[发明专利]可用在地下井作业中的包含金属硅化物的泡沫水泥组合物

说明书

相关申请交叉引用

本申请要求2011年6月14日提交的美国申请61/496 881的优先权，其在此通过引用结合到本文中。

发明领域

本发明涉及水泥和巩固作业技术领域。更具体地，本发明涉及包含碱金属硅化物的可发泡水泥组合物，其在制造轻质泡沫水泥、混凝土和灌浆中的用途，以及使用可发泡水泥组合物的方法，特别是在涉及井和钻孔的地下作业中。

背景技术

水泥和水泥结构在工业应用和日常生活中都是司空见惯的。例如，为了开采位于地下岩层或区域中的天然资源（如天然气、石油和水），钻一个井筒向下至所述地下岩层，同时在该井筒中循环钻井液。在结束钻井液的循环之后，在该井筒中安装一连串的管（例如，套管）。然后，通常通过管的内部向下和通过位于所述管的外部和井筒的壁之间的环隙向上循环钻井液。接下来，通常进行初级巩固，凭此可以在井筒中巩固管线（如套管）和衬里。在进行初次巩固中，可以将水硬水泥组合物泵入位于井筒的壁和其中放置的管线的外表面之间的环形空间中。使所述水泥组合物在环形空间中凝固，从而在其中形成基本上硬化的不可渗透的水泥的环形护层，其在井筒中充分支撑和定位所述管线并且将所述管线的外表面结合到所述井筒的壁。

将水泥浆放置在环隙中并使其凝固成硬块（即，护层），从而将管线连接到井筒的壁且密封环隙。一旦凝固，水泥护层可能经受各种循环、剪切、拉伸、冲击、挠曲和/或压缩应力，其可能导致水泥护层失效。这种失效可以是断裂、裂纹和/或水泥护层与管线和/或岩层的剥离的结果。不期望地，水泥护层失效可能导致失去层间封隔，造成，例如，岩层区域之间的不期望的流体移动。这可能导致不期望的后果，如生产损失、昂贵的补救作业、环境污染、由失去层间封隔引起的出乎意料的来自地层的流体流动导致的的危险钻机作业、和/或危险的生产作业。此外，由围绕井筒的地下岩层中的位移施加的力、水泥侵蚀以及来自钻头和钻杆的反复冲击也可能引起水泥护层的失效。

也可以进行随后的二次巩固作业。二次巩固作业的一个例子是挤水泥，凭此利用水泥浆来填塞和封闭水泥护层和/或套管中的不期望的流动通道。水泥组合物也可以用于补救巩固作业，如填塞井筒中的高渗区域或断裂，堵塞管线中的裂纹和洞，等等。

用于地下作业的水泥组合物可以是轻质的，以防止在被井筒穿透的地下地层上施加过度的液体静压，凭此所述地层可能会被无意地打断。在一些环境中，巩固作业可能需要具有降低的密度的轻质水泥浆（例如，低密度浆体）。例如，横跨高度耗竭区域和较弱地层的巩固可能需要轻质水泥进行充分的循环。如果所述水泥不能成功循环，可能无法实现期望的水平的环形填充，并由此可能无法实现期望的密封。结果，由于补救工作，可能会对钻井成本有很大影响并且可能发生投产的延期。

通常，水泥也被用于地上结构，例如，建筑、交通和其他工业。由水泥制成的普通地上结构和材料的例子包括，但不限于，建筑材料（地板、梁、柱、屋顶、桩、砖、灰浆、板、灰泥）；交通材料（公路、小路、十字路口、桥、枕木、高架桥、隧道、加固、跑道、停车场）；水导管（管、涵洞、边石、下水道、沟渠、堰、坝、罐、池）；支撑结构（桥墩、船坞、护壁、筒仓、储仓、柱、电缆塔、围墙）；农业结构（建筑物、加工、住房、饲养场、灌溉）；甚至艺术品（雕像、雕塑和雕刻）。这些用途中的每个都可以从轻质水泥组合物的使用中受益。