确定水泥质组分的反应指数的方法、相关的组合物和使用方法.pdf

公开了多种方法和组合物，在一个实施方案中，包括一种注水泥方法，该方法包括：提供可固化组合物，所述可固化组合物包含水和具有确定的反应指数的水泥质组分；以及使所述可固化组合物固化以形成硬化的物质。

1.  一种注水泥方法，包括：
提供可固化组合物，所述可固化组合物包含水和具有确定的反应指数的水泥质组分；以及
使所述可固化组合物固化，以形成硬化的物质。

2.  如权利要求1所述的方法，其中所述可固化组合物的密度为约4磅/加仑至约20磅/加仑。

3.  如权利要求1所述的方法，其中所述水以足以形成可泵送浆液的量存在。

4.  如权利要求1所述的方法，其中所述水泥质组分包含至少一种选自以下的组分：波特兰水泥、铝酸钙、石膏、火山灰质材料、窑灰和它们的任意组合。

5.  如权利要求1所述的方法，其中所述可固化组合物还包含第二水泥质组分，其中所述水泥质组分和所述第二水泥质组分具有不同的反应指数。

6.  如权利要求5所述的方法，其中所述水泥质组分和所述第二水泥质组分的反应指数呈现因数为至少约2:1的差异。

7.  如权利要求5所述的方法，其中所述水泥质组分和所述第二水泥质组分的反应指数呈现因数为至少约100:1的差异。

8.  如权利要求1所述的方法，其中已调节所述水泥质组分的粒径以调节所述确定的反应指数。

9.  如权利要求1所述的方法，其中已通过研磨降低了所述水泥质组分的粒径以调节所述确定的反应指数。

10.  如权利要求1所述的方法，其中所述确定的反应指数是所述水泥质组分的测量的参数除以所述水泥质组分的比表面积。

11.  如权利要求10所述的方法，其中所述测量的参数是抗压强度、杨氏模量、流体损耗、稠化时间、流变值、游离水或它们的任意组合。

12.  如权利要求1所述的方法，其中所述可固化组合物包含掺合的水泥质组分，所述掺合的水泥质组分包含所述水泥质组分。

13.  如权利要求12所述的方法，进一步包括使用以下方程来估计所述 可固化组合物的性能：

其中EP_掺合物是所述掺合的水泥质组分的估计的参数，i是一组水泥质组分1至n中单独的水泥质组分，n是整数，RI_i是水泥质组分i的反应指数，SSA_i是水泥质组分i的比表面积，f_i是水泥质组分i的质量分数，且m是1至10的值。

14.  如权利要求1所述的方法，进一步包括将所述可固化组合物置入被井孔穿过的地下地层中。

15.  如权利要求14所述的方法，其中可固化组合物用在所述井孔的初次注水泥中。

16.  如权利要求14所述的方法，其中所述可固化组合物用在所述井孔的补注水泥中。

17.  一种测量水泥质组分的反应性的方法，包括：
测量所述水泥质组分的参数，所述水泥质组分具有比表面积；以及
将所测量的参数除以所述水泥质组分的比表面积，以获得所述水泥质组分的反应指数。

