Активаторы схватывания цемента для цементных композиций и соответствующие способы

Активаторы схватывания цемента для цементных композиций и соответствующие способы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Уровень техники

[0001] Варианты реализации настоящего изобретения относятся к операциям подземного цементирования и в некоторых вариантах реализации к цементным композициям с отсроченным схватыванием и способам применения цементных композиций с отсроченным схватыванием в подземных пластах.

[0002] Цементные композиции могут быть использованы в различных подземных операциях. Например, при строительстве подземной скважины колонна труб (например, обсадная колонна, хвостовики, расширяемые трубные элементы и т.д.) может быть опущена в ствол скважины и зацементирована на месте. Процесс цементирования колонны труб на месте обычно называют «первичным цементированием». В обычном способе первичного цементирования цементная композиция может быть закачана в кольцевой зазор между стенками ствола скважины и внешней поверхностью колонны труб, расположенной в нем. Цементная композиция может схватываться в кольцевом зазоре, образуя кольцевую оболочку из затвердевшего, по существу, непроницаемого цемента (т.е. цементную оболочку), которая может поддерживать и удерживать на месте колонну труб в стволе скважины, и может связывать внешнюю поверхность колонны труб с подземным пластом. Помимо прочего, цементная оболочка, окружающая колонну труб, препятствует миграции текучих сред в кольцевой зазор и защищает колонну труб от коррозии. Цементные композиции также могут быть использованы в способах ремонтного цементирования для герметизации трещин или отверстий в колоннах труб или цементных оболочках, для герметизации высокопроницаемых зон или трещин пласта или для установки цементной пробки и т.п.

[0003] В операциях подземного цементирования используют множество различных цементных композиций. В некоторых случаях используют цементные композиции с отсроченным схватыванием. Цементные композиции с отсроченным схватыванием характеризуются тем, что они остаются в текучем состоянии, пригодном для перекачивания насосом, в течение по меньшей мере примерно одного дня (например, примерно 7 дней, примерно 2 недель, примерно 2 лет или более) при комнатной температуре (например, примерно 80°F (27°C)) при хранении в покое. При необходимости применения, цементные композиции с отсроченным схватыванием должны быть способны к активации с последующим развитием требуемой прочности на сжатие. Например, в цементную композицию с отсроченным схватыванием может быть добавлен активатор схватывания цемента для инициации схватывания композиции в затвердевшую массу. Среди прочего, цементные композиции с отсроченным схватыванием могут быть пригодны для применения в таких применениях в стволе скважины, в которых необходимо получить цементную композицию заранее. Это может обеспечивать возможность хранения цементной композиции до применения. Кроме того, это может обеспечивать возможность получения цементной композиции в удобном месте с последующей транспортировкой на рабочую площадку. Соответственно, могут быть снижены капитальные затраты благодаря уменьшению потребности в бестарном хранении на площадке и смесительном оборудовании. Это может быть особенно полезно для шельфовых операций цементирования, где пространство на борту для установки емкостей может быть ограничено.

[0004] Несмотря на то, что до настоящего времени разработаны цементные композиции с отсроченным схватыванием, существуют проблемы их успешного применения в операциях подземного цементирования. Например, цементные композиции с отсроченным схватыванием, полученные с применением портландцемента, могут иметь нежелательные проблемы гелеобразования, которые могут ограничивать их применение и эффективность в операциях цементирования. Другие разработанные композиции с отсроченным схватыванием, например, композиции, содержащие гашеную известь и кварц, могут быть эффективными для некоторых операций, но могут иметь ограниченное применение при более низких температурах, поскольку они не могут развивать достаточную прочность на сжатие при использовании в подземных пластах, имеющих более низкие статические температуры на забое скважины. Кроме того, активировать некоторые цементные композиции с отсроченным схватыванием при сохранении приемлемого времени загустевания и развития прочности на сжатие может быть проблематичным.

Краткое описание чертежей

[0005] Указанные чертежи иллюстрируют некоторые аспекты некоторых вариантов реализации способов и композиций согласно настоящему изобретению, и их не следует использовать для ограничения или определения границ объема указанных способов или композиций.

[0006] На фиг. 1 изображена система для получения и доставки цементной композиции в ствол скважины в соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения.

