so4、caso4、al2o3，以及fe2o3、mgo、so3、na2o、k2o、tio2，等等。一些氧化物可以溶解或以其他方式解离以尤其提供硅酸，所述硅酸可以反应形成水泥产品。通过包含废料，可以使用不同的路径来获得与波特兰水泥相似的产品。可以引发火山灰反应，其中硅酸(h4sio4)和氢氧钙石(ca(oh)2)反应形成水泥产品(硅酸钙水合物)。如果在二氧化硅源中存在诸如铝酸盐之类的其他化合物，则可能发生另外的反应而形成另外的水泥产品，诸如铝酸钙水合物。反应所需的氢氧化钙可以由诸如波特兰水泥等其他水泥组分提供，并且潜在地由一种或多种废料提供，或者可以单独加入到水泥组合物中。
适合的废料的示例可包括粉煤灰。多种粉煤灰可能是适合的，包括根据美国石油协会的apispecificationformaterialsandtestingforwellcements，api规范10，第五版，1990年7月1日被分类为c级和f级粉煤灰的粉煤灰。c级粉煤灰包括二氧化硅和石灰，所以它可在与水混合之后凝固来形成硬化块。f级粉煤灰通常不含诱导胶结反应的足量石灰，因此，另外的钙离子源对于包含f级粉煤灰的复合水泥组合物来说可能是必需的。在一些实施方案中，石灰可与在粉煤灰的约0.1重量％至约100重量％范围内的量的f级粉煤灰混合。在一些情况中，石灰可以是水合石灰。粉煤灰的适合示例包括但不限于可购自halliburtonenergyservices,inc.,houston,texas的
合适的废料的另一个示例可包括矿渣。矿渣通常是从各种金属的相应矿石生产所述金属中的副产物。例如，铸铁的生产可产生作为成颗粒的、鼓风炉副产物的矿渣，其中所述矿渣通常包含在铁矿中所发现的氧化杂质。矿渣通常不含足够的碱性物质，因此矿渣可与碱一起使用以产生可凝固的组合物，所述可凝固的组合物可与水反应以凝固形成硬化物质。合适的碱源的示例包括但不限于氢氧化钠、碳酸氢钠、碳酸钠、石灰，以及它们的组合。
合适的废料的另一个示例可包括煅制二氧化硅。煅制二氧化硅可以替代地称为“微细二氧化硅”或“致密煅制二氧化硅(condensedsilicafume)”。煅制二氧化硅通常是副产物材料，所述副产物材料可以例如通过在某些合金的制造中用煤还原石英而获得。煅制二氧化硅可以在回收后进行处理，例如以控制粒度。煅制二氧化硅可以是非常细的，例如平均粒度小于1微米，以及替代地小于0.2微米。如本文所用的平均粒度对应于d50值，如可通过粒度分析器所测量的，所述粒度分析器诸如由malverninstruments,worcestershire,unitedkingdom制造的那些分析器。煅制二氧化硅可具有高表面积并且通常可以粉末形式或液体形式获得。
合适的废料的另一个示例可包括ckd。如在本文中使用的术语水泥窑灰或“ckd”是指在水泥的制造过程中从气流移除并且被收集在例如集尘器中的部分煅烧的窑进料。通常，在水泥生产中收集大量ckd，所述大量ckd通常作为废料被处置。将ckd作为废料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。
合适的废料的另一个示例可包括农业废灰。可用于复合水泥组合物中的农业废灰的示例包括例如木材(例如，锯末、树皮、树枝(twigs)、分枝(branches)、其他废木材)灰、树叶灰、玉米芯灰、稻壳灰、甘蔗(例如，糖蔗)灰、蔗渣灰、谷物(例如苋菜、大麦、玉米亚麻籽、小米、燕麦、藜麦、黑麦、稻米、小麦等)及相关副产品(例如，谷壳(husk)、外壳(hull))灰、果园灰、藤蔓修剪灰、草(例如，korai，东华草(tifton)、天然shiba(nativeshiba)等)灰、稻草灰、花生壳灰、豆类(例如，大豆)灰，以及它们的组合。
废料可以适合于特定应用的任何量存在于水泥组合物中，包括但不限于在约10％至约100％bwoc、约50％至约100％bwoc、约50％至约80％bwoc、或80％至约100％bwoc范围内的量。在一些示例中，废料可以在约1％、约5％、约10％、约20％、约40％、约60％、约80％、或约90％bwoc的任何量之间的范围内和/或包括所述任何量的量存在。受益于本公开益处的本领域普通技术人员应该能够针对特定应用选择合适类型和量的废料。