18.  如权利要求17所述的方法，进一步包括制备包含所述水泥质组分的可固化组合物，以及使用所述反应指数来调节所述可固化组合物中的所述水泥质组分的量。

19.  如权利要求17所述的方法，其中所测量的参数是抗压强度、杨氏模量、流体损耗、稠化时间、流变值、游离水，或它们的任意组合。

20.  一种可固化组合物，包含：
水；和
具有经计算的反应指数的水泥质组分。

21.  如权利要求20所述的可固化组合物，还包含权利要求1-12中任一项中所定义的一个或多个特征。

确定水泥质组分的反应指数的方法、相关的组合物和使用方法
背景
本发明涉及水泥质组分(cementitious component)，并且更具体地，在某些实施方案中，涉及确定水泥质组分的反应指数的方法。
一般而言，井处理包括可以在油井、气井、地热井和/或水井中进行的多种方法，例如钻井、完井和修井(workover)方法。钻井、完井和修井方法可以包括但不限于钻井、压裂、酸化、测井(logging)、注水泥(cementing)、砾石充填、穿孔和性能验收(conformance)方法。这些井处理中的许多被设计为增强和/或促进从地下井中回收期望的流体。这些流体可以包括烃类，例如油和/或气。
在注水泥方法中，例如在井建设和补注水泥(remedial cementing)中，通常使用可固化组合物。本文所用的术语“可固化组合物”是指在水压下固化或者以其它方式产生抗压强度的组合物。可固化组合物可以用在初次注水泥(primary cementing)操作中，从而在井孔中向管线(例如套管和衬管(liner))注水泥。在进行初次注水泥时，可以将可固化组合物泵送进入地下地层与置于地下地层中的管线之间或者管线与置于地下地层中的更大的管道之间的环空(annulus)中。可固化组合物应当在环空中固化，从而形成硬化的水泥的环状鞘(如，水泥鞘)，该环状鞘应当支撑管线并将其定位在井孔中，并将管线的外表面与井孔的壁或与更大的管道结合。可固化组合物还可以用在补注水泥方法中，例如用在水泥塞的放置中，以及用在挤水泥(squeeze cementing)中用于密封管线、水泥鞘、砾石充填层、地层等等中的空隙。可固化组合物还可以用在地表用途中，例如用在建筑注水泥(construction cementing)中。
用在地下地层中的可固化组合物通常可以包括水泥质组分，其在水压下固化或者以其它方式硬化，以产生抗压强度。可以包括在可固化组合物中的水泥质组分的实例包括波特兰水泥(Portland cements)、铝酸钙水泥、水泥窑灰、石灰窑灰、飞灰、矿渣、浮石和稻壳灰，等等。可固化组合物中 的这些不同水泥质组分的性能可以变化，甚至对于一种具体的水泥质组分也可以变化，这取决于例如该组分的具体类型或来源。例如，这些水泥质组分中的某些可能具有不期望的性质，这可能使得它们不适于用在井处理中。此外，水泥质组分的性能的变化可能导致水泥质组分当在处理流体使用中时缺乏可预测性和一致性。这种可预测性和一致性缺乏甚至对于相同的水泥质组分(例如，如果来源于不同地点)也可能是明显的。
发明内容
本发明涉及水泥质组分，并且更具体地，在某些实施方案中，涉及确定水泥质组分的反应指数的方法。
一个实施方案公开了一种注水泥方法，包括：提供可固化组合物，该可固化组合物包含水和具有确定的反应指数的水泥质组分；以及使所述可固化组合物固化，以形成硬化的物质。
另一实施方案公开了一种测量水泥质组分的反应性的方法，包括：测量所述水泥质组分的参数，所述水泥质组分具有比表面积；以及用测量的参数除以所述水泥质组分的比表面积，以获得所述水泥质组分的反应指数。
另一实施方案公开了一种可固化组合物，包含：水；和具有经计算的反应指数的水泥质组分。
本发明的特征和优势对于本领域技术人员来说会是显而易见的。尽管本领域技术人员可以进行许多改变，但这样的改变均在本发明的精神范围内。
附图的简要描述
这些附图说明了本发明的一些实施方案的某些方面，并且不应当用于限制或定义本发明。
图1显示不同供应来源的水泥窑灰的测量的反应指数。
图2比较水泥窑灰的干混物(dry blend)的实际抗压强度和预测的抗压强度。
