確定水泥質(zhì)組分的反應(yīng)指數(shù)的方法、相關(guān)的組合物和使用方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】確定水泥質(zhì)組分的反應(yīng)指數(shù)的方法、相關(guān)的組合物和使用 方法
[0001] 背景
[0002] 本發(fā)明涉及水泥質(zhì)組分（cementitious component)，并且更具體地，在某些實(shí)施 方案中，涉及確定水泥質(zhì)組分的反應(yīng)指數(shù)的方法。
[0003] 一般而言，井處理包括可以在油井、氣井、地?zé)峋?或水井中進(jìn)行的多種方法， 例如鉆井、完井和修井（workover)方法。鉆井、完井和修井方法可以包括但不限于鉆井、壓 裂、酸化、測(cè)井（logging)、注水泥（cementing)、爍石充填、穿孔和性能驗(yàn)收（conformance) 方法。這些井處理中的許多被設(shè)計(jì)為增強(qiáng)和/或促進(jìn)從地下井中回收期望的流體。這些流 體可以包括烴類(lèi)，例如油和/或氣。
[0004] 在注水泥方法中，例如在井建設(shè)和補(bǔ)注水泥（remedial cementing)中，通常使用 可固化組合物。本文所用的術(shù)語(yǔ)"可固化組合物"是指在水壓下固化或者以其它方式產(chǎn)生 抗壓強(qiáng)度的組合物?？晒袒M合物可以用在初次注水泥（primary cementing)操作中，從 而在井孔中向管線（例如套管和襯管（liner))注水泥。在進(jìn)行初次注水泥時(shí)，可以將可固 化組合物泵送進(jìn)入地下地層與置于地下地層中的管線之間或者管線與置于地下地層中的 更大的管道之間的環(huán)空（annulus)中?？晒袒M合物應(yīng)當(dāng)在環(huán)空中固化，從而形成硬化的 水泥的環(huán)狀鞘（如，水泥鞘），該環(huán)狀鞘應(yīng)當(dāng)支撐管線并將其定位在井孔中，并將管線的外 表面與井孔的壁或與更大的管道結(jié)合。可固化組合物還可以用在補(bǔ)注水泥方法中，例如用 在水泥塞的放置中，以及用在擠水泥（squeeze cementing)中用于密封管線、水泥鞘、爍石 充填層、地層等等中的空隙?？晒袒M合物還可以用在地表用途中，例如用在建筑注水泥 (construction cementing)中。
[0005] 用在地下地層中的可固化組合物通?？梢园ㄋ噘|(zhì)組分，其在水壓下固化或者 以其它方式硬化，以產(chǎn)生抗壓強(qiáng)度?？梢园ㄔ诳晒袒M合物中的水泥質(zhì)組分的實(shí)例包括 波特蘭水泥（Portland cements)、錯(cuò)酸1?水泥、水泥窖灰、石灰窖灰、飛灰、礦澄、浮石和稻 殼灰，等等?？晒袒M合物中的這些不同水泥質(zhì)組分的性能可以變化，甚至對(duì)于一種具體的 水泥質(zhì)組分也可以變化，這取決于例如該組分的具體類(lèi)型或來(lái)源。例如，這些水泥質(zhì)組分中 的某些可能具有不期望的性質(zhì)，這可能使得它們不適于用在井處理中。此外，水泥質(zhì)組分的 性能的變化可能導(dǎo)致水泥質(zhì)組分當(dāng)在處理流體使用中時(shí)缺乏可預(yù)測(cè)性和一致性。這種可預(yù) 測(cè)性和一致性缺乏甚至對(duì)于相同的水泥質(zhì)組分（例如，如果來(lái)源于不同地點(diǎn)）也可能是明 顯的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明涉及水泥質(zhì)組分，并且更具體地，在某些實(shí)施方案中，涉及確定水泥質(zhì)組分 的反應(yīng)指數(shù)的方法。
