Способы цементирования в подземном пласте с использованием цементной композиции, содержащей затравочные кристаллы гидратированного силиката кальция

Способы цементирования в подземном пласте с использованием цементной композиции, содержащей затравочные кристаллы гидратированного силиката кальция

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Предложены способы цементирования в подземном пласте. Цементные композиции для использования в подземном пласте включают мезоскопические частицы, наночастицы, затравочные кристаллов гидратированного силиката кальция (C-S-H) или их сочетания. В варианте осуществления цементная композиция также включает латексную добавку. В еще одном варианте осуществления скважина пронизывает подземный пласт.

Сущность изобретения

Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложен способ цементирования в подземном пласте, включающий введение цементной композиции в подземный пласт, причем цементная композиция содержит цемент, воду и затравочные кристаллы гидратированного силиката кальция (C-S-H), исследуемая цементная композиция, состоящая, в основном, из цемента, воды и затравочных кристаллов C-S-H в таких же пропорциях, как в цементной композиции, развивает сопротивление сжатию, составляющее, по меньшей мере, 1200 фунт/кв. дюйм (8,3 МПа) при исследовании в течение 24 часов при температуре 60°F (15,6°C) и давлении 3000 фунт/кв. дюйм (20,7 МПа); и выдерживание цементной композиции для затвердевания.

Предпочтительно цемент содержит, по меньшей мере, один гидравлический цемент, выбранный из группы, которую составляют портландцемент, пуццолановый цемент, гипсовый цемент, цемент с высоким содержанием оксида алюминия, шлаковый цемент, силикатный цемент и их сочетания.

Предпочтительно вода выбрана из группы, которую составляют пресная вода, солоноватая вода, соленая вода и любое их сочетание.

Предпочтительно затравочные кристаллы C-S-H имеют такое распределение частиц по размерам, что, по меньшей мере, 90% затравочных кристаллов C-S-H имеют размер частиц, составляющий от 1 мкм до 0,1 мкм.

Предпочтительно затравочные кристаллы C-S-H присутствуют в концентрации, составляющей от приблизительно 0,05% до приблизительно 7% по отношению к массе цемента.

Предпочтительно цементная композиция дополнительно содержит латексную добавку. Латексная добавка может представлять собой суспензию, содержащую твердые каучуковые частицы в качестве дисперсной фазы и жидкость в качестве непрерывной фазы. Каучуковые частицы можно выбирать из группы, которую составляют цис-1,4-полиизопреновый каучук, стирол-бутадиеновый каучук (SBR), высокий стирольный каучук, бутилкаучук, этиленпропиленовые каучуки (EPM и EPDM), неопреновый каучук, нитрильный каучук, кремнийорганический каучук, хлорсульфированный полиэтиленовый каучук, сшитый полиэтиленовый каучук, эпихлоргидриновый каучук, фторуглеродный каучук, фторокремнийорганический каучук, полиуретановый каучук, полиакриловый каучук, полисульфидный каучук, AMPS-стирол-бутадиеновый каучук, модифицированные типы любого из перечисленных выше каучуков и их сочетания.

Предпочтительно цементная композиция имеет продолжительность загустевания, составляющую от приблизительно 4 до приблизительно 15 часов при температуре 60°F (15,6°C) и давлении 5000 фунт/кв. дюйм (34,5 МПа).

Предпочтительно цементная композиция имеет продолжительность начального затвердевания, составляющую менее чем 24 часов при температуре 60°F (15,6°C) и давлении 3000 фунт/кв. дюйм (20,7 МПа).

Предпочтительно цементная композиция имеет продолжительность затвердевания, составляющую менее чем 48 часов при температуре 60°F (15,6°C).

Предпочтительно цементная композиция имеет сопротивление сжатию, составляющее от приблизительно 1000 до приблизительно 5000 фунт/кв. дюйм (от приблизительно 6,9 до приблизительно 34,5 МПа) при исследовании в течение 24 часов при температуре 60°F (15,6°C) и давлении 3000 фунт/кв. дюйм (20,7 МПа).

Предпочтительно цементная композиция имеет продолжительность перехода, составляющую менее чем 1 час при использовании процедуры статического напряжения сдвига SGSA при температуре 155°F (68,3°C) и давлении 4500 фунт/кв. дюйм (31 МПа).