[0007] На фиг. 2А изображено наземное оборудование, которое может быть использовано для укладки цементной композиции в ствол скважины в соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения.

[0008] На фиг. 2B изображена укладка цементной композиции в кольцевое пространство ствола скважины в соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения.

Описание предпочтительных вариантов реализации изобретения

[0009] Варианты реализации настоящего изобретения относятся к операциям подземного цементирования и в некоторых вариантах реализации к цементным композициям с отсроченным схватыванием и способам применения цементных композиций с отсроченным схватыванием в подземных пластах. Согласно конкретным вариантам реализации изобретения предложены усовершенствованные активаторы схватывания цемента, которые применяют для активации цементных композиций, содержащих пуццолановые материалы, которые содержат замедлитель схватывания цемента, имеют длительное время схватывания и/или обладают недостаточной начальной прочностью.

[0010] Варианты реализации цементных композиций с отсроченным схватыванием могут, как правило, содержать воду, пуццолан и гашеную известь. Необязательно цементные композиции могут дополнительно содержать диспергатор и/или замедлитель схватывания цемента. Преимущественно, варианты реализации цементных композиций с отсроченным схватыванием могут быть способны сохраняться в жидком состоянии, пригодном для перекачивания насосом, в течение продолжительного периода времени. Например, цементные композиции с отсроченным схватыванием могут сохраняться в жидком состоянии, пригодном для перекачивания насосом, в течение по меньшей мере примерно 1 дня или дольше. Преимущественно, цементные композиции с отсроченным схватыванием могут развивать требуемую прочность при сжатии после активации при относительно низких температурах. При том, что цементные композиции с отсроченным схватыванием могут быть пригодны для многих операций подземного цементирования, они могут быть особенно подходящими для использования в подземных пластах с относительно низкими статическими температурами на забое скважины, например, температурами ниже, чем примерно 200°F (93°C) или находящимися в диапазоне от примерно 100°F (38°C) до примерно 200°F (93°C). В альтернативных вариантах реализации изобретения, цементные композиции с отсроченным схватыванием могут использоваться в подземных пластах со статическими температурами на забое скважины вплоть до 450°F (232°C) или выше.

[0011] Вода, используемая в различных вариантах реализации, может быть из любого источника, при условии, что она не содержит избытка соединений, которые могут неблагоприятно влиять на другие компоненты цементных композиций с отсроченным схватыванием. Например, цементная композиция может содержать пресную воду или соленую воду. Соленая вода, как правило, может содержать одну или более солей, растворенных в ней, и может быть насыщенной или ненасыщенной, как требуется для конкретного применения. Для применения в различных вариантах реализации может быть пригодна морская вода или рассолы. Кроме того, вода может присутствовать в количестве, достаточном для получения раствора, пригодного для перекачивания насосом. В некоторых вариантах реализации изобретения вода может присутствовать в цементных композициях с отсроченным схватыванием в количестве в диапазоне от примерно 33% до примерно 200% относительно массы пуццолана. В некоторых вариантах реализации изобретения вода может присутствовать в цементных композициях с отсроченным схватыванием в количестве в диапазоне от примерно 35% до примерно 70% относительно массы пуццолана. Специалисты в данной области техники с помощью настоящего описания могут определить подходящее количество воды для выбранного применения.

[0012] Варианты реализации цементных композиций с отсроченным схватыванием могут содержать пуццолан. Для применения в различных вариантах реализации подходит любой пуццолан. Иллюстративные варианты реализации, содержащие пуццолан, могут содержать золу-унос, кварцевую пыль, метакаолин, природный пуццолан (например, пемзу) или их комбинации.

[0013] Пример подходящего пуццолана может включать золу-унос. Могут быть пригодны различные типы золы-уноса, включая золу-унос, классифицированную Американским нефтяным институтом как зола-унос класса С и класса F, API Specification for Materials and Testing for Well Cements, API Specification 10, пятое изд., 1 июля, 1990. Зола-унос класса С содержит одновременно диоксид кремния и известь, поэтому при смешивании с водой она может схватываться с получением затвердевшей массы. Зола-унос класса F, как правило, не содержит достаточного количества извести для инициации реакции цементирования, поэтому для цементной композиции с отсроченным схватыванием, содержащей золу-унос класса F, необходим дополнительный источник ионов кальция. В некоторых вариантах реализации изобретения с золой-уносом класса F можно смешивать известь в количестве в диапазоне от примерно 0,1% до примерно 100% относительно массы золы-уноса. В некоторых случаях известь может представлять собой гашеную известь. Подходящие примеры золы-уноса включают, но не ограничиваются следующим, цементную добавку POZMIX^® А, производства компании Halliburton Energy Services, Inc., Хьюстон, штат Техас.