图3比较水泥窑灰的干混物在511s^-1下的实际体积平均表观粘度和预测的体积平均表观粘度。
图4比较水泥窑灰的干混物在51s^-1下的实际体积平均表观粘度和预测的体积平均表观粘度。
优选实施方案的描述
本发明涉及水泥质组分，并且更具体地，在某些实施方案中，涉及确定水泥质组分的反应指数的方法。通过确定水泥质组分的反应指数，可以将水泥质组分的掺合物(blend)用于井处理中，根据具体的实施方案，其可以提供更可预测的和一致的性能。此外，另外的实施方案可以包括使用确定的反应指数以提供水泥质组分的掺合物，其中一种或多种参数已被优化，包括例如抗压强度、杨氏模量、流体损耗和/或稠化时间。
不希望被理论所限制，但水泥质组分的反应指数可以被称为针对表面积的不同而调节的水泥质组分的反应性的量度。用于确定反应指数的示例性技术可以包括测量水泥质组分的参数，然后将该测量的参数除以水泥质组分的比表面积。在一些实施方案中，可以根据以下方程来计算水泥质组分的反应指数：
RI＝MP/SSA
其中RI是反应指数，MP是水泥质组分的测量的参数，且SSA是水泥质组分的比表面积。通常，比表面积是颗粒状固体的特性，且在本文中被定义为水泥质组分的总表面积除以水泥质组分的质量或者总表面积除以水泥质组分的毛体积。
通常，水泥质组分是在水压下固化或者以其它方式硬化以在水的存在下产生抗压强度的颗粒状固体。可以适合用于本发明的实施方案的水泥质组分的非限制性实例包括波特兰水泥、铝酸钙、石膏、火山灰质材料(pozzolanic materials)和窑灰。还可以使用一种或多种不同的水泥质组分的混合物。在一些实施方案中，水泥质组分可以与石灰组合。
在一些实施方案中，水泥质组分可以包含波特兰水泥。波特兰水泥是常用的水泥质组分，其在水压下与水反应，以产生抗压强度。适当的波特兰水泥的实例可以包括根据1990年7月1日美国石油协会(American Petroleum Institute)的API Specification for Materials and Testing for Well Cements，API Specification 10，第5版被分类为A、C、G和H级水泥的那 些。此外，适合用于本发明的实施方案的波特兰水泥还可以包括被分类为ASTM I、I/II、II、III、IV或V型的那些。在一些实施方案中，可以使用含有波特兰水泥的水泥质组分的掺合物。
在一些实施方案中，水泥质组分可以包含铝酸钙。铝酸钙可以在水压下与水反应以产生抗压强度。铝酸钙可以被包括在水泥中，通常被称为铝酸钙水泥或高铝含量水泥。可以通过包括将含钙的物质(如石灰石)与含铝的物质(如铝土矿)混合的制造方法来制备铝酸钙水泥。
在一些实施方案中，水泥质组分可以包含石膏。石膏是一种在水的存在下固化以产生抗压强度的物质。石膏可以被包括在水泥中，通常被称为石膏水泥。为了用在水泥中，在某些情况下，可以将石膏在极高温度下烧制然后研磨。在具体的实施方案中，可以将石膏添加至波特兰水泥。
在一些实施方案中，水泥质组分可以包含火山灰质材料。可以适合使用的火山灰质材料包括多种天然或人造材料，其在氢氧化钙的存在下表现出类似水泥的性质。可以适合用于本发明的实施方案的适当的火山灰质材料的实例包括天然或人造的火山灰，例如飞灰、硅粉、矿渣、烧结页岩、烧粘土、偏高岭土、浮石、硅藻土、火山灰、蛋白石页岩、凝灰岩，和烧制的有机物质，例如农业废弃物灰、城市废弃物灰(如城市固体废弃物灰)、废水处理废弃物灰、动物废弃物灰、非人-非动物工业废弃物灰和它们的组合。农业废弃物灰的具体实例包括例如稻壳灰、木材(如锯末、树皮、细枝、树枝、其它废木材)灰、树叶灰、玉米穗轴灰、甘蔗(如糖甘蔗)灰、蔗渣灰、谷物(如苋菜、大麦、玉米、亚麻籽、小米、燕麦、藜麦、黑麦、小麦等)和相关副产品(如荚、壳等)的灰、果园灰、藤修剪灰、草(如Korai、Tifton、原生shiba等)灰、秸秆灰、花生壳灰、豆科植物(如大豆)灰，和它们的组合。
