[发明专利]包含水泥窑粉尘、玻璃化页岩、沸石和/或无定形二氧化硅，具有一定的堆积体积分数的粘结组合物,及相关方法

说明书

技术领域

本发明涉及粘结操作，更具体地，涉及通过利用一定的堆积体积分数制备的包含水、水泥窑粉尘(“CKD”)、玻璃化页岩(vitrified shale)、沸石和/或无定形二氧化硅的粘结组合物的用途，和相关的使用方法。 

背景技术

粘结组合物(cementing compositions)通常用于多种地下操作。可能涉及粘结组合物的地下应用包括但不限于初次注水泥、补注水泥和钻井操作。例如，水泥组合物用于初次注水泥操作，从而使管线(比如外壳和衬套)粘结在井孔中。在进行初次注水泥时，将水泥组合物泵入井孔壁和置于其中的管线的外表面之间的环形空间中。水泥组合物可在环形空间中固化，从而在其中形成硬化的基本不可渗透的水泥的环形壳，其充分支持并定位井孔中的管线，并将管线的外表面结合至井孔壁。水泥组合物还用于堵塞和废弃操作，以及补注水泥操作，比如堵塞井孔中的渗透区或断裂，堵塞管线中的破裂和孔洞等。粘结组合物还可用于表面应用，例如，建筑粘结。 

迄今使用的粘结组合物通常包含波特兰水泥。波特兰水泥一般是粘结组合物的成本的主要部分。为了降低这种粘结组合物的成本，除波特兰水泥之外，或代替波特兰水泥，可在粘结组合物中包括其他固体颗粒组分。粘结组合物中的获得的多种固体颗粒材料的组合可引起“沉降效果(settlingeffect)”，其中不同尺寸的颗粒材料以不同的速度分别沉降。水泥组合物中固体的这种沉降可引起有缺陷的粘结过程以及使凝固的水泥不能提供区域隔离。因此，尤其需要用于油井水泥的改进的粘结组合物，其使用时不引起固体颗粒的沉降。 

发明内容

本发明涉及粘结操作，更具体地，涉及通过具有一定的堆积体积分数 (packing volume fraction)制备的包含水、CKD、玻璃化页岩、沸石和/或无定形二氧化硅的粘结组合物的用途，和相关的使用方法。 

在一个实施方案中，本发明提供一种组合物，其包含：水；和选自下列组中的至少三种颗粒材料：(a)水泥窑粉尘、玻璃化页岩、沸石、或无定形二氧化硅，其粒径在约7纳米到约50纳米的范围内；(b)水泥窑粉尘、玻璃化页岩、沸石、或无定形二氧化硅，其粒径在约0.05微米到约0.5微米的范围内；(c)水泥窑粉尘、玻璃化页岩、沸石、或无定形二氧化硅，其粒径在约0.5微米到约10微米的范围内；(d)水泥窑粉尘、玻璃化页岩、沸石、或无定形二氧化硅，其粒径在约10微米到约20微米的范围内；(e)水泥窑粉尘、玻璃化页岩、沸石、或无定形二氧化硅，其粒径在约20微米到约200微米的范围内；(f)水泥窑粉尘、玻璃化页岩、沸石、或无定形二氧化硅，其粒径在约200微米到约800微米的范围内；和(g)水泥窑粉尘、玻璃化页岩、沸石、或无定形二氧化硅，粒径大于约1毫米，其中该至少三种颗粒材料的固体体积总量具有最大堆积体积分数。 

在一个实施方案中，本发明提供一种方法，其包括提供选自下列组中的至少三种颗粒材料的未水合的混合物：(a)水泥窑粉尘、玻璃化页岩、沸石、或无定形二氧化硅，其粒径在约7纳米到约50纳米的范围内；(b)水泥窑粉尘、玻璃化页岩、沸石、或无定形二氧化硅，其粒径在约0.05微米到约0.5微米的范围内；(c)水泥窑粉尘、玻璃化页岩、沸石、或无定形二氧化硅，其粒径在约0.5微米到约10微米的范围内；(d)水泥窑粉尘、玻璃化页岩、沸石、或无定形二氧化硅，其粒径在约10微米到约20微米的范围内；(e)水泥窑粉尘、玻璃化页岩、沸石、或无定形二氧化硅，其粒径在约20微米到约200微米的范围内；(f)水泥窑粉尘、玻璃化页岩、沸石、或无定形二氧化硅，其粒径在约200微米到约800微米的范围内；和(g)水泥窑粉尘、玻璃化页岩、沸石、或无定形二氧化硅，粒径大于约1毫米，其中所述至少三种颗粒材料的固体体积总量具有最大堆积体积分数；并向所述未水合的混合物中加入水以形成可固化组合物。