[0014] Пример подходящего пуццолана может включать метакаолин. Как правило, метакаолин представляет собой белый пуццолан, который может быть получен путем нагревания каолиновой глины, до температур в диапазоне от примерно 600°C до примерно 800°C.

[0015] Пример подходящего пуццолана может включать природный пуццолан. Природные пуццоланы обычно находятся на поверхности земли и схватываются и затвердевают в присутствии гашеной извести и воды. Варианты реализации, содержащие природный пуццолан, могут содержать пемзу, диатомовую землю, вулканический пепел, опалиновый сланец, туф и их комбинации. Природные пуццоланы могут быть измельченными или неизмельченными. Как правило, природные пуццоланы могут иметь любое распределение частиц по размеру, соответствующее конкретному применению. В некоторых вариантах реализации изобретения природные пуццоланы могут иметь средний размер частиц в диапазоне от примерно 1 микрона до примерно 200 микрон. Средний размер частиц соответствует значениям d50, измеренным с помощью анализаторов размера частиц, таких как анализаторы производства компании Malvern Instruments, Вустершир, Великобритания. В конкретных вариантах реализации изобретения природные пуццоланы могут иметь средний размер частиц в диапазоне от примерно 1 микрона до примерно 200 микрон, от примерно 5 микрон до примерно 100 микрон или от примерно 10 микрон до примерно 50 микрон. В одном из конкретных вариантов реализации природные пуццоланы могут иметь средний размер частиц менее примерно 15 микрон. Примером подходящего промышленного природного пуццолана является пемза производства компании Hess Pumice Products, Inc., Малад, штат Айдахо, выпускаемая как легкий заполнитель DS-325, который имеет размер частиц менее примерно 15 микрон. Следует понимать, что слишком малый размер частиц может обусловливать проблемы при смешивании, тогда как слишком большой размер частиц может обусловливать недостаточно эффективное суспендирование в композициях и более слабую реакционную способность, обусловленную меньшей удельной поверхностью. Специалисты в данной области техники с помощью настоящего описания могут выбрать размер частиц природных пуццоланов, подходящий для использования в выбранном применении.

[0016] Варианты реализации цементных композиций с отсроченным схватыванием могут содержать гашеную известь. В контексте настоящего изобретения термин «гашеная известь» следует понимать как гидроксид кальция. В некоторых вариантах реализации изобретения гашеная известь может быть представлена в виде негашеной извести (оксида кальция), которая гидратируется при смешивании с водой с получением гашеной извести. Гашеная известь может быть вовлечена в различные варианты реализации, например, для получения гидравлической композиции с пуццоланом. Например, гашеная известь может быть добавлена в массовом соотношении пуццолана к гашеной извести, составляющем от примерно 10:1 до примерно 1:1 или в соотношении от примерно 3:1 до примерно 5:1. При ее наличии, гашеная известь может быть введена в цементные композиции с отсроченным схватыванием в количестве, например, в диапазоне от примерно 10% до примерно 100% относительно массы пуццолана. В некоторых вариантах реализации изобретения гашеная известь может присутствовать в количестве в диапазоне между любыми следующими значениями: примерно 10%, примерно 20%, примерно 40%, примерно 60%, примерно 80% или примерно 100% относительно массы пуццолана, и/или включая указанные значения. В некоторых вариантах реализации изобретения цементирующие компоненты, присутствующие в цементной композиции с отсроченным схватыванием, могут состоять по существу из пуццолана и гашеной извести. Например, цементирующие компоненты могут содержать, главным образом, пуццолан и гашеную известь без каких-либо дополнительных цементирующих компонентов (например, портландцемента), которые гидравлически схватываются в присутствии воды. Специалисты в данной области техники с помощью настоящего описания могут определить подходящее количество гашеной извести для введения в выбранное применение.