Предпочтительно цементная композиция имеет продолжительность перехода, составляющую менее чем 50 минут при использовании процедуры статического напряжения сдвига Mini MACS при температуре 60°F (15,6°C) и давлении 5000 фунт/кв. дюйм (34,5 МПа).

Предпочтительно цементная композиция дополнительно включает, по меньшей мере, одну добавку. По меньшей мере, одну добавку можно выбирать из группы, которую составляют наполнитель, препятствующая потере текучей среды добавка, замедлитель затвердевания, понизитель трения, препятствующая снижению прочности добавка, понизитель плотности, пеногаситель, утяжелитель, улучшающая механические свойства добавка, пластозакупоривающий материал, понизитель фильтрации, тиксотропная добавка и их сочетания.

Предпочтительно подземный пласт имеет температуру на забое скважины, составляющую от приблизительно 60°F до приблизительно 120°F (от приблизительно 15,6°C до приблизительно 48,9°C).

Предпочтительно способ дополнительно содержит стадию определения максимальной объемной доли твердой фазы перед стадией введения.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения, предложен способ цементирования в подземном пласте, включающий введение цементной композиции в подземный пласт, причем цементная композиция содержит цемент, воду и затравочные кристаллы гидратированного силиката кальция (C-S-H); затравочные кристаллы C-S-H присутствуют, по меньшей мере, в достаточной концентрации, таким образом, что цементная композиция развивает сопротивление сжатию, составляющее, по меньшей мере, 1200 фунт/кв. дюйм (8,3 МПа) при исследовании в течение 24 часов при температуре 60°F (15,6°C) и давлении 3000 фунт/кв. дюйм (20,7 МПа), в то время как практически идентичная цементная композиция без затравочных кристаллов C-S-H, развивает сопротивление сжатию, составляющее менее чем 1200 фунт/кв. дюйм (8,3 МПа) при исследовании в течение 24 часов при температуре 60°F (15,6°C) и давлении 3000 фунт/кв. дюйм (20,7 МПа); и выдерживание цементной композиции для затвердевания.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения, предложен способ цементирования в подземном пласте, включающий введение цементной композиции в подземный пласт, причем цементная композиция содержит цемент, воду и затравочные кристаллы гидратированного силиката кальция (C-S-H), затравочные кристаллы C-S-H представляют собой мезоскопические частицы, наночастицы, или их сочетания, и в затравочные кристаллы C-S-H присутствуют в концентрации, составляющей от приблизительно 1% до приблизительно 5% по отношению к массе цемента; и выдерживание цементной композиции для затвердевания.

Краткое описание чертежа

Отличительные особенности и преимущества определенных вариантов осуществления можно будет проще оценивать при рассмотрении в сочетании с сопровождающим чертежом. Данный чертеж не следует истолковывать как ограничивающий какой-либо из предпочтительных вариантов осуществления.

Фиг. 1 представляет график зависимости консистенции (Be) (Be означают единицы консистенции Бердена (Bearden)) от времени (час:мин:сек), иллюстрирующий продолжительность загустевания при температуре 60°F (15,6°C) и давлении 5000 фунт/кв. дюйм (34,5 МПа) для четырех различных цементных композиций, у которых плотность составляет 15,8 фунтов на галлон (фунт/галлон) (1,9 килограмма на литр (кг/л)). Цементные композиции содержали цемент класса G, деионизированную (DI) воду, 0,05 галлонов на мешок цемента (галлон/мешок, 4,44·10^-3 л/кг) пеногасителя D-AI 3000L™ и переменные концентрации затравочных кристаллов C-S-H. Затравочные кристаллы C-S-H представляли собой X-SEED® 100, которые поставляет компания BASF.

Подробное описание

При использовании в настоящем документе каждое из слов «содержат», «имеют», «включают» и всех их грамматических форм предназначено как имеющее открытое неограниченное значение, которое не исключает дополнительные элементы или стадии.

При использовании в настоящем документе выражение «состоящий, в основном, из» и все соответствующие грамматические формы предназначены для ограничения объема формулы изобретения заявленными материалами или стадиями, а также теми, которые не оказывают существенного влияния на основные и новые характеристики заявляемого в настоящем документе изобретения. Например, исследуемая цементная композиция может состоять, в основном, из цемента, воды и затравочных кристаллов C-S-H. Исследуемая цементная композиция может включать другие ингредиенты при том условии, что присутствие других ингредиентов не оказывает существенного влияния на основные и новые характеристики заявляемого в настоящем документе изобретения.