[0007] -個(gè)實(shí)施方案公開(kāi)了一種注水泥方法，包括：提供可固化組合物，該可固化組合物 包含水和具有確定的反應(yīng)指數(shù)的水泥質(zhì)組分；以及使所述可固化組合物固化，以形成硬化 的物質(zhì)。
[0008] 另一實(shí)施方案公開(kāi)了一種測(cè)量水泥質(zhì)組分的反應(yīng)性的方法，包括：測(cè)量所述水泥 質(zhì)組分的參數(shù)，所述水泥質(zhì)組分具有比表面積；以及用測(cè)量的參數(shù)除以所述水泥質(zhì)組分的 比表面積，以獲得所述水泥質(zhì)組分的反應(yīng)指數(shù)。
[0009] 另一實(shí)施方案公開(kāi)了一種可固化組合物，包含：水；和具有經(jīng)計(jì)算的反應(yīng)指數(shù)的 水泥質(zhì)組分。
[0010] 本發(fā)明的特征和優(yōu)勢(shì)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)會(huì)是顯而易見(jiàn)的。盡管本領(lǐng)域技術(shù) 人員可以進(jìn)行許多改變，但這樣的改變均在本發(fā)明的精神范圍內(nèi)。
[0011] 附圖的簡(jiǎn)要描述
[0012] 這些【附圖說(shuō)明】了本發(fā)明的一些實(shí)施方案的某些方面，并且不應(yīng)當(dāng)用于限制或定義 本發(fā)明。
[0013] 圖1顯示不同供應(yīng)來(lái)源的水泥窯灰的測(cè)量的反應(yīng)指數(shù)。
[0014] 圖2比較水泥窯灰的干混物（dry blend)的實(shí)際抗壓強(qiáng)度和預(yù)測(cè)的抗壓強(qiáng)度。
[0015] 圖3比較水泥窯灰的干混物在51 Is4下的實(shí)際體積平均表觀粘度和預(yù)測(cè)的體積平 均表觀粘度。
[0016] 圖4比較水泥窯灰的干混物在51s4下的實(shí)際體積平均表觀粘度和預(yù)測(cè)的體積平 均表觀粘度。
[0017] 優(yōu)選實(shí)施方案的描述
[0018] 本發(fā)明涉及水泥質(zhì)組分，并且更具體地，在某些實(shí)施方案中，涉及確定水泥質(zhì)組分 的反應(yīng)指數(shù)的方法。通過(guò)確定水泥質(zhì)組分的反應(yīng)指數(shù)，可以將水泥質(zhì)組分的摻合物（blend) 用于井處理中，根據(jù)具體的實(shí)施方案，其可以提供更可預(yù)測(cè)的和一致的性能。此外，另外的 實(shí)施方案可以包括使用確定的反應(yīng)指數(shù)以提供水泥質(zhì)組分的摻合物，其中一種或多種參數(shù) 已被優(yōu)化，包括例如抗壓強(qiáng)度、楊氏模量、流體損耗和/或稠化時(shí)間。
[0019] 不希望被理論所限制，但水泥質(zhì)組分的反應(yīng)指數(shù)可以被稱(chēng)為針對(duì)表面積的不同而 調(diào)節(jié)的水泥質(zhì)組分的反應(yīng)性的量度。用于確定反應(yīng)指數(shù)的示例性技術(shù)可以包括測(cè)量水泥質(zhì) 組分的參數(shù)，然后將該測(cè)量的參數(shù)除以水泥質(zhì)組分的比表面積。在一些實(shí)施方案中，可以根 據(jù)以下方程來(lái)計(jì)算水泥質(zhì)組分的反應(yīng)指數(shù)：
[0020] RI = MP/SSA