在一些实施方案中，水泥质组分可以包含窑灰。窑灰的一个实例包括水泥窑灰。本文所用的术语水泥窑灰是指在水泥的生产过程中从气流中去除且在例如集尘器中收集的部分煅烧的窑进料。水泥窑灰通常可以表现出类似水泥的性质，因为它可以在水的存在下固化和硬化。通常，在水泥的生产中收集大量的水泥窑灰，其通常作为废物被处理。水泥窑灰的处理可以增加水泥生产中不期望的费用以及与其处理相关的环境问题。来自不同 水泥生产商的水泥窑灰的化学分析根据多种因素而变化，这些因素包括具体的窑进料、水泥生产操作的效率和相关的灰尘收集系统。水泥窑灰通常可以包含多种氧化物，例如SiO₂、A1₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、SO₃、Na₂O和K₂O。窑灰的另一实例包括石灰窑灰。本文所用的术语石灰窑灰是指在石灰的生产中产生的产物。在石灰石的煅烧中可以通过例如灰尘控制系统来收集石灰窑灰。
在一些实施方案中，可以测量水泥质组分的一个或多个参数，然后将其用于确定反应指数。该参数可以包括多种不同的参数，这些参数可以使用用于包含水泥质组分和水的可固化组合物的标准实验室测试技术来测量。可固化组合物中可以包括另外的组分，以例如改变处理流体的一种或多种性质。可以测量的水泥质组分或含有其的可固化组合物的参数包括例如抗压强度、杨氏模量、流体损耗、稠化时间、流变值(如体积平均表观粘度、塑性粘度、屈服点等)和/或游离水。
抗压强度通常为材料或结构承受轴向推力的能力。可以在将水泥质组分与水混合并将所得的处理流体保持在特定的温度和压力条件下之后在特定时间测量水泥质组分的抗压强度。例如，可以在将流体混合并将流体保持在170°F的温度和大气压力下之后约24至约48小时的范围内的时间测量抗压强度。可以通过破坏性方法或非破坏性方法来测量抗压强度。破坏性方法通过在压力试验机中将样品压碎而以物理方式测试处理流体样品在不同时间点的强度。由破坏荷载除以抵抗荷载的横截面积来计算抗压强度，并将其以每平方英尺的磅力(psi)为单位来报告。非破坏性方法通常可以采用可得自Fann Instrument Company,Houston,TX的超声水泥分析器(“UCA”)。可以根据2005年7月的API RP 10B-2,Recommended Practice for Testing Well Cements(第一版)来测定抗压强度。
杨氏模量也被称为弹性模量，是所施加的应力与所导致的应变的关系的量度。通常，高度可变形的(塑性的)材料在受限的应力增加时会显示出较低的模量。因此，杨氏模量是表明被测材料承受所施加的荷载的能力的弹性常数。可以使用多种不同的实验室技术来测量包含水泥质组分的处理流体在已使处理流体在指定的温度和压力条件下静置一段时间之后的杨氏模量。
流体损耗通常是指诸如处理流体的流体进入地下地层的损耗。可以使用多种不同的实验室技术来测量处理流体的流体损耗，以给出处理流体在井中的行为的指示。可以根据前述的API RP Practice 10B-2，使用静态流体损耗试验，用静态或搅拌的流体损耗池来测量流体损耗。
稠化时间通常是指包含水泥质组分的流体(例如处理流体)保持能够被泵送的流体状态的时间。可以使用多种不同的实验室技术来测量稠化时间，以给出处理流体在井中保持可泵送的时间量的指示。用于确定处理流体是否处于可泵送流体状态的示例性技术可以根据前述API RP Practice 10B-2中提出的用于测定水泥稠化时间的规程，在指定的压力和温度条件下使用高温高压稠度计。稠化时间可以是处理流体达到70伯登稠度单位(“Bc”)的时间，并且可以以达到70Bc的时间进行报告。
可以测定流体的流变值以表征流体的流变学行为。可以测定的流变值包括体积平均表观粘度、屈服点和塑性粘度等等。塑性粘度通常是流体抵抗流动的量度。在一些实施方案中，屈服点可以是Bingham塑性模型的参数，屈服点是屈服点上方的剪切应力/剪切率线的斜率。屈服点通常是材料不再能够弹性变形的点的量度。在一些实施方案中，屈服点可以是Bingham塑性模型的参数，屈服点是外推至剪切率为零的屈服应力。可以使用多种不同的实验室技术来测量处理流体的流变值，以给出处理流体在井中的行为的指示。可以根据API RP Practice 10B-2中提出的规程来测定流变值。
