用于井下水泥灌漿操作的組合物和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及，例如，用于井下水泥灌漿操作的新組合物和方法。
_2] 背景和

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]作為井筒施工的一部分，通常向地下鉆洞或井眼，所鉆的洞或井眼隨后通常被襯上套管或襯墊。通常，套管或襯墊的節(jié)段螺紋連接或以其他方式連接在一起，使其下入井目艮，以形成“柱(string)”。此類套管可包含管狀鋼〃管(pipe)"，其外徑小于所述井眼的內(nèi)徑。因?yàn)槟切┲睆骄哂胁町?，在井眼?nèi)徑和套管外徑之間會(huì)出現(xiàn)環(huán)狀空間。在沒(méi)有任何東西存在的情況下，井眼液體和地下地層(format1n)液體可能會(huì)沿井眼在所述環(huán)狀空間內(nèi)縱向迀移。
[0004]井通常分階段構(gòu)建。開(kāi)始時(shí)在地里鉆洞，直至某一深度時(shí)土地塌方或井眼液體控制成為潛在問(wèn)題。這時(shí)，停止鉆洞并將套管置于井眼中。盡管該套管可能會(huì)在結(jié)構(gòu)上防止塌方，但其并不能防止液體沿著井長(zhǎng)在所述環(huán)狀空間內(nèi)迀移。出于該原因，套管通常是就地水泥灌漿。為實(shí)現(xiàn)該目的，將水泥漿料向下泵送通過(guò)該套管，但在該套管底部以外。在所述水泥漿料之后泵送鉆井液、水，或其它合適的井眼液體，以取代該水泥漿料進(jìn)入所述環(huán)狀空間。通常而言，采用可鉆孔的封隔塞來(lái)在水泥體積之前和之后將水泥與井眼液體分開(kāi)。使水泥留在環(huán)狀空間內(nèi)固化，由此形成防止液體在該環(huán)狀空間內(nèi)迀移的屏障。在水泥固化之后，留在套管內(nèi)部的固化的水泥被鉆出，并且測(cè)試所述套管和地層(format1n)之間的水泥密封或屏障的壓強(qiáng)。如果壓強(qiáng)測(cè)試成功，使鉆頭進(jìn)入通過(guò)經(jīng)水泥灌漿的套管，并且從所述套管的底部開(kāi)始鉆孔。然后鉆出新長(zhǎng)度的洞，并對(duì)其加套并灌注水泥。視井的總長(zhǎng)而定，可能會(huì)有數(shù)個(gè)鉆孔和加套階段。通過(guò)該方式，抑制或防止了由基本分區(qū)分離(substantial zonalisolat1n)促生的液壓密封(即，地層液體或氣體在井眼環(huán)狀空間內(nèi)的迀移)。類似地，可對(duì)套管進(jìn)行錨定、支持以及針對(duì)侵蝕的保護(hù)。因此，水泥灌漿能夠促進(jìn)，例如對(duì)目標(biāo)間隔的增產(chǎn)措施、有效泥土移除以及其它所需作用。
[0005]不盡如人意的是，用于上述操作的水泥通常具有許多缺陷。例如，所述水泥可能不具有足夠的強(qiáng)度、柔性或韌性以抵擋壓強(qiáng)、侵蝕和可能通常在井下會(huì)遇到的其它壓力。不達(dá)要求的水泥可能會(huì)對(duì)該井和/或周圍環(huán)境造成災(zāi)難性和高成本的后果。類似地，現(xiàn)有可得的水泥可能不便加工。例如，水泥中的六價(jià)鉻化合物和其它微?？赡苄枰M(jìn)行特殊的處理方法，以限制工人與此類危險(xiǎn)物質(zhì)的接觸。因此，需要新型水泥組合物和方法，來(lái)解決井下油氣操作中所用傳統(tǒng)水泥的這些缺陷中的一種或多種。
[0006]本發(fā)明有利地減少或排除了現(xiàn)有技術(shù)水泥灌漿組合物和方法中的一個(gè)或多個(gè)所述缺陷。在一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及對(duì)井進(jìn)行水泥灌漿的新方法。所述方法包括泵送懸液的步驟。所述懸液包含填充物混合物和至少約5重量％的熱固樹(shù)脂(基于樹(shù)脂和填充物混合物的總重量)。所述懸液在施予催化劑時(shí)固化。固化的組合物包含如下特性(a)至(g)中的一種或多種:(a)至少約300、1000、1500psi的拉伸強(qiáng)度，根據(jù)ASTM C1273在50%濕度和室溫25C下采用0.01英寸/分鐘的十字頭速度；(b)至少約1500,2000,3000,10, OOOpsi的壓縮強(qiáng)度，根據(jù)ASTMC873在50%濕度和室溫25C下采用0.01英寸/分鐘的十字頭速度；(C)至少約500ps1、750、1000的撓曲強(qiáng)度，根據(jù)ASTM C873在50%濕度和室溫25C下采用