水泥组合物可包含石灰。石灰可以以不同的形式存在于水泥组合物中，包括作为氧化钙和/或氢氧化钙。如本文所用，术语“石灰”旨在包括氧化钙和氢氧化钙。氢氧化钙通常也称为水合石灰和熟石灰。在一些示例中，水合石灰可提供为生石灰(氧化钙)，所述生石灰在与水混合时发生水合以形成水合石灰。除了作为单独组分添加的石灰之外，水泥组合物中的至少一部分石灰也可以由其他水泥组分提供。例如，波特兰水泥与水的水合反应可以将水合石灰释放到水泥组合物中。此外，废料还可含有石灰或将石灰释放到水泥组合物中。作为cao存在于废料中的石灰如果不与其他矿物结合，则可以被称为游离石灰。水合石灰可以包含在水泥组合物的示例中，例如以与废料反应。在存在时，石灰可例如以在约10％至约100％bwoc范围内的量包含在水泥组合物中。在一些示例中，水合石灰可以在约10％、约20％、约40％、约60％、约80％或约100％bwoc的任何量之间的范围内和/或包括所述任何量的量存在。受益于本公开的益处的本领域的普通技术人员应会认识到针对选定应用来包含的水合石灰的适当量。
在一些示例中，水泥组合物可包含替代水合石灰或作为水合石灰补充的钙源。通常，可能需要钙和高ph，例如7.0或更高的ph，以进行某些胶结反应。水合石灰的潜在优点可以是在同一分子中供应钙离子和氢氧根离子。例如，在另一个示例中，钙离子源可以是ca(no3)2或cacl2，其中氢氧根由naoh或koh供应。普通技术人员应理解，另选的钙离子源和氢氧根源可以与水合石灰相同的方式包含在水泥组合物中。例如，钙源和氢氧根源可以约10:1至约1:1的二氧化硅源与水合石灰重量比或约3:1至约5:1的比例被包含。在存在时，另选的钙离子源和氢氧根源可以例如在按二氧化硅源的重量计约10％至约100％范围内的量包含在水泥组合物中。在一些示例中，另选的钙离子源和氢氧根源可以在二氧化硅源的约10重量％、约20重量％、约40重量％、约60重量％、约80重量％或约100重量％的任何量之间的范围内和/或包括所述任何量的量存在。受益于本公开的益处的本领域的普通技术人员应认识到针对选定应用来包含的另选的钙离子源和氢氧根源的适当量。
水泥组合物还可包含适用于固井操作的其他添加剂。此类添加剂的示例包括但不限于：加重剂、缓凝剂、促进剂、活化剂、气体控制添加剂、轻质添加剂、产气添加剂、机械性质增强添加剂、堵漏材料、过滤控制添加剂、滤失量控制添加剂(fluid-loss-controladditives)、消泡剂、消泡剂、发泡剂、过渡时间改进剂、分散剂、触变添加剂、悬浮剂，以及它们的组合。受益于本公开益处的本领域普通技术人员应该能够针对特定应用选择合适的添加剂。
可以使用任何合适的技术来制备水泥组合物。诸如波特兰水泥、废料和/或石灰之类的胶结组分可在与水混合形成水泥组合物之前进行干混。该干混物可以在非现场制备，然后运输到例如井场，在井场该干混物可以与水混合。干混物中还可包含另外的固体水泥添加剂。其他适合的技术可用于水泥组合物的制备，如本领域的普通技术人员根据本公开应理解的。
如前所述，废料可溶解或以其他方式形成硅酸，所述硅酸可与氢氧化钙反应形成水泥产品。另外，存在于废料中的其他氧化物和化合物也可溶解并与石灰和其他胶结组分反应以形成硬化物质。可以引发火山灰反应，其中硅酸(h4sio4)和氢氧钙石(ca(oh)2反应形成水泥产品(硅酸钙水合物)。硅酸(h4sio4)与氢氧钙石(ca(oh)2)之间的该火山灰反应可以根据以下等式进行。首先，二氧化硅可以水合形成硅酸，并且氧化钙可以水合形成氢氧钙石或水合石灰。如本领域普通技术人员应理解的，氢氧化钙也可以由水泥组合物中的其他组分提供，例如通过波特兰水泥的水合反应提供。接下来，硅酸和水合石灰可以反应形成硅酸钙水合物。如果在二氧化硅源中存在诸如铝酸盐之类的其他化合物，则可能发生另外的反应而形成另外的胶结产品，诸如铝酸钙水合物。
sio2+2h2o→h4sio4
cao+h2o→ca(oh)2
h4sio4+ca(oh)2→cao1.7·sio2·xh2o
该反应可能不是简单的，因为不同的废料可具有不同的溶解度和水合率。由于反应物的溶解度不同，所以反应的化学计量也可能不简单。如果任一反应物的量不同于理想量，则反应可能减慢或停止。一种控制反应的方式可以是提供足以驱动反应的可用石灰与硅酸的比率。换句话说，可以选择水泥组合物的二氧化硅源和/或石灰的浓度，以提供该比率。
水泥组合物可以设计成具有石灰与二氧化硅的目标比率。可以选择任何合适的石灰与二氧化硅的目标比率以提供所需的反应，包括但不限于在按重量计约20/80的石灰比二氧化硅至按重量计约40/60的石灰比二氧化硅的范围内，例如为按重量计约20/80的石灰比二氧化硅、按重量计约30/70的二氧化硅比石灰，或按重量计约40/60的石灰比二氧化硅的石灰与二氧化硅的目标比率。
适用于水泥化合物的废料可在组成上变化很大，这取决于生产废料的具体来源和区域。在先前包含废料的水泥组合物中，通常不考虑废料的特定化学组成。所述废产物中的一些废产物可能在化学上失衡，其中它们可能引起严重的问题，诸如胶凝、高热量产生、矿物质不相容，以及其他不希望的效应。先前，由于负面效应大，这些材料可能已被认为不适合用于水泥。在一些示例中，废料中的游离石灰可能相对较高，该废料如果独自与波特兰水泥一起使用，则可能导致水泥组合物达不到所需的压缩强度。特定废料的高石灰含量和低二氧化硅含量可能引起不希望的反应，尤其是在低波特兰水泥组合物中。