游离水通常是指流体中超出使流体的组分完全水合所需的水的任何水。游离水可以是不期望的，因为它可能在水泥组合物固化时从其中物理地分离。游离水还可以被称为游离流体。可以使用多种不同的实验室技术来测量处理流体的游离水，以给出处理流体在井中的行为的指示。可以根据API RP Practice 10B-2中提出的规程来测定游离水。
如前文所述，在不同类型的水泥质组分之间或者甚至在不同来源的一种具体类型的水泥质组分之间，水泥质组分的反应性可以变化。例如，波特兰水泥与另一种水泥质组分(诸如火山灰质材料)的反应性可以不同。作为另一个实例，水泥质组分的反应性可以在不同来源的该水泥质组分之间变化。在一些实施方案中，在两种或更多种不同来源之间，水泥质组分的反应指数可以呈现因数为至少约2:1的差异。例如，不同来源的水泥质 组分之间的反应指数可以呈现介于如下任意值之间的量和/或包括如下任意值的量的差异：约2:1、约10:1、约50:1、约100:1、约250:1、约500:1或约1000:1。因为反应性在不同的水泥质组分之间变化，甚至在不同来源的一种水泥质组分之间变化，不同水泥质组分的性能可能是不可预测的，并且还可能导致水泥质组分当用在诸如可固化组合物的处理流体中时缺乏一致性。在一些情况下，特定的水泥质组分的性能可能具有不期望的性质，这可能使其不适合使用。例如，来自特定来源的水泥质组分可以具有使得其不适合使用的性质。
在一些实施方案中，可以使用两种或更多种不同的水泥质组分的掺合物，以提供掺合的水泥质组分，其可以具有适合用于特定应用的性质。这可以是尤其有用的，例如，当掺合物中的水泥质组分之一可以具有使其不适于特定应用的性质时。例如，诸如来自第一来源的水泥窑灰的水泥质组分可以与诸如来自第二来源的水泥窑灰的水泥质组分掺合。在一些实施方案中，该水泥质组分中的一种或两种可以具有不适合特定应用的反应性。例如，每种水泥质组分的反应性对于特定的应用来说可以独立地为过慢或过快。来自两种不同来源的水泥质组分的掺合物可以形成具有适合该应用的抗压强度性质的掺合的水泥质组分。在一些实施方案中，可以随后调节掺合的水泥质组分中各水泥质组分的相对比例(如重量分数)，以调节掺合的水泥质组分的抗压强度性质。
掺合的水泥质组分中的两种或更多种水泥质组分可以包括例如两种或更多种不同类型的水泥质组分，例如波特兰水泥和水泥窑灰。或者，掺合的水泥质组分中的两种或更多种水泥质组分可以包括例如来自两种或更多种不同来源的水泥质组分。例如，第一水泥质组分可以包含来自第一来源的水泥窑灰，第二水泥质组分可以包含来自第二来源的水泥窑灰。应当理解，实施方案不限于仅两种不同来源，而可以包括来自三种、四种、五种或甚至更多种不同来源的水泥质组分，例如水泥窑灰。水泥质组分的两种或更多种不同来源可以包括不同的制造商、不同的水泥制造厂等等。水泥质组分，例如水泥窑灰(其是来自水泥制造厂的副产品)，可以具有遍布世界的多个不同的来源。例如，水泥窑灰的不同来源可以包括遍布世界的不同的可以产生水泥窑灰的制造厂。
可以例如在与水和/或处理流体的其它组分组合之前，将两种或更多种水泥质组分掺合以形成掺合的水泥质组分。在具体的实施方案中，可以将两种或更多种水泥质组分干混，以形成包含两种或更多种水泥质组分的干混物。然后可以将干混物与水和/或其它组分以任何顺序组合，以形成处理流体。然而，使用的术语“掺合”不意图暗示两种或更多种水泥质组分在与水组合之前已被干混。例如，可以不组合两种或更多种水泥质组分的掺合物，直至一种或者甚至两种水泥质组分都已经与水掺合之后。
在一些实施方案中，反应指数可以用于优化掺合的水泥质组分，其中该掺合的水泥质组分包含两种或更多种水泥质组分。例如，反应指数可以用于优化掺合的水泥质组分的一个或多个参数，包括抗压强度、杨氏模量、流体损耗和/或稠化时间。优化掺合的水泥质组分可以包括确定掺合的水泥质组分中的每种水泥质组分的反应指数。然后，可以使用水泥质组分的反应指数来预测掺合的水泥质组分的性能。可以调节每种水泥质组分的比例，以优化掺合的水泥质组分的性能。可以通过使用以下方程估计的掺合的水泥质组分的性能来优化掺合的水泥质组分的性能：