0.01英寸/分鐘的十字頭速度；(e)至少約0.3(優(yōu)選0.6、08)Mpa根計(jì)(root meter)的斷裂韌性，根據(jù)ASTM C1421 ；(f)至少約10%，或至少約15%，或至少約20%，或至少約30%的拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度的比，其中拉伸強(qiáng)度按照ASTM C1273在50%濕度和25C室溫下采用
0.01英寸/分鐘的十字頭速度測(cè)量，而壓縮強(qiáng)度根據(jù)ASTM 873在50%濕度和室溫25C下用0.01英寸/分鐘的十字頭速度測(cè)量；和(g)使抗撓曲疲勞性，所述抗撓曲疲勞性使固化組合物能夠承受固化組合物的極限破壞強(qiáng)度的50%的強(qiáng)度至少1000個(gè)循環(huán)而不破損。
[0007]在另一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及包含如下物質(zhì)的組合物:(I)約10?約25重量％的熱固樹(shù)脂，基于所述組合物的總重量；(2)約15?約25重量％的微觀填充物(microscopic filler)，基于所述組合物的總重量；(3)約30?約70重量％的凝集物，基于所述組合物的總重量；和(4)可插入的納米粘土、可剝落的納米粘土或它們的混合物。
[0008]而在另一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及一種對(duì)地下地層進(jìn)行水泥灌漿的方法。所述方法包括泵送懸液，所述懸液包含(I)約15?約25重量％的第一組分(基于所述懸液的總重量)，所述第一組分選自下組:碳酸鈣、滑石、硅石和它們的混合物；(2)約30?約70重量％的第二組分(基于所述懸液的總重量)，所述第二組分選自下組:碎石、礫石、沙子和它們的混合物；(3)約10?約25重量％的第三熱固樹(shù)脂(基于所述懸液的總重量);和(4)能夠使所述懸液固化的催化劑。所述固化的組合物的特點(diǎn)是:拉伸強(qiáng)度與壓縮強(qiáng)度之比為至少約20%，其中拉伸強(qiáng)度根據(jù)ASTM C1273在50%濕度和室溫25C下采用0.01英寸/分鐘的十字頭速度測(cè)量，而壓縮強(qiáng)度根據(jù)ASTM 873在50%濕度和室溫25C下采用0.01英寸/分鐘的十字頭速度測(cè)量。
[0009]在另一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及一種懸液，所述懸液包含(I)約15?約25重量％的第一組分(基于所述懸液的總重量)，所述第一組分選自下組:碳酸鈣、滑石、硅石和它們的混合物，其中所述第一組分的平均粒徑分布為約0.5微米?約100微米(基于激光散射)；(2)約30?約70重量％的第二組分(基于所述懸液的總重量)，所述第二組分選自下組:碎石、礫石、沙子和它們的混合物，其中所述第二組分的平均粒徑分布為約50微米?約600微米(基于激光散射)；(3)約25?約45重量％的熱固樹(shù)脂(基于所述懸液的總重量)，所述熱固樹(shù)脂選自聚酯樹(shù)脂、乙烯基酯樹(shù)脂和它們的混合物；和(4)能夠使所述懸液凝膠化并固化的催化劑，并且所述凝膠化的時(shí)間是約2?約10小時(shí)。未固化的懸液的可泵性(pumpability)是約10?約120伯登(Bearden)單位，其中伯登單位按照水泥灌楽領(lǐng)域中已知的規(guī)范通過(guò)稠度計(jì)測(cè)量。所述固化的組合物的特點(diǎn)是:拉伸強(qiáng)度與壓縮強(qiáng)度之比為至少約10%，其中拉伸強(qiáng)度根據(jù)ASTM C1273在50%濕度和室溫25C下采用0.01英寸/分鐘的十字頭速度測(cè)量，而壓縮強(qiáng)度根據(jù)ASTM 873在50%濕度和室溫25C下采用0.01英寸/分鐘的十字頭速度測(cè)量。
[0010]在另一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及對(duì)地下地層進(jìn)行水泥灌漿的方法，所述方法包括泵送懸液的步驟。所述懸液包含(I)約15?約25重量％的第一組分(基于所述懸液的總重量)，所述第一組分選自下組:碳酸鈣、滑石、硅石和它們的混合物；(2)約30?約70重量％的第二組分(基于所述懸液的總重量)，所述第二組分選自下組:碎石、礫石、沙子和它們的混合物；(3)約20?約40重量％的第三熱固樹(shù)脂(基于所述懸液的總重量);和(4)能夠使所述懸液固化的催化劑。所述固化的組合物的特點(diǎn)是:拉伸強(qiáng)度與壓縮強(qiáng)度之比為至少約10%，其中拉伸強(qiáng)度根據(jù)ASTM C1273在50%濕度和室溫25C下采用0.01英寸/分鐘的十字頭速度測(cè)量，而壓縮強(qiáng)度根據(jù)ASTM 873在50%濕度和室溫25C下采用0.01英寸/分鐘的十字頭速度測(cè)量。