可以使用实验室技术和程序来测试废料(一种或多种附加组分，诸如胶结组分，包括二氧化硅源和/或石灰)的物理和化学性质，所述实验室技术和程序包括但不限于显微镜法、光谱学、x射线衍射、x射线荧光、粒度分析、需水量分析、扫描电子显微镜法、能量色散x射线光谱、表面积、比重分析、热重分析、形态分析、红外光谱、紫外-可见光谱、质谱、二次离子质谱、电子能量质谱、色散x射线光谱、俄歇电子能谱、电感耦合等离子体分析、热电离质谱、辉光放电质谱x射线光电子能谱、力学性质测试、杨氏模量测试、流变性质、泊松比。前述测试中的一个或多个测试可以考虑api测试，如用于测试油井水泥的api推荐实践中所述(发布为ansi/api推荐实践10b-2)。上面未具体列出的其他api测试也可用于测量。可以测量一组水泥组分的物理和化学性质。所测量的水泥组分中的两种或更多种水泥组分可以是不同类型的水泥组分(例如，火山岩、ckd、粉煤灰等)。所述水泥组分中的两种或更多种水泥组分可以是相同类型的但来自不同来源(例如，来自源1的火山岩、来自来源2的火山岩等)。
x射线粉末衍射是一种可用于测量废料的物理和化学性质的分析技术。x射线粉末衍射是一种将样品暴露于x射线、中子或电子并测量原子间衍射量的技术。该样品充当衍射光栅，从而以不同角度产生不同的信号。可以测量的典型性质是用于鉴定和表征结晶固体的相鉴定。其他性质可以是结晶度、晶格参数、膨胀张量、体积模量和相变。
x射线荧光是另一种可用于测量废料的物理和化学性质的分析技术。x射线荧光可以使用短波x射线来电离样品中的原子，从而使它们在某些特征波长下发荧光。样品释放的特征辐射可以允许准确识别样品中的组分原子以及它们的相对量。
粒度分析是另一种可用于测量废料(和/或一种或多种附加组分)的物理和化学性质的分析技术。粒度分析可以通过用各种实验室技术进行分析来完成，所述各种实验室技术包括但不限于激光衍射、动态光散射、静态图像分析和动态图像分析。粒度分析还可以提供关于特定样品的形态的信息。形态可以包括诸如球形度和圆度之类的参数，以及诸如圆盘、椭球体、浆叶或辊之类的颗粒一般形状。在了解形态和粒度的情况下，可以估计平均表面积和体积。表面积和体积在确定需水量和反应性方面可为重要的。通常，相对较小的粒度可比相对较大的粒度更快地反应。此外，相对较小的粒度可比相对较大的粒度具有更大的完全水合需水量。
能量色散x射线光谱法是另一种可用于测量废料(和/或一种或多种附加组分)的物理和化学性质的分析技术。能量色散x射线光谱法是一种用于分析样品中存在的元素并确定样品的化学表征的分析技术。其他技术可能包括傅里叶变换红外光谱、紫外-可见光谱、质谱、二次离子质谱、电子能量质谱、色散x射线光谱、俄歇电子能谱、电感耦合等离子体质谱(icp-ms)、热电离质谱、辉光放电质谱，以及x射线光电子能谱。
可以可以分析废料(和/或一种或多种附加组分)以确定它们的需水量。需水量通常定义为形成指定稠度的浆料而需要添加到粉末状固体材料中的混合水的量。特定水泥组分的需水量可通过包括以下步骤的过程确定：a)制备具有指定量的水的waring搅拌器，b)以指定的搅拌器rpm搅拌所述水，c)将正在研究的粉末状固体添加到所述水中直到达到指定的稠度，以及d)根据达到所需稠度所需的水与固体的比率来计算需水量。
可以分析废料(和/或一种或多种附加组分)以确定它们的比表面积。比表面积通常是指总表面积，并且可以报告为每单位质量的总表面积。针对特定区域获得的值取决于分析技术。可以使用任何合适的分析技术，包括但不限于基于吸附的方法，诸如brunauer-emmett-teller(bet)分析、亚甲蓝染色、乙二醇单乙醚吸附，以及蛋白质保留方法等。
热重分析是另一种可用于测量废料(和/或一种或多种附加组分)的物理和化学性质的分析技术。热重分析是一种热分析方法，其中可以测量样品的物理和化学性质的变化。通常，可以测量随着温度升高(诸如以恒定的加热速率升高)的性质，或者在恒定温度或恒定质量变化下随着时间推移的性质。通过热重分析确定的性质可包括一级相变和二级相变，诸如蒸发、升华、吸附、解吸、吸收、化学吸附、去溶剂化、脱水、分解、氧化和还原反应、铁磁转变、超导转变，等等。
除了确定废料本身(和/或一种或多种附加组分)的物理和化学性质之外，还可以进行实验室测试以确定水泥组合物中废料的行为。例如，可以分析水泥组合物中的水泥组分以确定它们的压缩强度发展和机械性质。例如，可以将预选量的水泥组分与水和石灰混合(如果需要进行凝固的话)。然后可以确定水泥组合物的机械性质，包括压缩强度、拉伸强度和杨氏模量。可以使用各种不同条件中的任何一种条件进行测试，只要所述条件对于不同的水泥组分是一致的即可。