[0017] Варианты реализации изобретения цементных композиций с отсроченным схватыванием могут содержать замедлитель схватывания. Для использования в цементных композициях с отсроченным схватыванием подходит широкий спектр замедлителей схватывания. Например, замедлитель схватывания может содержать фосфоновые кислоты, такие как этилендиамин-тетра-(метиленфосфоновая кислота), диэтилентриамин-пента-(метиленфосфоновая кислота) и т.д.; лигносульфонаты, такие как лигносульфонат натрия, лигносульфонат кальция и т.д.; соли, такие как сульфат двухвалентного олова, ацетат свинца, монокальцийфосфат, органические кислоты, такие как лимонная кислота, винная кислота, и т.д.; производные целлюлозы, такие как гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭЦ) и карбоксиметилгидроксиэтилцеллюлоза (КМГЭЦ); синтетические со- или терполимеры, содержащие сульфонатные группы или карбоксильные группы, такие как сополимеры акриламида и акриловой кислоты, содержащие сульфонатные функциональные группы; боратные соединения, такие как щелочноборатные соединения, метаборат натрия, тетраборат натрия, пентаборат калия; производные указанных соединений или смеси указанных соединений. Примеры подходящих замедлителей схватывания включают, в том числе, производные фосфоновой кислоты. Один из примеров подходящего замедлителя схватывания представляет собой замедлитель схватывания Micro Matrix^® производства компании Halliburton Energy Services, Inc. В общем случае, замедлитель схватывания может присутствовать в цементных композициях с отсроченным схватыванием в количестве, достаточном для отсрочки затвердевания на нужное время. В некоторых вариантах реализации изобретения замедлитель схватывания цемента может присутствовать в цементных композициях с отсроченным схватыванием в количестве в диапазоне от примерно 0,01% до примерно 10% относительно массы пуццолана. В конкретных вариантах реализации изобретения замедлитель схватывания цемента может присутствовать в количестве в диапазоне между любыми следующими значениями: примерно 0,01%, примерно 0,1%, примерно 1%, примерно 2%, примерно 4%, примерно 6%, примерно 8% или примерно 10% относительно массы пуццолана, и/или включая указанные значения. Специалисты в данной области техники с помощью настоящего описания способны определить подходящее количество замедлителя схватывания для введения в выбранное применение.

[0018] Как упомянуто выше, варианты реализации цементных композиций с отсроченным схватыванием могут необязательно содержать диспергатор. Примеры подходящих диспергаторов включают, без ограничения, диспергаторы на основе сульфонированного формальдегида (например, сульфонированный продукт конденсации ацетона с формальдегидом), примеры которых могут включать диспергатор Daxad^® 19 производства компании Geo Specialty Chemicals, Амблер, штат Пенсильвания. Другие подходящие диспергаторы могут представлять собой диспергаторы на основе поликарбоксилированного простого эфира, такие как диспергаторы Liquiment^® 5581F и Liquiment^® 514L производства компании BASF Corporation Houston, Texas; или диспергатор Ethacryl^™ G производства компании Coatex, Genay, Франция. Дополнительный пример подходящего имеющегося в продаже диспергатора представляет собой диспергатор CFR^™-3 производства компании Halliburton Energy Services, Inc., Хьюстон, штат Техас. Диспергатор Liquiment^® 514L может содержать 36% по массе поликарбоксилированного простого эфира в воде. Хотя в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения могут быть использованы различные диспергаторы, диспергаторы на основе поликарбоксилированных простых эфиров могут являться особенно подходящими для применения в некоторых вариантах реализации. Не ограничиваясь теорией, полагают, что диспергаторы на основе поликарбоксилированных простых эфиров могут синергетически взаимодействовать с другими компонентами цементной композиции с отсроченным схватыванием. Например, полагают, что диспергаторы на основе поликарбоксилированных простых эфиров могут взаимодействовать с некоторыми замедлителями схватывания цемента (например, производными фосфоновой кислоты), что приводит к образованию геля, который суспендирует пуццолан и гашеную известь в композиции в течение продолжительного периода времени.