其中EP_掺合物是掺合的水泥质组分的估计的参数，i是一组水泥质组分1至n中的单独的水泥质组分，n是整数，RI_i是水泥质组分i的反应指数，SSA_i是水泥质组分i的比表面积，f_i是水泥质组分i的质量分数，且其中m是1至10的数字。水泥质组分的组可以包括2种或更多种不同的水泥质组分。两种或更多种不同的水泥质组分可以是不同类型的水泥质组分，例如波特兰水泥和矿渣，或者可以来自不同来源，例如来自第一来源的水泥窑灰和来自第二来源的水泥窑灰。在一些实施方案中，m可以是1。在另外的实施方案中，m可以是7/3。
在一些实施方案中，水泥质组分的平均粒径可以从其初始粒径发生改变。然后，可以对改变了的水泥质组分测量反应指数。改变了的水泥质组分可以被包括在掺合的水泥质组分中。根据本实施方案，可以使用任何适当的技术来改变水泥质组分的平均粒径，包括但不限于研磨或分离，以提供具有改变了的粒径的材料。分离水泥质组分可以包括筛分或者用于分离 水泥质组分的任何其它适当的技术，以提供已从其初始尺寸发生改变的平均粒径。例如，可以使用筛分以生产具有对于特定应用所期望的增加的或降低的平均粒径的水泥质组分。作为进一步的实例，可以使用研磨来降低水泥质组分的平均粒径。在一些实施方案中，可以使用研磨和分离的组合。本文所用的术语“研磨的(ground)”或“研磨(grinding)”意思是使用研磨机(如球磨机、棒磨机等)以降低指定组分的粒径。适当的研磨机的实例是可得自SPEX Sample Prep的8000Mixer/球磨机。在一些实施方案中，可以将水泥质组分研磨约30分钟至约1小时的一段时间。
可以将水泥质组分的平均粒径改变至适合用于注水泥操作的任何尺寸。在一些实施方案中，可以将水泥质组分的平均粒径从其初始粒径改变至具有约1微米至约350微米的平均粒径。该平均粒径对应于通过粒径分析仪(例如由Malvern Instruments,Worcestershire,United Kingdom所生产的那些)所测量的d50值。
在一些实施方案中，水泥质组分的平均粒径可以从其初始尺寸增加。例如，水泥质组分的平均粒径可以比其初始尺寸大至少5％。在一些实施方案中，可以将至少一部分的水泥质组分增加至比其初始尺寸大约5％至约500％的尺寸。在一些实施方案中，可以将平均粒径增加至介于如下任意值之间的尺寸和/或包括如下任意值的尺寸：比其初始尺寸大约5％、约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％、约70％、约80％、约90％、约100％、约200％、约300％、约400％、或约500％。
在一些实施方案中，可以将水泥质组分的平均粒径从其初始尺寸降低。例如，可以将平均粒径降低足以增加水泥质组分的抗压强度的量。在一些实施方案中，水泥质组分的平均粒径可以比其初始尺寸小至少5％。在一些实施方案中，至少一部分的水泥质组分的平均粒径可以被降低至其初始尺寸的约5％至约95％。例如，平均粒径可以被降低至如下任意值之间的尺寸和/或包括如下任意值的尺寸：其初始尺寸的约5％、约10％、约15％、约20％、约25％、约30％、约35％、约40％、约45％、约50％、约55％、约60％、约6％、约70％、约75％、约80％、约90％或约95％。作为实例，粒径降低的水泥质组分的平均粒径可以为低于约15微米。在一些实施方案中，粒径降低的水泥质组分的平均粒径可以为低于约10微米、低于约5微 米、低于约4微米、低于约3微米、低于约2微米、或低于约1微米。在具体实施方案中，粒径降低的水泥质组分的平均粒径可以为约0.1微米至约15微米、约0.1微米至约10微米、或约1微米至约10微米。本领域普通技术人员，得益于本公开，应当能够选择适合于特定应用的水泥质组分的粒径。
在一些实施方案中，可以将水泥窑灰的平均粒径降低足以提供增加的可固化组合物的抗压强度的量。例如，可以将平均粒径降低，以使抗压强度提高至少约5％、约25％、约50％、约75％或约100％。
根据本实施方案，可以将水泥质组分包括在处理流体中，该处理流体可以用在能够在地下地层中实施的多种操作中。水泥质组分可以具有根据所公开的实施方案计算的反应指数。在一些实施方案中，可以使用掺合的水泥质组分。在一些实施方案中，可以将反应指数用于确定具体的掺合的水泥质组分的水泥质组分。本文中所提及的术语“处理流体”应当被理解为意指可以被用在地下应用中与期望的功能相关联和/或用于期望的目的的任何流体。术语“处理流体”不意图暗示该流体的任何特定的作用。处理流体经常被用在例如钻井、完井和井刺激操作中。这种处理流体的实例包括钻井液、洗井液、修井液、验收液(conformance fluids)、砾石充填液、酸化液、压裂液、水泥组合物、隔离液等等。
尽管组合物和方法的实施方案可以用在多种应用中，但它们可以特别用于地下完井和补充操作中，例如井孔中套管和衬管的初次注水泥。它们还可以用于地表注水泥操作，包括建筑注水泥操作。因此，本发明的实施方案公开了包含水泥质组分和水的可固化组合物。