压缩强度通常是材料或结构承受轴向指向的推力的能力。可在水泥组分已经与水混合并且所得水泥组合物保持在指定温度和压力条件下之后的指定时间测量水泥组分的压缩强度。例如，可以在流体混合并且流体保持在100℉至约200℉的温度和大气压下之后约24小时至约48小时范围内(或更长)的时间测量压缩强度。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来物理地测试处理流体样本在各个时间点的强度。抗压强度是根据断裂载荷除以抵抗载荷的横截面积来计算并且以每平方英寸磅力(psi)为单位来报告。非破坏性方法通常可采用可购自
拉伸强度通常是材料承受趋于伸长的载荷的能力，与压缩强度相反。可在水泥组分已经与水混合并且所得水泥组合物保持在指定温度和压力条件下之后的指定时间测量水泥组分的拉伸强度。例如，可以在流体混合并且流体保持在100℉至约200℉的温度和大气压下之后约24小时至约48小时范围内(或更长)的时间测量拉伸强度。可以使用任何合适的方法来测量拉伸强度，所述合适的方法包括按照astmc307中描述的程序的那些方法。也就是说，样品可以在压块模具中制备，所述压块模具具有在中间有一平方英寸横截面积的狗饼干外观。然后可以在试样的扩大端施加张力，直到试样在中心区域处断裂。试样断裂时的张力(以磅/平方英寸计)是测试材料的拉伸强度。
杨氏模量也称为弹性模量，其为所施加的应力与所得应变之间关系的量度。通常，当约束应力增大时，高度可变形(塑料)材料将表现出更低的模量。因此，杨氏模量是弹性常数，其表明测试材料承受所施加载荷的能力。在使处理流体在指定的温度和压力条件下凝固一段时间后，可以使用许多不同的实验室技术来测量包含胶结组分的处理流体的杨氏模量。
尽管可能仅提及了一些选择的实验室技术，但应该理解，可能有许多分析技术可能适合或不适合某种样品。受益于本公开益处的本领域普通技术人员应该能够选择适当的分析技术来确定感兴趣的特定性质。
一旦对废料(和/或一种或多种附加组分)执行了分析技术，就可以对数据进行分类和关联。一些类别可包括但不限于比表面积、形态、比重、需水量等。在一些示例中，组分可按氧化物组成分类，所述氧化物组成包括但不限于二氧化硅含量、氧化钙含量和氧化铝含量。另外，可以基于数据分类来生成废料之间的相关性。例如，各种类别的性质可以相对于彼此绘制成曲线。在一些示例中，可绘制需水量对照比表面积的曲线。因此，水泥组分的需水量可以与比表面积相关，使得比表面积是需水量的函数。比表面积可用于预测一种水泥组分(或多种水泥组分)的反应性。然而，由于比表面积分析通常需要专门的仪器，因此可能并不总是可以得到每种材料的比表面积。因此，如果可以获得废料的需水量，则可以使用需水量与比表面积之间的相关性来获得比表面积估计值，所述比表面积近似值随后可用于预测反应性。除了比表面积和反应性之间的相关性之外，还可以在比表面积与其他机械性质(诸如拉伸强度和杨氏模量)之间进行相关。
在一些示例中，可为碱溶性的废料(和/或一种或多种附加组分)可以与波特兰水泥具有协同效应，而其他组分可能不相容。在一些示例中，碱溶性的废料可以引起胶凝、高热产生、保水，以及其他效应。在废料的实验室测试期间可以实现这些和其他效应。实验室设备可被配置为检测废料对组合物的效应。在一些示例中，诸如热量计之类的设备可以测量和量化每单位质量的废料的热量产生量。粘度计可以测量由废料引起的胶凝的增加。可以在几种浓度下测量因添加废料而引起的物理效应中的每一种物理效应，然后进行分类，例如进行曲线绘制或标测。一旦组分被标测，就可以通过参考分类来预测将废料添加到水泥组合物中的效应。
分析废料(和/或一种或多种附加组分)的组成的一个潜在优点可以是可以实现废料的某些性质。例如，使用废料和一种或多种附加组分的数据和/或相关浓度可经选择，以提供具有所需性质(诸如压缩强度)的水泥组合物。举例来说，可以基于数据选择水材料和一种或多种附加组分的浓度，以提供具有至少约25psi的二十四小时破坏性压缩强度的水泥组合物。在一些示例中，废料可以包含相对高量的通常不存在于此类废料中的某种矿物，或者可能认识到该废料包含通常存在于该废料中的出乎意料大量的材料。例如，可以认识到某种粉煤灰包含相对高量的石膏。如果在不知道相对高量的石膏的情况下使用相同的粉煤灰作为火山灰，则所得的水泥组合物可能具有差的工程性质。相反，在知道粉煤灰包含相对高量的石膏的情况下，普通技术人员将认识到粉煤灰可以补充或替代基于石膏的水泥组合物中的石膏。通过分析废料的组成构成，可以实现材料的新用途。