[0019] В некоторых вариантах реализации изобретения диспергатор может быть включен в цементные композиции с отсроченным схватыванием в количестве в диапазоне от примерно 0,01% до примерно 5% относительно массы пуццолана. В конкретных вариантах реализации диспергатор может присутствовать в количестве в диапазоне между любыми следующими значениями: примерно 0,01%, примерно 0,1%, примерно 0,5%, примерно 1%, примерно 2%, примерно 3%, примерно 4% или примерно 5% относительно массы пуццолана, и/или включая указанные значения. Специалисты в данной области техники с помощью настоящего описания смогут определить подходящее количество используемого диспергатора для включения в выбранное применение.

[0020] Некоторые варианты реализации цементных композиций с отсроченным схватыванием могут содержать источники диоксида кремния, помимо пуццолана, например, кристаллический диоксид кремния и/или аморфный диоксид кремния. Кристаллический диоксид кремния представляет собой порошок, который может быть введен в различные варианты реализации цементных композиций с отсроченным схватыванием, например, для предотвращения снижения прочности цемента на сжатие. Аморфный диоксид кремния представляет собой порошок, который может быть включен в различные варианты реализации цементных композиций с отсроченным схватыванием в качестве легковесного наполнителя и/или для повышения прочности цемента на сжатие. Аморфный диоксид кремния, как правило, представляет собой побочный продукт процесса получения ферросилиция, где аморфный диоксид кремния может быть образован посредством окисления и конденсации газообразного субоксида кремния, SiO, который образуется в указанном процессе как промежуточное соединение. Пример подходящего источника аморфного диоксида кремния представляет собой цементную добавку Silicalite^™ производства компании Halliburton Energy Services, Inc., Хьюстон, Штат Техас. В вариантах реализации, содержащих дополнительные источники диоксида кремния, дополнительный источник диоксида кремния может быть использован по мере необходимости для улучшения прочности на сжатие или времени схватывания.

[0021] Другие добавки, подходящие для применения в операциях подземного цементирования, также могут быть введены в варианты реализации цементных композиций с отсроченным схватыванием. Примеры таких добавок включают, без ограничения: утяжелители, легковесные добавки, газообразующие добавки, добавки для улучшения механических свойств, материалы для борьбы с потерей циркуляции, добавки для регулирования фильтрации, добавки для регулирования водопоглощения, пеногасители, пенообразующие агенты, тиксотропные добавки и комбинации указанных добавок. В различных вариантах реализации одна или более указанных добавок могут быть добавлены в цементные композиции с отсроченным схватыванием после хранения, но до укладки цементной композиции с отсроченным схватыванием в подземный пласт. Специалисты в данной области техники с помощью настоящего описания могут легко определить тип и количество добавки, подходящей для конкретного применения и требуемого результата.

[0022] Специалистам в данной области техники понятно, что варианты реализации цементных композиций с отсроченным схватыванием обычно должны иметь плотность, подходящую для конкретного применения. Например, цементные композиции могут иметь плотность в диапазоне от примерно 4 фунтов на галлон («ф/гал.») (480 кг/куб. м) до примерно 20 ф/гал. (2400 кг/куб. м). В некоторых вариантах реализации цементные композиции могут иметь плотность в диапазоне от примерно 8 ф/гал. (960 кг/куб. м) до примерно 17 ф/гал. (2040 кг/куб. м). Варианты реализации цементных композиций с отсроченным схватыванием могут быть вспененными или невспененными, или могут содержать другие средства для снижения плотности, такие как полые микросферы, эластичные гранулы низкой плотности или другие добавки для снижения плотности, известные в данной области техники. В различных вариантах реализации изобретения плотность может быть понижена после хранения, но до укладки в подземный пласт. В различных вариантах реализации могут быть использованы утяжеляющие добавки для повышения плотности цементных композиций с отсроченным схватыванием. Примеры подходящих утяжеляющих добавок могут включать барит, гематит, гаусманит, карбонат кальция, сидерит, ильменит или комбинации указанных минералов. В конкретных вариантах реализации утяжеляющие добавки могут иметь удельную плотность, равную 3 или более. Специалисты в данной области техники с помощью настоящего описания могут определить подходящую плотность для конкретного применения.