При использовании в настоящем документе «текучая среда» представляет собой вещество, образующее непрерывную фазу, которое склонна к тому, чтобы течь и принимать форму своего контейнера, когда вещество исследуют при температуре 71°F (22°C) и давлении, составляющем одну атмосферу (атм) или 0,1 мегапаскалей (МПа). Текучая среда может представлять собой жидкость или газ. Гомогенная текучая среда содержит только одну фазу, в то время как гетерогенная текучая среда содержит более чем одну отдельную фазу. Коллоидный раствор представляет собой пример гетерогенной текучей среды. Коллоидный раствор может представлять собой суспензию, которая включает непрерывную жидкую фазу и нерастворимые твердые частицы в качестве дисперсной фазы; эмульсию, которая включает непрерывную жидкую фазу и, по меньшей мере, одну дисперсную фазу из капель несмешивающейся жидкости; или пену, которая включает непрерывную жидкую фазу и газ в качестве дисперсной фазы.

При использовании в настоящем документе «цементная композиция» представляет собой смесь, по меньшей мере, цемента и воды. Цементная композиция может включать добавки. При использовании в настоящем документе термин «цемент» означает первоначально сухое вещество, которое в присутствии воды действует как связующий материал, который соединяет другие материалы друг с другом. Пример цемента представляет собой портландцемент. Цементная композиция, как правило, представляет собой суспензию, где водой образована непрерывная фазу суспензии, и цементом (а также любыми другими нерастворимыми частицами) образована дисперсная фаза. Непрерывная фаза цементной композиции может включать растворенные твердые вещества.

Углеводороды в виде нефти и газа встречаются в природе в некоторых подземных пластах. Подземный пласт, содержащий нефть или газ, иногда называют термином «резервуар». Резервуар может быть расположен под сушей или под морским дном. Резервуары, как правило, расположены на глубине, составляющей от нескольких сот футов (неглубокие резервуары) до нескольких десятков тысяч футов (сверхглубокие резервуары). Чтобы добывать нефть или газ, ствол скважины бурят в резервуар или вблизи резервуара.

Скважина может включать, без ограничения, нефтяную, газовую, водяную или нагнетательную скважину. При использовании в настоящем документе термин «скважина» включает, по меньшей мере, один ствол скважины. Ствол скважины может включать вертикальные, наклонные и горизонтальные части, причем он может быть прямым, изогнутым или разветвленным. При использовании в настоящем документе термин «ствол скважины» включает любые обсаженные, а также и любые необсаженные или открытые части ствола скважины. Область около ствола скважины представляет собой подземные материалы и горные породы подземного пласта, окружающего ствол скважины. При использовании в настоящем документе термин «скважина» также включает область около ствола скважины. В качестве этой области около ствола скважины, как правило, рассматривают область в пределах приблизительно 100 футов (приблизительно 30 метров) от ствола скважины. При использовании в настоящем документе термин «в скважину» означает и включает вход в любую часть скважины, в том числе в ствол скважины или в область около ствола скважины через ствол скважины.

Часть ствола скважины может представлять собой необсаженную скважину или обсаженную скважину. В необсаженной части ствола скважины колонну насосно-компрессорных труб можно поместить в ствол скважины. Колонна насосно-компрессорных труб позволяет текучим средам поступать в ствол скважины или двигаться из его дальней части. В обсаженной части ствола скважины колонну обсадных труб помещают в ствол скважины, который может также содержать колонну насосно-компрессорных труб. Ствол скважины может содержать кольцевое пространство. Примеры кольцевого пространства включают, но не ограничиваются этим, пространство между стволом скважины и внешней поверхностью колонны насосно-компрессорных труб в необсаженном стволе скважины; пространство между стволом скважины и внешней поверхностью колонны обсадных труб в обсаженном стволе скважины; и пространство между внутренней поверхностью колонны обсадных труб и внешней поверхностью колонны насосно-компрессорных труб в обсаженном стволе скважины.