本文描述了考虑到废料的化学组成来设计水泥组合物的方法。可以使用标准实验室分析来测试所选的废料，所述标准实验室分析为例如x射线荧光光谱法或如前所述的另一合适的技术。实验室测试可以产生关于每种废料中存在的组成构成(包括氧化物)的数据。一旦执行了实验室分析，就可以对数据进行分类，包括按照氧化物组成对废料进行分类，所述氧化物组成包括但不限于二氧化硅含量、石灰含量(例如，氧化钙)、氧化铝含量和其他氧化物含量。分类通常可以包括在表中列出每种测试的胶结组分(包括波特兰水泥、废料和/或水合石灰)的二氧化硅含量、氧化钙含量和氧化铝含量。另外，可以对每种组分的溶解率进行分类。可以通过本领域已知的其他实验室技术来测试溶解速率。
设计水泥组合物可包括许多不同步骤中的任何步骤。可以使用先前讨论的技术中的一种或多种技术来分析废料。基于废料的组成分析，可以选择产生合适的水泥组合物所需的其他组分。可以选择两种或更多种胶结组分及其浓度以用于初始水泥组合物。在一些示例中，胶结组分中的一种胶结组分可包含波特兰水泥。可以计算两种或更多种胶结组分的石灰与二氧化硅的比率。可使用任何合适的技术来测定石灰与二氧化硅的比率。计算石灰与二氧化硅的比率可包括确定两种或更多种胶结组分中二氧化硅的总量和石灰的总量，然后取石灰与二氧化硅的比率。出于石灰与二氧化硅的比率的目的，石灰可以被认为是氧化钙或氢氧化钙。例如，石灰与二氧化硅的比率可以通过使用如先前所述的标准实验室技术测量给定胶结组分的可用二氧化硅和石灰来确定。如果计算的水泥组合物的石灰与二氧化硅的比率不满足(或超过)石灰与二氧化硅的目标比率，则可调节一种或多种胶结组分的浓度，直至可以满足或超过石灰与二氧化硅的目标比率。如果石灰不足，则可调节水泥组合物中石灰(作为单独的胶结组分)的浓度。为了确定添加多少石灰，可以使用先前描述的实验室技术确定来自每种水泥组分的二氧化硅和石灰贡献的净量。然后可以确定二氧化硅与石灰的比率，并且可以添加更多的石灰，直到达到所需的比率。如果二氧化硅不足，则可以调节二氧化硅源直至达到目标比率。如果胶结组分中存在其他氧化物，则还可以计算石灰与氧化物的比率。石灰与氧化物的比率也可以与上述石灰与二氧化硅的比率相同的方式调节，直至满足或超过石灰与氧化物的目标比率。
利用废料和平衡石灰与二氧化硅的比率的一个潜在优点可为满足或超过工程需求所需的波特兰水泥的总量可相对较低，并且可以使与废料相关的潜在不希望效应最小化。通常，水泥工程师或操作员可以确定特定井的水泥组合物的所需工程性质。在要泵送水泥组合物的特定区域中可用的废料可具有不同水平的氧化物。可以对可用的废料进行编目，并对每种材料进行实验室测试。实验室测试可包括但不限于以下项中的至少一种的含量：二氧化硅、氧化铝、铁、铁、钙、钙、钠、钾、镁、硫，它们的氧化物，以及它们的组合。水泥工程师可以具有例如按重量计30％的波特兰水泥的水泥组合物开始，其中剩余的重量百分比是先前所测试的各种废料。可以选择20/80的石灰与二氧化硅的目标比率。通过使用每种组分的重量百分比和先前进行的实验室测试，可以确定水泥组合物的石灰与二氧化硅的比率。如果石灰或二氧化硅脱落，则可以通过添加石灰或更多二氧化硅(例如，通过添加更多废料形式的二氧化硅源)来调节。一旦完成二氧化硅-石灰平衡，就可以测试水泥组合物的机械或工程性质。可以用不同水平的波特兰水泥来制备几种水泥组合物。例如，水泥组合物可包含约10％至约30％的波特兰水泥。在一些示例中，水泥组合物可包含按重量计约10％、约15％、约20％、约25％或约30％的波特兰水泥。受益于本公开益处的普通技术人员应该能够选择波特兰水泥重量百分比、执行氧化物分析、确定石灰与二氧化硅的目标比率，并调节每种组分的重量百分比以产生具有所需工程性质的浆料。
本文公开的任何示例性水泥组合物可被引入地下地层中并且在所述地下地层中使之凝固。如在本文所使用，将水泥组合物引入地下地层中包括引入地下地层的任何部分中，引入围绕井筒的附近井筒区域中，或引入上述两者中。在初次注水泥应用中，例如，水泥组合物可被引入到位于井筒中的管道与井筒的壁(和/或井筒中的较大管道)之间的环状空间中，其中所述井筒穿透地下地层。可制备水泥组合物并使所述水泥组合物在环状空间中凝固以便形成硬化水泥的环状护套。水泥组合物可形成防止流体在井筒中迁移的屏障。水泥组合物还可以例如将管道支撑在井筒中。在补救固井应用中，水泥组合物可用在例如挤水泥固井操作中或替代水泥塞。例如，水泥组合物可被放置在井筒中以便堵塞地层中、填砾(gravelpack)中、管道中、水泥护套中和/或水泥护套与管道之间(例如，微环带)的开口(例如，空隙或裂纹)。
因此，本公开描述了与浆料设计过程有关的系统、组合物和方法。非限制地，所述系统、组合物和方法还可以通过以下声明中的一个或多个声明来表征：