[0021] 其中RI是反應(yīng)指數(shù)，MP是水泥質(zhì)組分的測(cè)量的參數(shù)，且SSA是水泥質(zhì)組分的比表 面積。通常，比表面積是顆粒狀固體的特性，且在本文中被定義為水泥質(zhì)組分的總表面積除 以水泥質(zhì)組分的質(zhì)量或者總表面積除以水泥質(zhì)組分的毛體積。
[0022] 通常，水泥質(zhì)組分是在水壓下固化或者以其它方式硬化以在水的存在下產(chǎn)生抗壓 強(qiáng)度的顆粒狀固體?？梢赃m合用于本發(fā)明的實(shí)施方案的水泥質(zhì)組分的非限制性實(shí)例包括波 特蘭水泥、錯(cuò)酸媽、石膏、火山灰質(zhì)材料（pozzolanic materials)和窖灰。還可以使用一種 或多種不同的水泥質(zhì)組分的混合物。在一些實(shí)施方案中，水泥質(zhì)組分可以與石灰組合。
[0023] 在一些實(shí)施方案中，水泥質(zhì)組分可以包含波特蘭水泥。波特蘭水泥是常用的水泥 質(zhì)組分，其在水壓下與水反應(yīng)，以產(chǎn)生抗壓強(qiáng)度。適當(dāng)?shù)牟ㄌ靥m水泥的實(shí)例可以包括根據(jù) 1990 年 7 月 1 日美國(guó)石油協(xié)會(huì)（American Petroleum Institute)的 API Specification for Materials and Testing for Well Cements，API Specification 10,第5版被分類(lèi)為 A、C、G和H級(jí)水泥的那些。此外，適合用于本發(fā)明的實(shí)施方案的波特蘭水泥還可以包括被 分類(lèi)為ASTM I、1/11、II、III、IV或V型的那些。在一些實(shí)施方案中，可以使用含有波特蘭 水泥的水泥質(zhì)組分的摻合物。
[0024] 在一些實(shí)施方案中，水泥質(zhì)組分可以包含鋁酸鈣。鋁酸鈣可以在水壓下與水反應(yīng) 以產(chǎn)生抗壓強(qiáng)度。鋁酸鈣可以被包括在水泥中，通常被稱(chēng)為鋁酸鈣水泥或高鋁含量水泥?？?以通過(guò)包括將含鈣的物質(zhì)（如石灰石）與含鋁的物質(zhì)（如鋁土礦）混合的制造方法來(lái)制備 鋁酸鈣水泥。
[0025] 在一些實(shí)施方案中，水泥質(zhì)組分可以包含石膏。石膏是一種在水的存在下固化以 產(chǎn)生抗壓強(qiáng)度的物質(zhì)。石膏可以被包括在水泥中，通常被稱(chēng)為石膏水泥。為了用在水泥中， 在某些情況下，可以將石膏在極高溫度下燒制然后研磨。在具體的實(shí)施方案中，可以將石膏 添加至波特蘭水泥。
[0026] 在一些實(shí)施方案中，水泥質(zhì)組分可以包含火山灰質(zhì)材料?？梢赃m合使用的火山灰 質(zhì)材料包括多種天然或人造材料，其在氫氧化鈣的存在下表現(xiàn)出類(lèi)似水泥的性質(zhì)。可以適 合用于本發(fā)明的實(shí)施方案的適當(dāng)?shù)幕鹕交屹|(zhì)材料的實(shí)例包括天然或人造的火山灰，例如飛 灰、娃粉、礦澄、燒結(jié)頁(yè)巖、燒粘土、偏高嶺土、浮石、娃藻土、火山灰、蛋白石頁(yè)巖、凝灰?guī)r，和 燒制的有機(jī)物質(zhì)，例如農(nóng)業(yè)廢棄物灰、城市廢棄物灰（如城市固體廢棄物灰）、廢水處理廢 棄物灰、動(dòng)物廢棄物灰、非人-非動(dòng)物工業(yè)廢棄物灰和它們的組合。農(nóng)業(yè)廢棄物灰的具體實(shí) 例包括例如稻殼灰、木材（如鋸末、樹(shù)皮、細(xì)枝、樹(shù)枝、其它廢木材）灰、樹(shù)葉灰、玉米穗軸灰、 甘蔗（如糖甘蔗）灰、蔗渣灰、谷物（如莧菜、大麥、玉米、亞麻籽、小米、燕麥、藜麥、黑麥、 小麥等）和相關(guān)副產(chǎn)品（如莢、殼等）的灰、果園灰、藤修剪灰、草（如Korai、Tifton、原生 shiba等）灰、秸桿灰、花生殼灰、豆科植物（如大豆）灰，和它們的組合。