В процессе заканчивания скважины обычно вводят цементную композицию в кольцевое пространство ствола скважины. Например, в обсаженном стволе скважины цементную композицию можно помещать внутрь и оставлять для затвердевания в кольцевом пространстве между стволом скважины и колонной обсадных труб, чтобы стабилизировать и укреплять колонну обсадных труб в стволе скважины. Посредством цементирования колонны обсадных труб в стволе скважины предотвращают движение текучих сред в кольцевое пространство. Соответственно, нефть или газ можно добывать в регулируемом режиме, направляя поток нефти или газа через колонну обсадных труб и в устье скважины. Цементные композиции можно также использовать в операциях первичного или вторичного цементирования, а также в операциях закупоривания скважины, цементирования под давлением или заполнения скважинного фильтра гравием.

Цемент, как правило, минералы четырех основных типов. Цемент может также включать и другие минералы в дополнение к этим четырем основным типам. Минералы в цементе обычно называются фазами цемента. Четыре основных фазы цемента представляют собой алит, белит, алюминат и феррит.

«Алит» представляет собой наименование трисиликата кальция, и «белит» представляет собой наименование дисиликата кальция. Специалисты по химии цемента часто сокращенно называют алит термином C₃S и белит термином C₂S. Оба материала (алит и белит) отличаются по составу от чистого трисиликата кальция и дисиликата кальция, потому что каждый из них содержит незначительные количества других оксидов, помимо оксида кальция (CaO) и диоксида кремния (SiO₂).

«Алюминат» представляет собой наименование трикальцийалюмината, который специалисты по химии цемента сокращенно называют термином C₃A. Алюминат отличается по составу от чистого трикальцийалюмината, потому что он содержит незначительные количества других оксидов, помимо CaO и оксида алюминия (Al₂O₃). «Феррит» представляет собой наименование тетракальцийалюмоферрита, который специалисты по химии цемента сокращенно называют термином C₄AF. Феррит отличается по составу от чистого тетракальцийалюмоферрита, потому что он содержит незначительные количества других оксидов, помимо CaO, Al₂O₃ и оксида железа (Fe₂O₃).

Когда цемент смешивают с водой, разнообразные фазы цемента могут вступать в реакцию гидратации и образовывать продукты гидратации. Силикатные фазы (алит и белит) образуют продукты гидратации, включая, по меньшей мере, гидратированный силикат кальция и гидроксид кальция (специалисты по химии цемента сокращенно называют его термином CH). Гидратированный силикат кальция часто называют сокращенным термином C-S-H. Дефисы означают, что не подразумевается строгое соотношение CaO и SiO₂. Фазы алюмината и феррита могут образовывать разнообразные продукты гидратации, в том числе гидрогранат, эттрингит и моносульфоалюминат, в зависимости от количества гипса, присутствующего в цементе.

Вскоре после смешивания цемента с водой алюминат очень быстро реагирует с водой, образуя обогащенный алюминатом гель. Эта реакция является в высокой степени экзотермической, но, как правило, продолжается лишь в течение нескольких минут после смешивания. После этой стадии реакции гидратация обычно следуют несколько часов относительно низкого выделения тепла, что иногда называют термином «стадия покоя». Когда происходит стадия покоя, цементная композиция может находиться в месте, подлежащем цементированию. В конечном счете, цементная композиция становится чрезмерно вязкой, чтобы ее можно было расположить в желательном месте. После окончания стадии покоя алит и белит начинают реагировать с водой, образуя соответствующие продукты гидратации. Продукты гидратации занимают больший объем в цементной композиции по сравнению с твердыми фазами. Соответственно, цементная композиция превращается из вязкой суспензии в жесткий твердый материал. C-S-H может составлять вплоть до 70% объема матрицы цементной композиции и именно он в первую очередь придает цементная композиция ее механические свойства, такие как сопротивление сжатию.

Все фазы цемента, как правило, реагируют с различными скоростями, образуя соответствующие продукты гидратации. Некоторые из факторов, которые могут влиять на скорость реакции разнообразных фаз цемента и воды включают тип реагентов, физическое состояние реагентов, концентрации реагентов по отношению друг к другу и температуру. Четыре основные фазы цемента находятся в такой последовательности скоростей реакции исключительно на основании типа реагентов: алюминат (C₃A)>алит (C₃S)>белит (C₂S) и феррит (C₄AF). Например, алит быстро гидратируется и затвердевает и несет ответственность за начальное затвердевание и ранее сопротивление сжатию цементной композиции. Напротив, белит медленнее гидратируется и затвердевает и способствует развитию сопротивления сжатию цементной композиции в более поздние сроки (как правило, через 7 суток после смешивание).