声明1.一种方法，所述方法包括：分析工业副产物和一种或多种附加组分以生成关于所述工业副产物的物理和/或化学性质的数据；以及基于所述数据来确定所述副产物和所述一种或多种附加组分的浓度，以提供在100℉至200℉下具有约50psi或更高的二十四小时破坏性压缩强度的可凝固组合物。
声明2.如声明1所述的方法，其中所述工业副产物包括选自由以下项组成的组的至少一种材料：粉煤灰、钻屑、水泥窑灰、煅制二氧化硅、生物灰，以及它们的组合。
声明3.如声明1或声明2所述的方法，其中所述分析所述工业副产物包括通过选自由以下项组成的组的一种或多种技术进行分析：显微镜法、光谱学、x射线衍射、x射线荧光、粒度分析、需水量分析、扫描电子显微镜法、能量色散x射线光谱、表面积、比重分析、热重分析、形态分析、红外光谱、紫外-可见光谱、质谱、二次离子质谱、电子能量质谱、色散x射线光谱、俄歇电子能谱、电感耦合等离子体分析、热电离质谱、辉光放电质谱x射线光电子能谱、力学性质测试、杨氏模量测试、流变性质、泊松比、api测试，以及它们的组合。
声明4.如任何前述声明所述的方法，其中所述数据包括选自由以下项组成的组的至少一种组分的量：二氧化硅、氧化铝、铁、钙、钠、钾、镁、硫、它们的氧化物，以及它们的组合。
声明5.如任何前述声明所述的方法，其中所述数据包括平均粒度、粒度分布，以及形态。
声明6.如任何前述声明所述的方法，其中所述数据包括比表面积。
声明7.如任何前述声明所述的方法，所述方法还包括确定所述工业副产物的比表面与需水量的相关性。
声明8.如任何前述声明所述的方法，其中所述一种或多种附加组分包括二氧化硅源和/或石灰。
声明9.如任何前述声明所述的方法，所述方法还包括制备水泥组合物，所述水泥组合物包含所述工业副产物和所述一种或多种附加水泥组分；将所述水泥组合物引入地下地层中；以及使所述水泥组合物凝固。
声明10.如声明9所述的方法，其中使用一个或多个泵将所述水泥组合物引入所述地下地层中。
声明11.如声明9或声明10所述的方法，其中所述制备水泥组合物包括使用混合设备混合所述水泥组合物的组分，所述组分包括水、所述工业副产物和所述一种或多种附加水泥组分。
声明12.如任何前述声明所述的方法，其中所述水泥组分还包括波特兰水泥。
声明13.如任何前述声明所述的方法，所述方法还包括制备样品水泥组合物，所述样品水泥组合物包含水泥添加剂；测试所述样品水泥组合物以确定选自由压缩强度、增稠时间和滤失量组成的组中的一种或多种性能特征；以及调节所述样品水泥组合物中的一种或多种添加剂的浓度。
声明14.一种用于分析工业副产物的系统，所述系统包括：多种工业副产物；分析仪器，所述分析仪器用于收集关于所述工业副产物的数据；计算机系统，所述计算机系统被配置为接受所述数据，并基于所述数据生成所述工业副产物的相关性。
声明15.如声明14所述的系统，其中所述工业副产物包括选自由以下项组成的组的至少一种材料：粉煤灰、钻屑、水泥窑灰、煅制二氧化硅、生物灰，以及它们的组合，并且其中所述水泥组分还包括附加的碱溶性二氧化硅源。
声明16.如声明14或声明15所述的系统，其中所述分析仪器被配置为执行选自由以下项组成的组的功能中的一种或多种功能：显微镜法、光谱学、x射线衍射、x射线荧光、粒度分析、需水量分析、扫描电子显微镜法、能量色散x射线光谱、表面积、比重分析、热重分析、形态分析、红外光谱、紫外-可见光谱、质谱、二次离子质谱、电子能量质谱、色散x射线光谱、俄歇电子能谱、电感耦合等离子体分析、热电离质谱、辉光放电质谱x射线光电子能谱、力学性质测试、杨氏模量测试、流变性质、泊松比、api测试，以及它们的组合。
声明17.如声明14至16中任一项所述的系统，其中所述计算机系统还包括算法，所述算法被配置为：分析所述物理和化学数据并输出预测模型；以及将所述预测模型存储在预测模型数据库中。
声明18.如声明17所述的系统，其中所述预测模型包括工业副产物的比表面积与需水量的相关性。
声明19.一种用于生成水泥组合物的系统，所述系统包括：预测模型数据库，所述预测模型数据库包括预测模型数据、反应性图和原始数据；材料数据库，其中所述材料数据库包括作为工业副产物的二氧化硅源；计算机系统，所述计算机系统被配置为查询所述数据库并接受来自用户的输入；以及算法，所述算法能够生成计算的水泥组成。
声明20.如声明19所述的系统，其中所述算法被配置为生成所述计算的水泥组成，所述计算的水泥组成具有由所述用户定义的所选工业副产物，其中所述所选工业副产物是所述材料数据库中的所述二氧化硅源。