[0023] Как было указано ранее, цементные композиции с отсроченным схватыванием могут находиться в состоянии отсроченного схватывания, в котором они остаются в жидком состоянии, пригодном для перекачивания насосом, в течение по меньшей мере одного дня (например, по меньшей мере примерно 1 дня, примерно 2 недель, примерно 2 лет или более) при комнатной температуре (например, примерно 80°F (27°C)) при хранении в состоянии покоя. Например, цементные композиции с отсроченным схватыванием могут сохраняться в жидком состоянии, пригодном для перекачивания насосом, в течение периода времени от примерно 1 дня до примерно 7 дней или более. В некоторых вариантах реализации цементные композиции с отсроченным схватыванием могут сохраняться в жидком состоянии, пригодном для перекачивания насосом, в течение по меньшей мере примерно 1 дня, примерно 7 дней, примерно 10 дней, примерно 20 дней, примерно 30 дней, примерно 40 дней, примерно 50 дней, примерно 60 дней или более. Считают, что жидкость находится в жидком состоянии, пригодном для перекачивания насосом, если жидкость имеет консистенцию менее 70 единиц консистенции Вердена («Вс»), измеренную на консистометре для замеров под давлением в соответствии с методикой определения времени загустевания цемента, установленной в API RP Practice 10 В-2, Recommended Practice for Testing Well Cements, первое издание, июль, 2005.

[0024] При необходимости использования вариантов реализации изобретения цементных композиций с отсроченным схватыванием, композиции можно активировать (например, посредством комбинации с активатором) для превращения в затвердевшую массу. Термин «активатор схватывания цемента» или «активатор» в контексте настоящего документа относится к добавке, которая активирует цементную композицию с отсроченным или слишком замедленным схватыванием и может также ускорять схватывание цементной композиции с отсроченным, слишком замедленным или иным схватыванием. Например, варианты реализации цементных композиций с отсроченным схватыванием могут быть активированы с получением затвердевшей массы в течение периода времени в диапазоне от примерно 1 часа до примерно 12 часов. Например, варианты реализации цементных композиций с отсроченным схватыванием могут схватываться с образованием затвердевшей массы в течение периода времени в диапазоне между любыми следующими значениями: примерно 1 день, примерно 2 дня, примерно 4 дня, примерно 6 дней, примерно 8 дней, примерно 10 дней или примерно 12 дней, и/или включая указанные значения.

[0025] В некоторых вариантах реализации цементные композиции с отсроченным схватыванием после активации могут схватываться и достигать требуемой прочности на сжатие. Прочность на сжатие, как правило, представляет собой способность материала или структуры выдерживать силы сдавливания, приложенные в направлении вдоль оси. Прочность на сжатие может быть измерена в определенное время после того, как цементная композиция с отсроченным схватыванием была активирована, и полученная композиция была выдержана при определенной температуре и давлении. Прочность на сжатие может быть измерена разрушающими или неразрушающими методами. В разрушающем методе физически испытывают прочность образцов состава для обработки приствольной зоны в различные моменты времени путем разрушения образцов в машине для испытания на сжатие. Прочность на сжатие рассчитывают как разрушающую нагрузку, деленную на площадь поперечного сечения, выдерживающую указанную нагрузку, и указывают в единицах фунт-силы на квадратный дюйм (psi). Неразрушающие методы могут включать использование ультразвукового анализатора цемента UCA^™ производства компании Fann Instrument Company, Хьюстон, штат Техас. Значения прочности на сжатие могут быть определены в соответствии с API RP 10 В-2, Recommended Practice for Testing Well Cements, первое издание, июль, 2005.

[0026] Например, цементные композиции с отсроченным схватыванием могут развивать 24-часовую прочность на сжатие в диапазоне от примерно 50 psi (345 кПа) до примерно 5000 psi (34,5 МПа), в альтернативных вариантах от примерно 100 psi (690 кПа) до примерно 4500 psi (31,0 МПа), или альтернативно от примерно 50 psi до примерно 4000 psi (27,6 МПа). В некоторых вариантах реализации изобретения цементные композиции с отсроченным схватыванием могут развивать прочность на сжатие за 24 часа, составляющую по меньшей мере примерно 50 psi, по меньшей мере примерно 100 psi, по меньшей мере примерно 500 psi (3,4 МПа) или более. В некоторых вариантах реализации изобретения, значения компрессионной прочности можно определять с использованием разрушающих или неразрушающих методов в температурном диапазоне от 100°F (38°C) до 200°F (93°C).