水泥质组分可以以适合于特定应用的量被包括在可固化组合物的实施方案中。在一些实施方案中，水泥质组分可以包含水泥窑灰。水泥窑灰存在的量可以为水泥质组分(“bwoc”)的约0.01％至100％重量比。例如，水泥窑灰存在的量可以为介于如下任意值之间和/或包括如下任意值：约0.01％、约5％、约10％、约20％、约30％、40％、约50％、约60％、约70％、约80％、约90％或约100％。水泥质组分可以不含或基本上不含(例如，不超过水泥质组分的1％重量比)除了该水泥质组分以外的任何其它的水泥质组分。在一些实施方案中，水泥质组分可以基本上不含波特兰水泥。本领 域普通技术人员，得益于本公开，应当能够确定对于特定应用要包括的水泥质组分的适当的量。
本发明的可固化组合物的实施方案中所用的水可以包括例如淡水、盐水(如含有溶解于其中的一种或多种盐的水)、浓盐水(如产自地下地层的饱和盐水)、海水，或它们的任意组合。通常，水可以来自任何来源，前提是例如其不含有过量的可能不期望地影响可固化组合物中其它组分的化合物。在一些实施方案中，可以以足以形成可泵送浆液的量包括水。在一些实施方案中，水可以以约40％至约200％bwoc的量包括在本发明的可固化组合物中。例如，水存在的量可以为介于如下任意值之间和/或包括如下任意值：水泥的约50％、约75％、约100％、约125％、约150％或约175％重量比。在具体实施方案中，包括的水的量可以为约40％至约150％bwoc。本领域普通技术人员，得益于本公开，会知晓对于所选的应用要包括的水的适当的量。
根据本发明的实施方案，还可以向可固化组合物的实施方案添加适合于用在地下注水泥操作中的其它添加剂。这种添加剂的实例包括但不限于流体损耗控制添加剂、缓凝剂、强度衰退添加剂、促凝剂、增重剂、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、发泡添加剂、触变添加剂，以及它们的任意组合。这些添加剂和其它添加剂的具体实例包括结晶二氧化硅、无定形二氧化硅、气相二氧化硅、盐、纤维、水合性粘土、煅烧页岩、玻璃化页岩、微球、中空玻璃球、飞灰、硅藻土、偏高岭土、研磨的珍珠岩、稻壳灰、天然火山灰、沸石、水泥窑灰、树脂，它们的任意组合，等等。本领域普通技术人员，得益于本公开，会很容易能够确定对于特定的应用和期望的结果可用的添加剂的类型和量。
本领域普通技术人员会理解，可固化组合物的实施方案通常应当具有适合于特定应用的密度。作为实例，可固化组合物的实施方案的密度可以为约4磅/加仑(“lb/gal”)至约20lb/gal。在某些实施方案中，可固化组合物的密度可以为约8lb/gal至约17lb/gal。可固化组合物的实施方案可以是发泡的或不发泡的，或者可以包含其它降低其密度的方式，例如中空微球、低密度弹性珠，或本领域中已知的其它降低密度的添加剂。此外，可固化 组合物可以包含增重剂或其它增加其密度的方式。本领域普通技术人员，得益于本公开，会知晓用于特定应用的适当的密度。
在一些实施方案中，可固化组合物在3,000psi和约50°F至约400°F或者约80°F至约250°F或者约140°F的温度下的稠化时间可以为超过约1小时或者超过约2小时或者超过约5小时。在一些实施方案中，可固化组合物在大气压力和约50°F至约400°F或者约80°F至约250°F或者约180°F的温度下的24-小时抗压强度可以为约100psi至约10,000psi或者约350psi至约3,000psi。
可以将可固化组合物的组分以期望形成可以被置于地下地层中的可固化组合物的任何顺序组合。此外，可以使用任何与组合物相容的混合装置(包括例如大容量混合机)将可固化组合物的组分组合。在一些实施方案中，可以首先通过水泥质组分或者水泥质组分的混合物来形成干混物。然后，可以将干混物与水组合以形成可固化组合物。本领域普通技术人员根据本发明的实施方案会理解，可以使用其它适当的技术来制备可固化组合物。
本领域普通技术人员会理解，本发明的水泥组合物的实施方案可以用于多种注水泥操作中，包括地表和地下操作，例如初次注水泥和补注水泥。在一些实施方案中，可以提供包含水泥质组分和水的水泥组合物，并使其固化。在某些实施方案中，可以将水泥组合物引入到地下地层中，并使它在其中固化。本文所用的将水泥组合物引入到地下地层中包括引入到地下地层的任何部分中，包括但不限于引入到钻入地下地层的井孔中、引入到围绕井孔的近井孔区域中，或者二者。
例如，在初次注水泥实施方案中，实施方案可以包括提供水泥组合物，将所述水泥组合物引入到井孔环空中；并使所述水泥组合物在所述环空中固化以形成硬化的物质。井孔环空可以包括例如管道(如管线、衬管等)和井孔壁之间或者该管道与井孔中更大的管道之间的环状空间。通常，在大多数情况下，硬化的物质应当将管道固定在井孔中。
在补注水泥实施方案中，可以在例如挤水泥操作中或在水泥塞的放置中使用水泥组合物。作为实例，可以将水泥组合物放置在井孔中以堵塞开口，例如地层中、砾石充填层中、管道中、水泥鞘中、和/或水泥鞘与管道 或地层之间的微环隙中的空隙或裂缝。这种方法的实例可以包括将水泥组合物放置在空隙中，并使水泥组合物在空隙中固化。