Физическое состояние реагентов может также влиять на скорость реакции. Когда реагенты находятся в различных фазах, т. е. твердой, жидкой или газовой, то скорость реакции является ограниченной границей раздела между реагентами. Например, алит является твердым, и когда его смешивают с жидкой водой, удельная поверхность алита имеет значение для скорости реакции между алитом и водой. Путем увеличения удельной поверхности твердого материала, такого как алит, можно увеличивать скорость его реакции в жидкой фазе.

Концентрации реагентов и температура могут также влиять на скорость реакции. Как правило, когда увеличивается концентрация одного из реагентов, увеличивается также и скорость реакции. Кроме того, когда увеличивается температура, как правило, увеличивается скорость реакции. Однако обычно существует максимальное увеличение скорости реакции, таким образом, что в некоторой точке скорость реакции больше не увеличивается, несмотря на увеличение концентрации реагента или температуры.

Твердые частицы можно в широком смысле описать как соответствующие следующим интервалам размеров: объемные частицы, мезоскопические частицы и наночастицы. При использовании в настоящем документе термин «объемная частица» означает частицу, у которой размер составляет более чем 1 микрометр (микрон или мкм). При использовании в настоящем документе термин «мезоскопические частица» означает частицу, у которой размер составляет от 1 мкм до 0,1 мкм. При использовании в настоящем документе термин «наночастица» означает частицу, у которой размер составляет менее чем 0,1 мкм. При использовании в настоящем документе термин «размер частиц» означает средний диаметр по отношению к объему и удельной поверхности (Ds), который связан с площадью поверхности частицы. Средний диаметр по отношению к объему и удельной поверхности можно определить следующим уравнением: Ds=6/(Φ_sA_wρ_p), где Φ_s представляет собой сферичность, A_w представляет собой удельную поверхность, и ρ_p представляет собой плотность частиц. Вследствие малого размера наночастиц их производство может оказаться достаточно дорогостоящим. Напротив, производство мезоскопических частиц может оказаться дешевле. Чтобы уменьшить расходы, связанные с операциями цементирования, добавки, которые представляют собой мезоскопические частицы, могут быть более предпочтительными, чем наночастицы.

Размер частиц может влиять на физические свойства частиц. Например, когда размер системы частица уменьшается ниже размера объемных частиц, может происходить больше изменений физических свойств частиц. Это известно как квантовый эффект размера. Квантовый эффект размера означает, что физические свойства твердых веществ изменяются при значительных уменьшениях размера частиц. Квантовый эффект размера становится преобладающим в наночастицах; однако квантовый эффект размера можно также наблюдать также и в случае мезоскопических частиц. Квантовый эффект размера, как правило, не наблюдается для объемных частиц. Один пример изменения физических свойств представляет собой увеличение соотношения площади поверхности и объема частиц. Это увеличение соотношения площади поверхности и объема создает повышенную поверхностную энергию частиц. Эта повышенная поверхностная энергия означает, что создается более значительный контакт частицами и реагентом, в результате чего повышается скорость реакция между частицами и реагентом. Для цементной композиции повышенная поверхностная энергия позволяет фазам цемента реагировать с большей скоростью, и в результате этого улучшаются некоторые из физических свойств цементной композиции, например, продолжительность загустевания или сопротивление сжатию.

В процессе операции цементирования желательно, чтобы цементная композиция сохраняла пригодность к перекачиванию во время введения в подземный пласт и до тех пор, пока цементная композиция не будет находиться в подлежащей цементированию части подземного пласта. После того, как цементная композиция оказывается в подлежащей цементированию части подземного пласта, цементная композиция может окончательно затвердевать. Цементная композиция, которая загустевает чрезмерно быстро в процессе перекачивания, может повредить насосное оборудование или блокировать трубы или трубопроводы. Цементная композиция, которая затвердевает чрезмерно медленно, может привести к увеличению расходов времени и средств на ожидание затвердевания данной композиции.