【具體實(shí)施方式】
_1] 一般方法和組合物
[0012]本發(fā)明在一個(gè)實(shí)施方式中涉及對(duì)井或例如油氣或地?zé)岵僮髦械钠渌叵碌貙舆M(jìn)行水泥灌漿的方法。所用的確切方法和組合物將視多種因素而不同。所述因素包括，例如，井的性質(zhì)和類型、位置(例如，陸上或海上)、深度、所用液體和/或產(chǎn)生的液體、壓強(qiáng)、溫度、所需凝固時(shí)間(set time)、可用裝置等。
[0013]事實(shí)上，本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于所有種類的地下水泥灌漿操作，其包括，例如，初次操作、補(bǔ)救操作，例如擠壓或下塞(Plug)、下塞和棄井、在較弱地層戰(zhàn)略性地設(shè)置水泥灌漿操作，以及一般而言的出于某些原因采用傳統(tǒng)水泥可能不盡如人意的任何位置。本發(fā)明甚至可有利地用于高二氧化碳、鹽水或其它侵蝕性環(huán)境，其中需要針對(duì)例如二氧化碳、硫酸鹽、酸、堿，和/或其它侵蝕性物質(zhì)的化學(xué)抵抗。相對(duì)高強(qiáng)度和低模數(shù)可使本文所述的懸液非常有利于作為井的使用期間的水泥。即，本文所述的多種懸液制劑的模數(shù)可常常低于300，000，或甚至低于 250，OOOpsi0
[0014]一般而言，所用方法將通常包括，例如，通過(guò)泵送所述懸液然后使其固化來(lái)將所述懸液置于所需位置的步驟。泵送的具體方式不重要，只要所述懸液能夠被泵送至所需位置即可。此類所需位置可根據(jù)井或應(yīng)用而不同，但通常是井眼的內(nèi)徑和套管外徑之間出現(xiàn)的環(huán)形空間。這可通過(guò)任何方便的方式完成，并且通常通過(guò)將地表處的所述懸液引至套管上端，從而所述懸液流動(dòng)通過(guò)直至套管的底部，其在該底部流出，然后向上流動(dòng)至環(huán)形空間。必要時(shí)，所述泵送(即，放置)可通過(guò)重力流和/或可由例如作用是將所述懸液直接或間接地置于所需位置的機(jī)械裝置、機(jī)器或甚至其它液體協(xié)助的任何重力流來(lái)最簡(jiǎn)單地完成。通過(guò)該方式，所述懸液可被置于所述管和井眼的壁之間，或所需的任何其它位置。該步驟中有時(shí)可采用典型的泵和一般用于傳統(tǒng)初次水泥灌漿應(yīng)用的其它方法。一般的水泥灌漿方法和操作描述于，例如，美國(guó)專利號(hào)7，748，455,7, 757，765,7, 798，225和8，124，569，其通過(guò)不與本說(shuō)明書(shū)矛盾的方式引用納入本文。
[0015]合適的懸液通常包含(I)填充物混合物和(2)至少約5重量％的熱固樹(shù)脂(基于樹(shù)脂和填充物混合物的總重量)。熱固樹(shù)脂是指，通常能夠在例如固化之后經(jīng)歷可逆相變的那些樹(shù)脂。有利地，可使所述懸液在應(yīng)用催化劑時(shí)固化，并且通?？梢圆恍枰罅康牟ㄌ靥m(Portland)水泥等作為粘合劑等。這在組合物可能缺少大量的水和/或六價(jià)鉻化合物的情況下是有用的。在一些實(shí)施方式中，所述懸液實(shí)質(zhì)上不含水、六價(jià)鉻化合物，或兩者均不含。此外，不像傳統(tǒng)的水泥灌漿組合物，本文所用的組合物在凝固過(guò)程中釋放非常少或不釋放溫室氣體，如二氧化碳。
[0016]固化的組合物通常包含一種或多種、兩種或更多種、三種或更多種、四種或更多種、五種或更多種、六種或更多種或全部的多種有用特點(diǎn)。
[0017]有用特點(diǎn)可包括，例如，
[0018](a)至少約300，或至少約1000，或至少約1500psi的拉伸強(qiáng)度，根據(jù)ASTMC1273在50%濕度和室溫25C下采用0.01英寸/分鐘的十字頭速度；
[0019](b)至少約1500，或至少約2000，或至少約3000，或至少約10，OOOpsi的壓縮強(qiáng)度，根據(jù)ASTM C873在50%濕度和室溫25C下采用0.01英寸/分鐘的十字頭速度；
[0020](c)至少約500