现在将参考图1更详细地描述使用二氧化硅-石灰平衡技术和废料的方法的示例。示出了用于分析胶结组分的系统100。系统100可包括胶结组分样品105、分析仪器110，以及计算机系统115。胶结组分样品105可以是任何感兴趣的胶结组分(例如波特兰水泥、废料、石灰等)。可以将胶结组分样品放置或进料到分析仪器110中。在一些示例中，分析仪器110可以被配置为自动将胶结组分样品105进料到分析仪器110中。分析仪器110可以被配置为分析胶结组分样品105的物理和化学性质。如前所述，所述物理和化学性质可包括来自氧化物分析和其他测试的数据。由分析仪器110生成的数据可以被发送到计算机系统115以进行处理。计算机系统115可以包括处理器、存储器、内部存储装置、输入和输出装置、网络连接装置，和/或计算机系统共有的其他部件。计算机系统115可以将来自分析仪器110的数据作为输入并将其存储在存储装置中以供稍后处理。处理数据可以包括将数据输入到算法中，该算法计算结果。计算机系统可以被配置为分析来自样品的氧化物数据并生成与溶解度、溶解时间、溶液中氧化物的时间依赖性、预测的反应性、石灰需求等相关的相关性、图表和模型。生成数据和从分析仪器110产生的数据可以存储在数据库120中。数据库120还可以包括关于每种胶结组分的成本的数据。数据库120可以本地存储或存储在网络上。
现在参考图2，示出了用于生成水泥组合物的系统200。所述系统200可以包括如图1所述的数据库120，以及计算机系统210。在一些示例中，计算机系统210可以是图1的相同计算机系统115。用户输入220可以定义工程参数，诸如水泥组合物的所需压缩强度、井筒的井底静态温度、浆料所需的流变性质、浆料的增稠时间、可用的水泥材料、可用的水泥添加剂、可用的废料、自由流体、渗透率、孔隙压力、压裂梯度、泥浆重量、密度、耐酸性、耐盐性，以及其他参数。计算机系统210可以包括预测水泥算法并且被配置为将用户输入220和存储在数据库120中的预测模型、反应性相关性和数据输入到预测水泥算法中。预测水泥算法可以生成满足由用户输入220限定的工程要求的一种或多种水泥组合物。预测水泥算法的输出230可以包含生成的水泥组合物中每种水泥组分的相对量，以及水泥组合物的预测材料性质。在另一个示例中，用户可以选择低波特兰水泥浓度和一种或多种废料作为工程参数中的一些工程参数。先前讨论过低波特兰水泥浓度的含义。用户还可以选择石灰与二氧化硅的目标比率、石灰与氧化物的目标比率或两者作为工程参数的一部分。在一些示例中，预测水泥算法可以自动选择石灰与二氧化硅的目标比率和石灰与氧化物的目标比率，或者被配置为基于来自用户的输入来选择最佳比率。预测水泥算法可以生成包含所选择的波特兰水泥浓度和所选择的废料的水泥组合物。在一些示例中，预测水泥算法可以自动选择废料。为了选择石灰与二氧化硅的适当比率，所述算法可以参考先前提及的氧化物分析和溶解度数据。预测水泥算法可以被配置为基于石灰与二氧化硅的目标比率来生成胶结组分的浓度。预测水泥算法可以被配置为通过调节包括石灰在内的一种或多种胶结组分的浓度来满足或超过石灰与二氧化硅的目标比率。例如，预测水泥算法可以选择以包括具有相对高石灰的废料的浓度，并且还选择具有相对高二氧化硅的废料。预测水泥算法可以使用石灰与二氧化硅的目标比率来平衡包含石灰和二氧化硅的废料中的每种废料，以满足或超过石灰与二氧化硅的目标比率。
尽管预测水泥算法可以仅基于为用户输入或自动选择值的石灰与二氧化硅的比率或石灰与氧化物的比率来生成水泥组合物，但是所述算法还可以基于其他因素的组合来生成水泥。一个因素可为氧化物和石灰的可用性随时间和温度的变化。如前所述，基于胶结组分的溶解度，硅酸和氢氧钙石的浓度可随时间和温度而变化。如前所述，可用的水泥组分可具有不同的溶解率，所述溶解率也可取决于溶液的温度。水泥组分可以在环境温度下相对缓慢地溶解，但是可以在井底静态温度下相对更快地溶解。因此，来自每种组分的氧化物和石灰的可用性不仅取决于时间，而且还取决于井筒中水泥组合物的位置。预测水泥算法可以生成这样的水泥组合物，所述水泥组合物通过考虑反应物的时间依赖性而在火山灰和其他水泥凝固反应的整个过程中保持所选择的石灰与二氧化硅平衡。如前所述，存在于废料和其他水泥组分中的各种氧化物可经历各种反应以产生胶结产物。每个反应可具有相关的化学计量。预测水泥算法可以生成水泥组合物，其中可能发生的反应的化学计量是平衡的。在一些示例中，反应可以被平衡到化学计量的正或负约25％内。预测水泥算法还可以使用来自数据库120的成本数据来生成具有所需石灰与二氧化硅的比率的水泥组合物，同时还降低了所述组合物的成本。在一些示例中，预测水泥算法可以生成具有最小化的成本的水泥组合物。