Если для какого-либо исследования (например, продолжительности загустевания или сопротивления сжатию) требуется стадия смешивания, то цементную композицию смешивают согласно следующей процедуре. Воду вводят в смесительный контейнер, и контейнер затем помещают на основание смесителя. Мотор основания затем включают, и он работает при скорости 4000 оборотов в минуту (об/мин). Цемент и любые другие ингредиенты вводят в контейнер с постоянной скоростью в течение не более чем 15 секунд (с). После введения всего количества цемента и любых других ингредиентов в контейнер, содержащий воду, этот контейнер закрывают крышкой, и цементную композицию перемешивают при 12000 об/мин (+/-500 об/мин) в течение 35 с (+/-1 с). Следует понимать, что цементную композицию перемешивают при температуре и давлении окружающей среды, которые составляют, соответственно, приблизительно 71°F (приблизительно 22°C) и приблизительно 1 атм. (приблизительно 0,1 МПа).

Кроме того, следует понимать, что если для какого-либо исследования (например, продолжительности загустевания или сопротивления сжатию) требуется проведение исследования при определенной температуре и, возможно, определенном давлении, то температуру и давление цементной композиции доводят до заданных значений температуры и давления после перемешивания при температуре и давлении окружающей среды. Например, цементную композицию можно перемешивать при 71°F (22°C) и 1 атм. (0,1 МПа) и затем помещать в устройство для исследования, и тогда температуру цементной композиции можно доводить до заданной температуры. При использовании в настоящем документе скорость изменения температуры составляет от приблизительно 3°F/мин до приблизительно 5°F/мин (от приблизительно 1,67°C/мин до приблизительно 2,78°C/мин). После доведения цементной композиции до заданной температуры и, возможно, заданного давления цементную композицию выдерживают при этих значениях температуры и давления в процессе исследования.

При использовании в настоящем документе термин «продолжительность загустевания» представляет собой время, которое проходит до тех пор, пока цементная композиция не становится непригодной для перекачивания при определенных значениях температуры и давления. Пригодность для перекачивания цементной композиции связана с консистенцией композиции. Консистенцию цементной композиции измеряют, используя единицу консистенции Бердена (Be), безразмерную единицу, для которой отсутствует коэффициент прямого пересчета в более распространенные единицы вязкости. При использовании в настоящем документе цементная композиция становится непригодной для перекачивания, когда консистенция композиции достигает 70 Be. При использовании в настоящем документе консистенцию цементной композиции измеряют следующим образом. Цементную композицию перемешивают. Цементную композицию затем помещают для исследования в ячейку работающего при высокой температуре и высоком давлении (HTHP) консистометра, такого как FAN® модели 275 или Chandler модели 8240. Измерения консистенции осуществляют непрерывно до тех пор, пока цементная композиция не превысит уровня 70 Be.

Цементная композиция способна развивать сопротивление сжатию. Сопротивление сжатию цементных композиций может составлять от 0 фунт/кв. дюйм до более чем 10000 фунт/кв. дюйм (от 0 до более чем 69 МПа). Сопротивление сжатию, как правило, измеряют в заданное время после того, как композицию перемешивают, причем при заданных значениях температуры и давления. Сопротивление сжатию можно измерять, например, через 24 часа. Неразрушающим способом сопротивление сжатию непрерывно измеряют у исследуемого на сопротивление сжатию образца цементной композиции в процессе исследования, используя неразрушающее ультразвуковое устройство, такое как ультразвуковой анализатор цемента (UCA), который поставляет компания FANN® Instruments (Хьюстон, штат Техас, США). При использовании в настоящем документе «сопротивление сжатию» цементной композиции измеряют, используя неразрушающий способ, в определенное время при заданных значениях температуры и давления, следующим образом. Цементную композицию перемешивают. Цементную композицию затем помещают в ультразвуковой анализатор цемента и исследуют при заданных значениях температуры и давления. Устройство UCA непрерывно измеряет время прохождения звукового сигнала через образец. Устройство UCA содержит предварительно установленные алгоритмы, которые пересчитывают время прохождения сигнала в сопротивление сжатию. Устройство UCA регистрирует сопротивление сжатию цементной композиции в единицах давления, таких как фунт/кв. дюйм или МПа.

