[发明专利]用于设计水泥组合物的方法和装置

说明书

技术领域

本发明一般地涉及固井（井注水泥，well cementing）。更具体地，本发明涉及用于设计水泥组合物的方法以及其中所使用的装置。

背景技术

区域隔离是指隔离地下地层（subterranean formation）或区域（其作为自然资源如气、油、或水的来源）与其它地下地层。为了实现地下地层的隔离，通过向下钻井筒到地下地层，同时通过井筒循环钻井液。在钻进结束以后，在井筒中移动管柱，例如，套管。接着，通常进行初次固井（初次注水泥），借此将水泥浆置于环形缝中并允许凝固成硬凝结物，从而将管柱连接于井筒的壁并密封环形缝。还可以进行随后的二次固井操作如挤压固井（挤压注水泥）。

通常，用于油田应用的水泥浆设计涉及优化水泥浆密度、流变性能、泵送时间、流体损失、沉降、强度发展时间、气体迁移（在放置期间），和机械性能如抗压强度、拉伸强度、泊松比、杨氏模量等，用于长期区域隔离。可以通过包括具有不同密度的各种添加剂来改进这些机械性能。对包括上述添加剂的一个挑战是添加剂的密度变化对水泥浆的均匀性的影响。添加剂的不同密度可以导致在水泥浆中的非均匀密度分布。例如，较高密度添加剂可以倾向于沉降到水泥浆的下部而较低密度添加剂倾向于上升到或保留在上部。

测定沉降的常规方法是用凝固水泥进行。然而，这样的程序需要时间，因为在沉降测量以前必须固化和凝固水泥，其可以需要长达14天。因此，可取的是开发用于测定沉降的改进的方法。另外可取的是开发用于设计适用于地下地层的长期区域隔离的水泥组合物的方法。

发明内容

本文披露了一种方法，该方法包括：制备基础水泥浆料，该基础水泥浆料包含水泥、水、和一种或多种添加剂；将基础水泥浆料的样品放入具有垂直高度的样品容器；以及在沿着垂直高度的一个或多个位置测量超声波能量通过样品的飞行时间以测定基础水泥浆料的沉降性能。

本文还披露了一种方法，该方法包括：提供沉降试验装置，该沉降试验装置包括具有垂直高度的柱和彼此相对放置并且柱位于其间的至少一对超声波转换器；将水泥浆料样品放置在柱内；以及在沿着垂直高度的一个或多个位置测量超声波能量通过样品的飞行时间以测定水泥浆料的沉降性能。

附图说明

为了更完整地了解本发明和其优点，现参照以下简要描述，并连同附图和详细描述。

图1是说明设计水泥组合物的方法的流程图。

图2是沉降试验装置的示意图。

图3说明适用于实施本发明的若干实施方式的计算机系统。

图4是流程图，其说明利用图2所示的沉降试验装置来测试水泥组合物的沉降的方法。

具体实施方式

在附图和其后的描述中，在整个说明书和附图中，通常分别用相同的标记数字来标记相同部分。附图不一定是按比例的。可以以放大尺度或以在某种程度上示意图的形式来示出本发明的某些特征，并且为了清晰和简洁可以不示出常规元件的一些细节。

应当明了，本文中提及测定水泥组合物的机械性能是指测定凝固水泥组合物的性能。在本文中，“优化范围”是指特定参数可以呈现的可接受值的范围。如所指示的，“优化范围”可以是参数的数值的特定范围或可以是相对于基础水泥组合物(BCC)的数值。在数值是相对于BCC(例如，由水泥、水、和可选的一种或多种添加剂构成的水泥浆料)的情况下，应当理解，所讨论的参数是按照称作ASTM的方法针对BCC所测得。

参照图1，图1示出流程图，其说明设计适用于对地下地层固井（注水泥）的水泥组合物的方法100。应当明了，“地下地层（subterranean formations）”包括在外露土以下的区域和在被水（如海洋或淡水）覆盖的地球表面以下的区域。