[0027] В некоторых вариантах реализации изобретения цементные композиции с отсроченным схватыванием могут иметь требуемое время густения после активации. Время густения обычно относится к времени, в течение которого текучая среда, такая как цементная композиция с отсроченным схватыванием, остается в жидком состоянии, пригодном для перекачивания насосом. Для измерения времени густения могут быть использованы многочисленные лабораторные методики. Консистометр для замеров под давлением, эксплуатируемый в соответствии с методикой, описанной в вышеуказанном руководстве API RP Practice 10 В-2, может быть использован для определения того факта, находится ли текучая среда в жидком состоянии, пригодном для перекачивания насосом. Время густения может представлять собой время, в течение которого текучая среда для обработки приствольной зоны достигает значения 70 Вс, и может быть указано как время до достижения 70 Вс. В некоторых вариантах реализации изобретения, цементные композиции могут иметь время густения более чем примерно 1 час, альтернативно, более чем примерно 2 часа, альтернативно, более чем примерно 5 часов при 3000 psi (20,7 МПа) и температурах в диапазоне от примерно 50°F (10°C) до примерно 400°F (204°C), альтернативно, в диапазоне от примерно 80°F (27°C) до примерно 250°F (121°C) и альтернативно, при температуре примерно 140°F (60°C).

[0028] Варианты реализации могут включать введение активатора схватывания цемента в цементные композиции с отсроченным схватыванием. Примеры подходящих активаторов схватывания цемента включают, без ограничения: цеолиты, амины, такие как триэтаноламин, диэтаноламин; силикаты, такие как силикат натрия; формиат цинка; ацетат кальция; гидроксиды элементов IA группы и IIА группы, такие как гидроксид натрия, гидроксид магния и гидроксид кальция; одновалентные соли, такие как хлорид натрия; двухвалентные соли, такие как хлорид кальция; нанодиоксид кремния (т.е. диоксид кремния, имеющий размер частиц менее или примерно 100 нанометров); полифосфаты; и комбинации указанных добавок. В некоторых вариантах реализации изобретения для активации может быть использована комбинация полифосфата и одновалентной соли. Одновалентная соль может представлять собой любую соль, которая диссоциирует с образованием одновалентного катиона, такую как соли натрия и калия. Конкретные примеры подходящих одновалентных солей включают сульфат калия и сульфат натрия. В комбинации с одновалентными солями для активации цементных композиций с отсроченным схватыванием могут быть использованы различные полифосфаты, включая соли полимерных метафосфатов, соли фосфатов и комбинации указанных солей. Конкретные примеры солей полимерных метафосфатов, которые могут быть использованы, включают гексаметафосфат натрия, триметафосфат натрия, тетраметафосфат натрия, пентаметафосфат натрия, гептаметафосфат натрия, октаметафосфат натрия и комбинации указанных слоей. Конкретный пример подходящего активатора схватывания цемента содержит комбинацию сульфата натрия и гексаметафосфата натрия. В конкретных вариантах реализации изобретения, активатор можно обеспечивать и вводить в цементную композицию с отсроченным схватыванием в виде жидкой добавки, например, жидкой добавки, содержащей одновалентную соль, полифосфат и, необязательно, диспергатор.

[0029] Как обсуждалось выше, в качестве активаторов в варианты реализации цементных композиций с отсроченным схватыванием также могут быть включены цеолиты. Цеолиты представляют собой обычно пористые алюмосиликатные минералы, которые могут природными или синтетическими. Синтетические цеолиты имеют в своей основе тот же тип структурной ячейки, что и природные цеолиты, и могут содержать гидраты алюмосиликатов. В данном контексте термин «цеолит» относится ко всем природным и синтетическим формам цеолитов. Примером подходящего источника цеолита является цеолит Valfor-100^® или цеолит Advera^® 401 производства компании PQ Corporation, Малверн, штат Пенсильвания.