Сопротивление сжатию цементной композиции можно использовать как показатель начального или полного затвердевания цементной композиции. При использовании в настоящем документе цементная композиция считается первоначально затвердевшей, когда цементная композиция развивает сопротивление сжатию, составляющее 50 фунт/кв. дюйм (0,3 МПа) при заданных значениях температуры и давления. При использовании в настоящем документе термин «продолжительность начального затвердевания» представляет собой продолжительность периода времени между введением цемента и любых других ингредиентов в воду и начальным затвердеванием композиции.

При использовании в настоящем документе термин «затвердевание» и все его грамматические формы предназначены для описания процесса приобретения прочности или твердости путем отверждения. При использовании в настоящем документе термин «продолжительность затвердевания» представляет собой продолжительность периода времени между введением цемента и любых других ингредиентов в воду и затвердеванием композиции при заданной температуре. Затвердевание цементной композиции может происходить вплоть до 48 часов или занимать более продолжительное время. Некоторые цементные композиции могут продолжать развитие сопротивления сжатию в течение нескольких суток. Сопротивление сжатию цементной композиции может достигать уровня, превышающего 10000 фунт/кв. дюйм (69 МПа).

Чтобы способствовать улучшению некоторых физических или механических свойств цементной композиции, затравочные кристаллы C-S-H можно вводить в цементную композицию. При использовании в настоящем документе термин «затравочные кристаллы C-S-H» означает твердые частицы C-S-H и не включает любой C-S-H, образующийся в реакция гидратации любых фаз цемента и воды в цементной композиции. При введении затравочных кристаллов C-S-H в цементную композицию затравочные кристаллы C-S-H создают дополнительные центры кристаллизации в фазах цемента, и в результате этого увеличивается скорость реакций гидратации этих фаз. При увеличении скорости реакций гидратации могут улучшаться некоторые из свойств цементной композиции. Например, может уменьшаться продолжительность начального затвердевания и продолжительность затвердевания цементной композиции, содержащей затравочные кристаллы C-S-H.

Одна из целей операции цементирования может заключаться в том, чтобы изолировать часть ствола скважины и предотвращать движение текучих сред через цементную композицию в другие области ствола скважины. В качестве примера движения текучей среды через цементную композицию можно привести миграцию газа. Миграция газа вызвана потерей гидростатического давления в некоторый момент времени, прежде чем цементная композиция достигает достаточно высокого уровня статического напряжения сдвига, чтобы сопротивляться газовому потоку через цементную композицию.

Статическое напряжение сдвига представляет собой развитие жесткости в объеме матрицы цементной композиции, которая заставляет цементную композицию сопротивляться приложенной к ней силе. Цементная композиция, имеющая статическое напряжение сдвига, составляющее менее чем 100 фунт/100 кв. футов (4,88 кг/м²), представляет собой относительно текучую среду, которая способна течь и передавать гидростатическое давление. Статическое напряжение сдвига цементной композиции можно измерять, используя разнообразное оборудование для исследований. Статическое напряжение сдвига цементной композиции обычно выражают в единицах массы на единицу площади, например, в фунтах на квадратный фут (фунт/кв. фут).

При использовании в настоящем документе «статическое напряжение сдвига SGSA» цементной композиции измеряют следующим образом. Цементную композицию перемешивают. Цементную композицию затем помещают в анализатор статического напряжения (SGSA), такой как SGSA Chandler, и исследуют при заданных значениях температуры и давления. Устройство SGSA непрерывно измеряет время прохождения звукового сигнала через образец. Устройство SGSA содержит предварительно установленные алгоритмы, которые пересчитывают время прохождения сигнала в статическое напряжение сдвига.

При использовании в настоящем документе «статическое напряжение сдвига Mini MACS» (мини-система многофакторного анализа цемента) цементной композиции измеряют следующим образом. Цементную композицию перемешивают. Цементную композицию затем помещают в анализатор Mini MACS. Цементную композицию нагревают до заданной температуры, подвергают заданному давлению и перемешивают при скорости 150 оборотов в минуту (об/мин) до тех пор, пока не будет достигнуто предполагаемое время выдерживания. Лопасть анализатора Mini MACS вращается со скоростью 0,2°/мин, и при этом измеряют сопротивление сдвигу на лопасти. Сопротивление сдвигу на лопасти затем пересчитывают в статическое напряжение сдвига цементной композиции.