现在参考图3，图3示出了水泥组合物300的使用水泥组合物300可包含本文所述的任何组分。水泥组合物300可以例如使用如本文所述的石灰-二氧化硅平衡来设计。现在转向图3，根据示例性系统、方法和水泥组合物，水泥组合物300可以放置到地下地层305中。如图所示，可将井筒310钻入地下地层305中。尽管井筒310被示出为大体上垂直地延伸到地下地层305中，但是本文描述的原理还适用于以一个角度延伸通过地下地层305的井筒，诸如水平或倾斜井筒。如图所示，井筒310包括壁315。在图示中，表面套管320已插入井筒310中。表面套管320可以通过水泥护套325粘固到井筒310的壁315。在图示中，在此被示出为套管330的一个或多个另外的管道(例如，中间套管、生产套管、衬管等)还可被设置在井筒310中。如图所示，在套管330与井筒310的壁315和/或表面套管320之间形成了井筒环带335。一个或多个定心器340可被附接到套管330，例如以便在固井操作之前和期间使套管330位于井筒310的中心。
继续参考图3，可沿套管330的内部向下泵送水泥组合物300。可以使水泥组合物300通过套管330底部的套管底环(casingshoe)345向下流入套管330的内部，并且在套管330周围向上流入井筒环带335。可使水泥组合物300在井筒环带335中凝固，例如以便形成将套管330支撑并定位在井筒310中的水泥护套。虽然未图示，但是其它技术也可用于引入水泥组合物300。例如，可使用反向循环技术，所述反向循环技术包括借助于井筒环带310而不是通过套管330来将水泥组合物300引入地下地层305中。在引入水泥组合物300时，所述水泥组合物300可使其他流体350位移，所述其他流体350诸如为可存在于套管330和/或井筒环带355的内部中的钻井液和/或隔离液。虽然未示出，但是至少一部分被置换的流体350可以经由流动管线离开井筒环带335，并且例如沉积在一个或多个保存坑(retentionpit)中。底部塞子355可以在水泥组合物300之前引入井筒310中，例如以在固井之前将水泥组合物300与可在套管330内部的流体350分离。在底部塞子355到达连顶接箍(landingcollar)370之后，隔膜或其他合适的装置可以破裂以允许水泥组合物300通过底部塞子355。底部塞子355被示出为在连顶接箍370上。在图示中，顶部塞子360可以被引入到水泥组合物300后面的井筒310中。顶部塞子360可以将水泥组合物300与置换流体365分离，并且还将水泥组合物300推动通过底部塞子355。
所公开的水泥组合物和相关方法可以直接或间接地影响任何泵送系统，所述泵送系统代表性地包括任何导管、管线、卡车、管件和/或管道，所述任何导管、管线、卡车、管件和/或管道可以联接到泵和/或任何泵送系统并且可以用于在井下流体输送水泥组合物；用于驱动水泥组合物运动的任何泵、压缩机或马达(例如，顶部马达或井下马达)；用于调节水泥组合物的压力或流速的任何阀门或相关接头；以及任何传感器(即，压力、温度、流速等)、仪表，和/或它们的组合等。水泥组合物还可以直接或间接地影响任何混合料斗和保存坑以及它们的各种变化。
应当理解，虽然以“包含”、“含有”或“包括”各种部件和步骤的措辞描述了组合物和方法，但是所述组合物和方法也可以“基本上由各种部件和步骤组成”或“由各种部件和步骤组成”。另外，在权利要求中使用的不定冠词“一”或“一个”，在本文中定义为表示其引入的要素中的一个或多个。
为简洁起见，本文仅明确公开某些范围。然而，从任何下限起的范围可与任何上限结合来列举未明确列举的范围，并且从任何下限起的范围可与任何其他下限结合来列举未明确列举的范围，以相同的方式，从任何上限起的范围可与任何其他上限结合来列举未明确列举的范围。此外，每当公开具有下限和上限的数值范围时，具体公开了落入该范围内的任何数字和任何包括的范围。具体地说，本文所公开的值的每个范围(形式为“从约a到约b”，或等效地“从大致a到b”，或等效地“从大致a-b”)应理解为阐述涵盖在所述值的较宽范围内的每个数值和范围，即使没有明确叙述也如此。因此，每个点或单个值可用作其自身的下限或上限来与任何其他点或单个值或者任何其他下限或上限结合，以便列举未明确列举的范围。
因此，本公开非常适合于达到所提及的目的和优势以及自身固有的目的和优势。以上公开的特定实施例仅是说明性的，因为本发明可以以不同但等效的方式修改和实践，这对受益于本文教导的本领域技术人员来说是显而易见的。尽管讨论了个别实施例，但是本发明涵盖所有那些实施例的所有组合。另外，并不意在限于本文所示出的构造或设计的细节，而是限于所附权利要求中所描述的内容。而且，除非专利权人明确和清楚地限定，否则权利要求中的术语具有其平常、普通含义。因此，明显的是，上文公开的特定说明性实施例可加以改变或修改，并且所有这些变化都视为处于本发明的范围和精神内。如果在本说明书与可以引用方式并入本文的一个或多个专利或其他文件中的措词或术语的使用上存在任何冲突，那么应采用与本说明书一致的定义。
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