[0030] Варианты реализации цементных композиций с отсроченным схватыванием могут содержать активатор схватывания цемента, содержащий цеолит, комбинацию цеолитов, комбинацию цеолита и активатора, не относящегося к цеолитам, комбинацию цеолитов и активатора, не относящегося к цеолитам, комбинацию цеолитов и комбинацию активаторов, не относящихся к цеолитам, или комбинации указанных вариантов. Варианты реализации, содержащие цеолит, могут содержать любой цеолит. Примеры цеолитов включают морденит, zsm-5, цеолит x, цеолит y, цеолит a, и т.д. Кроме того, варианты реализации, содержащие цеолит, могут содержать цеолит в комбинации с катионом, таким как Na⁺, К⁺, Са²⁺, Mg²⁺, и т.д. Цеолиты, содержащие катионы, такие как натрий, могут также по мере растворения цеолитов обеспечивать дополнительные источники катионов для цементной композиции с отсроченным схватыванием. Примером цеолита, содержащего катион (например, Na⁺), является упомянутый выше цеолит Valfor^® 100. Не ограничиваясь теорией, полагают, что цеолиты увеличивают удельную поверхность пуццолана, не увеличивая при этом размер частиц пуццолана. Увеличенная удельная поверхность пуццолана может обеспечивать большую скорость растворения диоксида кремния, свободный диоксид кремния способен взаимодействовать с соединениями кальция, например, из гашеной извести, с образованием гелей гидрата силиката кальция. Увеличение удельной поверхности без изменения размера частиц обеспечивает преимущество, поскольку позволяет получить большую реакционную способность, не затрагивая другие свойства, такие как вязкость или пригодность к перекачиванию насосом. Натрийсодержащие цеолиты могут также участвовать в реакциях обмена натрия на кальций в растворе, в результате указанной реакции повышается рН жидкого цементного раствора и, следовательно, увеличивается скорость растворения диоксида кремния.

[0031] Цеолиты можно добавлять в цементные композиции с отсроченным схватыванием при помощи ряда способов. Один из вариантов реализации включает способ, согласно которому цеолиты добавляют непосредственно в цементные композиции с отсроченным схватыванием в количестве, достаточном для активации или ускорения схватывания цементной композиции. Альтернативный вариант реализации предусматривает инициацию роста кристаллов цеолита непосредственно на пуццолане. Пуццолан может служить источником питательных веществ для кристаллов цеолита, и при помещении пуццолановых частиц в условия синтеза цеолитов можно инициировать рост кристаллов цеолита в виде пленки или в виде неотъемлемой части частицы. Для получения различных цеолитов (например, zsm-5, цеолит x, и т.д.) на пуццолане можно применять различные методы зародышеобразования, такие как импульсное лазерное осаждение, вторичный рост, вакуумное осаждение и т.д. Синтезированные цеолиты могут образовывать кристаллы, пленки и/или включаться непосредственно в пуццолан. Пуццолан с осажденным на нем цеолите можно обеспечивать и применять для приготовления цементной композиции с отсроченным схватыванием.

[0032] Активатор схватывания цемента следует добавлять в различные варианты реализации цементной композиции с отсроченным схватыванием в количестве, достаточном для инициации схватывания композиции с отсроченным схватыванием в затвердевшую массу. В некоторых вариантах реализации изобретения активатор схватывания цемента можно добавлять к цементной композиции в количестве в диапазоне от примерно 0,1% до примерно 20% относительно массы пуццолана. В конкретных вариантах реализации активатор схватывания цемента может присутствовать в количестве в диапазоне между любыми следующими значениями: примерно 0,1%, примерно 1%, примерно 5%, примерно 10%, примерно 15% или примерно 20% относительно массы пуццолана, и/или включая указанные значения. Специалисты в данной области техники с помощью настоящего описания могут определить подходящее количество используемого активатора схватывания цемента для выбранного применения.

[0033] Хотя выше приведено описание применения цеолитов в качестве активаторов цементной композиции с отсроченным схватыванием, понятно, что цеолиты можно применять в других цементных системах, содержащих пуццолан, для ускорения времени схватывания цементной композиции и для улучшения развития ранней прочности на сжатие. В некоторых вариантах реализации цеолит можно применять в цементной композиции, содержащей пуццолан и воду. В других вариантах реализации цементная композиция может дополнительно содержать гашеную извест