При использовании в настоящем документе термин «продолжительность начального загустевания» представляет собой продолжительность периода времени между смешиванием цементной композиции и достижением цементной композицией статического напряжения сдвига, составляющего 100 фунт/100 кв. футов. После достижения 100 фунт/100 кв. футов (4,88 кг/м²) цементная композиция может продолжать развитие статическое напряжение сдвига. Когда цементная композиция развивает статическое напряжение сдвига, составляющее, по меньшей мере, 500 фунт/100 кв. футов (24,4 кг/м²), цементная композиция, как правило, больше не теряет гидростатическое давление, и, таким образом, миграция газа может в существенной степени уменьшаться или может совсем прекращаться. При использовании в настоящем документе термин «продолжительность перехода» представляет собой время, которое требуется для увеличения статического напряжения сдвига цементной композиции от 100 фунт/100 кв. футов (4,88 кг/м²) до 500 фунт/100 кв. футов (24,4 кг/м²). Желательно сокращать продолжительность перехода, насколько это возможно.

Добавку можно включать в цементную композицию, чтобы способствовать устранению или ограничению миграции газа. Пример такой добавки представляет собой латекс. Латексом называется суспензия, состоящая из твердых каучуковых частиц в качестве дисперсной фазы и жидкости в качестве непрерывной фазы. Как правило, вода представляет собой непрерывную фазу суспензии. Примеры подходящих каучуковых частиц включают натуральный каучук (цис-1,4-полиизопрен), в том числе большинство его модифицированных типов, и синтетические полимеры разнообразных типов, в том числе стирол-бутадиеновый каучук (SBR), цис-1,4-полибутадиеновый каучук и его смеси с натуральным каучуком или стирол-бутадиеновым каучуком, высокостирольный каучук, бутилкаучук, этиленпропиленовые каучуки (EPM и EPDM), неопреновый каучук, нитрильный каучук, цис-1,4-полиизопреновый каучук, кремнийорганический каучук, хлорсульфированный полиэтиленовый каучук, сшитый полиэтиленовый каучук, эпихлоргидриновый каучук, фторуглеродный каучук, фторокремнийорганический каучук, полиуретановый каучук, полиакриловый каучук, полисульфидный каучук, AMPS-стирол-бутадиеновый каучук и их сочетания. Термин «AMPS» означает 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновую кислоту или ее соли. Примеры подходящих латексных добавок можно найти в следующих документах: патент США № 5293938, выданный David D. Onan, Garland W. Davis, Roger S. Cromwell и Wendell D. Riley 15 марта 1994 г.; патент США № 5688844, выданный Jiten Chatterji, Bobby J. King, Patty L. Totten и David D. Onan 18 ноября 1997 г.; и патент США № 7784542 B2, выданный Craig W. Roddy, Jiten Chatterji, Roger Cromwell, Rahul Chandrakant Patil, Abhijit Tarafdar, Abhimanyu Deshpande и Christopher Lynn Gordon 31 августа 2010 г., причем каждый их этих патентов во всей своей полноте включен в настоящий документ посредством данной ссылки во всех целях. Обычно включают другие добавки в цементную композицию, содержащую латексную добавку. Например, в цементную композицию можно вводит вулканизирующие реагенты для каучука и латексные стабилизаторы. Примеры подходящих вулканизирующих реагентов включают серу, органические пероксидные соединения, азосоединения, фенольные отвердители, производные бензохинона, бисмалеимиды, селен, теллур, нитросоединения, смолы, оксиды металлов и органические соединения серы, такие как алкилтиурамдисульфиды, с которыми можно ознакомиться в патенте США № 5293938. Примеры подходящих латексных стабилизаторов включают, этоксилированный нонилфенол, содержащий от 15 от приблизительно 15 до приблизительно 40 моль этиленоксида, а также натриевую соль сульфонированного и этоксилированного соединения, имеющего формулу H(CH₂)_12-15, с которой можно ознакомиться в патенте США № 5688844.

Однако некоторые добавки, используемые для ускорения затвердевания цементной композиции, могут вступать в неблагоприятные взаимодействия с латексной добавкой. В результате цементные композиции, содержащие латексную добавку и ускоритель затвердевания, могут иметь пониженное сопротивление сжатию и могут медленнее развивать сопротивление сжатию или статическое напряжение сдвига. Более того, цементные композиции, содержащие латексную добавку, могут иметь пониженное сопротивление сжатию и могут медленнее развивать сопротивление сжатию или статическое напряж