尽管前文的描述涉及水泥质组分在注水泥方法中的用途，但应当理解，本技术的实施方案还涵盖水泥质组分在多种不同的地下处理中的任一种中的用途。水泥质组分可以具有根据所公开的实施方案确定的反应指数。在一些实施方案中，可以使用掺合的水泥质组分。在一些实施方案中，反应指数可以用于确定特定的掺合的水泥质组分中水泥质组分的量。一个示例性方法可以包括地下处理方法，该地下处理方法包括提供包含水泥质组分的处理流体并将该处理流体引入到地下地层中。例如，钻井液可以包含水泥质组分，其中钻井液可以向下经过钻杆和钻头然后向上经过井孔达到地表而是循环的。所用的钻井液可以是许多种流体(气体或液体)，和流体与固体的混合物(例如固体悬浮液、混合物和乳浊液)。
在一些实施方案中，隔离液可以包含水泥质组分，该组分可以具有根据所公开的实施方案确定的反应指数。隔离液可以例如用于从井孔中置换流体。在一个实施方案中，被隔离液置换的流体包括钻井液。作为实例，隔离液可以用于从井孔中置换钻井液。钻井液可以包括例如许多种流体，例如固体悬浮液、混合物和乳浊液。该方法的实施方案中的额外步骤可以包括向井孔中引入管线，向井孔中引入水泥组合物，用隔离液分隔水泥组合物和第一流体。在实施方案中，可以使水泥组合物在井孔中固化。水泥组合物可以包括例如水泥和水。在一些实施方案中，可以将至少一部分的隔离液留在井孔中，隔离液在井孔中固化以形成硬化的物质。
实施例
为了有助于更好地理解本发明，给出一些实施方案的某些方面的以下实施例。以下实施例不应以任何方式被解读为限制或定义本发明的整体范围。
实施例1
确定了三十三个不同的水泥窑灰样品(被指定为样品A至GG)的抗压强度的反应指数，并将其提供在图1中。CKD样品各自来自不同的供应 来源。通过将测定的可固化组合物的24-小时抗压强度除以CKD样品的比表面积而确定三十三个CKD样品的反应指数。通过将具体CKD样品的总表面积除以样品质量而确定每个CKD样品的比表面积。使用Malvern粒径分析仪来测定表面积。通过首先制备包含100％bwoc的量的CKD样品和足以提供约13lb/gal的密度的量的水的可固化组合物来确定每个CKD样品的24-小时抗压强度。在制备之后，使可固化组合物在置于170°F的水浴中的2”×4”的金属圆筒中固化24小时以形成固化的水泥圆柱体。在从水浴中移除之后，立即根据API RP 10B-2使用机械压力机来测定破坏性抗压强度。
实施例2
制备掺合的水泥质组分，如下表所示，其包含来自实施例1的CKD样品的混合物。然后，在以下方程中使用确定的CKD样品的反应指数，以预测每种掺合的水泥质组分的性能。
CS_掺合物＝(RI_Z)(SSA_Z)(f_Z)^m₊(RI_F)(SSA_F)(f_F)^m+(RI_E)(SSA_E)(f_E)^m
其中CS_掺合物是掺合的水泥质组分的估计的抗压强度，RI_Z是CKD样品Z的抗压强度的反应指数且其是6.9，m是1，SSA_Z是CKD样品Z的比表面积且其是2.32，f_Z是CKD样品Z的质量分数，RI_F是CKD样品F的抗压强度的反应指数且其是105，SSA_F是CKD样品F的比表面积且其是2.33，f_F是CKD样品F的质量分数，RI_E是CKD样品E的抗压强度的反应指数且是107，SSA_E是CKD样品E的比表面积且是3.6，且f_E是CKD样品E的质量分数。
然后，将掺合的水泥质组分的估计的抗压强度值与掺合的水泥质组分的实际24-小时抗压强度值比较。通过首先制备包含100％bwoc的量的掺合的水泥质组分和足以提供13lb/gal的密度的量的水的可固化组合物来确定每种掺合的水泥质组分的24-小时抗压强度。向一些样品中以0.5％bwoc至1.0％bwoc的量添加水泥分散剂(CFR-3^TM水泥降阻剂，来自Halliburton Energy Services,Inc.)且其不应当影响确定的抗压强度值。在制备之后，使可固化组合物在置于140°F的水浴中的2”×4”的金属圆筒中固化24小时以形成固化的水泥圆柱体。在从水浴中移除之后，立即根据API RP 10B-2使用机械压力机来测定破坏性抗压强度。
图2中提供了实际抗压强度值与估计的抗压强度值的图表。如图2所示，绘制图表的值具有为0.952的R²值和为0.9253的斜率。掺合的水泥质组分的估计的和实际的抗压强度值也提供在下表1中。
表1

实施例3
对于来自实施例的CKD样品Z、F和E确定了在511s^-1和51s^-1下的体积平均表观粘度的反应指数，且将其提供在下表2中。通过将可固化组合物的确定的体积平均表观粘度除以CKD样品的比表面积来确定这些样品的反应指数。通过将具体CKD样品的总表面积除以样品质量来确定每个CKD样品的比表面积。使用Malvern粒径分析仪来测定表面积。通过首先制备包含100％bwoc的量的CKD样品和足以提供约12lb/gal的密度的量的水的可固化组合物来确定每个CKD样品的24-小时体积平均表观粘度(“VAV”)。根据API RP 10B-2在511s^-1和51s^-1下测量体积平均表观粘度。 表2