[0027] 在一些實(shí)施方案中，水泥質(zhì)組分可以包含窯灰。窯灰的一個(gè)實(shí)例包括水泥窯灰。 本文所用的術(shù)語(yǔ)水泥窯灰是指在水泥的生產(chǎn)過(guò)程中從氣流中去除且在例如集塵器中收集 的部分煅燒的窯進(jìn)料。水泥窯灰通常可以表現(xiàn)出類(lèi)似水泥的性質(zhì)，因?yàn)樗梢栽谒拇嬖?下固化和硬化。通常，在水泥的生產(chǎn)中收集大量的水泥窯灰，其通常作為廢物被處理。水泥 窯灰的處理可以增加水泥生產(chǎn)中不期望的費(fèi)用以及與其處理相關(guān)的環(huán)境問(wèn)題。來(lái)自不同水 泥生產(chǎn)商的水泥窯灰的化學(xué)分析根據(jù)多種因素而變化，這些因素包括具體的窯進(jìn)料、水泥 生產(chǎn)操作的效率和相關(guān)的灰塵收集系統(tǒng)。水泥窯灰通?？梢园喾N氧化物，例如Si0 2、 Al203、Fe203、Ca0、Mg0、S0 3、Na2(^PK20。窯灰的另一實(shí)例包括石灰窯灰。本文所用的術(shù)語(yǔ)石 灰窯灰是指在石灰的生產(chǎn)中產(chǎn)生的產(chǎn)物。在石灰石的煅燒中可以通過(guò)例如灰塵控制系統(tǒng)來(lái) 收集石灰窯灰。
[0028] 在一些實(shí)施方案中，可以測(cè)量水泥質(zhì)組分的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，然后將其用于確定 反應(yīng)指數(shù)。該參數(shù)可以包括多種不同的參數(shù)，這些參數(shù)可以使用用于包含水泥質(zhì)組分和水 的可固化組合物的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試技術(shù)來(lái)測(cè)量?？晒袒M合物中可以包括另外的組分，以 例如改變處理流體的一種或多種性質(zhì)?？梢詼y(cè)量的水泥質(zhì)組分或含有其的可固化組合物的 參數(shù)包括例如抗壓強(qiáng)度、楊氏模量、流體損耗、稠化時(shí)間、流變值（如體積平均表觀粘度、塑 性粘度、屈服點(diǎn)等）和/或游離水。
[0029] 抗壓強(qiáng)度通常為材料或結(jié)構(gòu)承受軸向推力的能力?？梢栽趯⑺噘|(zhì)組分與水混 合并將所得的處理流體保持在特定的溫度和壓力條件下之后在特定時(shí)間測(cè)量水泥質(zhì)組分 的抗壓強(qiáng)度。例如，可以在將流體混合并將流體保持在170° F的溫度和大氣壓力下之后 約24至約48小時(shí)的范圍內(nèi)的時(shí)間測(cè)量抗壓強(qiáng)度?？梢酝ㄟ^(guò)破壞性方法或非破壞性方法 來(lái)測(cè)量抗壓強(qiáng)度。破壞性方法通過(guò)在壓力試驗(yàn)機(jī)中將樣品壓碎而以物理方式測(cè)試處理流 體樣品在不同時(shí)間點(diǎn)的強(qiáng)度。由破壞荷載除以抵抗荷載的橫截面積來(lái)計(jì)算抗壓強(qiáng)度，并 將其以每平方英尺的鎊力（Psi)為單位來(lái)報(bào)告。非破壞性方法通?？梢圆捎每傻米訤ann Instrument Company, Houston, TX的超聲水泥分析器（"UCA"）。可以根據(jù)2005年7月的 API RP 10B-2,