JP2017508709A - 不動態化されたセメント促進剤 - Google Patents

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Abstract

実施形態は、セメンチング作業に関し、ある特定の実施形態において、不動態化されたセメント促進剤、および不動態化されたセメント促進剤を地下層において使用する方法に関する。実施形態は、セメント、水、および不動態化されたセメント促進剤を含むセメント組成物を提供することと；セメント組成物を凝結させることとを含むセメンチングの方法を含んでいてよい。
【選択図】図３

Description

実施形態は、セメンチング作業に関し、ある特定の実施形態において、不動態化されたセメント促進剤、および不動態化されたセメント促進剤を地下層において使用する方法に関する。
セメント組成物は、種々の地下作業において使用され得る。例えば、地下の井戸建設において、パイプストリング（例えば、ケーシング、ライナー、拡張可能なチューブラーなど）が坑井内に走行し、適所でセメンチングされ得る。パイプストリングを適所でセメンチングするプロセスは、「一次セメンチング」と一般に称される。典型的な一次セメンチング方法において、セメント組成物は、坑井の壁と、その中に設けられたパイプストリングの外面との間のアニュラス内にポンプで注入され得る。セメント組成物は、アニュラス空間において凝結することにより、パイプストリングを坑井において支持して位置付けすることができかつパイプストリングの外面を地下層に接着させることができる硬化された実質的に不透過性のセメントのアニュラスシース（すなわち、セメントシース）を形成することができる。とりわけ、パイプストリングを包囲するセメントシースは、アニュラスにおいて流体の移動を防止する機能があり、また、パイプストリングを腐食から保護する機能がある。セメント組成物はまた、リメディアルセメンチング方法にも使用されて、例えば、パイプストリングまたはセメントシースにおける割れ目または穴を封止し、高透過性の層領域または破砕部を封止し、セメントプラグを設置することなどもできる。
広範な種々のセメント組成物が地下セメンチング作業において使用されてきた。いくつかの例において、セメント促進剤は、セメントの強度発現を加速させるのに使用され得る。例えば、セメント促進剤は、セメント組成物に添加されて、強度発現の早い段階で（例えば、１６０°Ｆ未満の温度で２４時間以内に）セメント組成物に相当の強度を提供することができる。他の理由の中でも、セメント促進剤は、例えば、作業の長さを（例えば、水和の期間を低減することによって）低減することが望まれる坑井用途においての使用に好適であり得る。セメント促進剤はまた、例えば、地表付近での作業において、またはセメントを遅延し得る添加剤が使用されてきたシステムにおいて、低温の遅延効果に対抗するのにも好適であり得る。
これまでセメント促進剤が開発されているが、地下セメンチング作業における成功裏の利用についての課題が存在する。例えば、セメント促進剤は、セメンチング作業におけるその使用および有効性を制限する可能性がある望ましくないゲル化の問題を有し得る。これらの問題は、分散剤の存在によってさえ残り得る。さらに、いくつかのセメント促進剤は、瞬結を誘発し得る。瞬結は、セメントの設置を困難にする可能性があり、層を損傷する可能性があり、また、作業の遅延および作業コストの増大をもたらす場合がある。開発されている常套的なセメント促進剤、例えば、ＣａＣｌ2を含むものは、いくつかの作業においては効果的であり得るが、いくつかのタイプのセメントにおける、またはいくつかのタイプの添加剤によって遅延されたセメントにおける使用を制限する場合がある。例えば、ＣａＣｌ2は、通常、４０°Ｆの低い温度では使用可能でなく、さらに、ＣａＣｌ2は、坑井装置を腐食するため、コストならびに層の損傷の危険性を増加させることが知られている。
これらの図は、本方法の実施形態のいくつかのある特定の態様を示しており、該方法を限定または定義するのに使用されるべきではない。
図１は、ある特定の実施形態による、セメント組成物の調製および坑井への送達のためのシステムを示す。 図２は、ある特定の実施形態による、坑井へのセメント組成物の設置に使用され得る地表装置を示す。 図３は、ある特定の実施形態による、坑井アニュラス内へのセメント組成物の設置を示す。
実施形態は、セメンチング作業に関し、ある特定の実施形態において、不動態化されたセメント促進剤、および不動態化されたセメント促進剤を地下層において使用する方法に関する。不動態化されたセメント促進剤を含むセメント組成物は、地表セメンチング作業（例えば、建設）および地下セメンチング作業（例えば、一次およびリメディアルセメンチング）を含めた種々のセメンチング作業に使用され得る。これらの方法および組成物に対する多くの可能性のある利点のうちの１つは、該方法および組成物が、早期強度発現を増加させ得るが、ゲル化または瞬結を誘発し得ないまたはこれに寄与し得ないことである。さらに、本明細書における方法および組成物は、早期強度発現を加速させかつ圧縮強度をセメント組成物に付加する低コストの事業計画手段を提供するが、典型的な促進剤は、単に、セメントの強度発現を加速させるのみである。
例としてのセメント組成物は、セメントおよび水を含んでいてよい。任意に、セメント組成物は、石灰、分散剤、および／または凝結遅延剤をさらに含んでいてよい。以下に、より詳細に議論されているように、不動態化されたセメント促進剤は、例えば、セメント組成物の早期強度発現を増加させるのに使用され得る。セメント組成物は、比較的低温、例えば、約４０°Ｆ以下〜約２００°Ｆの範囲内の温度を有する地下層；および最大で約５００°Ｆ以上の温度を有する地下層におけるものを含めた、多数の地下セメンチング作業に好適であり得る。特定の実施形態において、セメント組成物は、約４０°Ｆ〜約２４０°Ｆの温度範囲を有する地下層において使用され得る。
セメント組成物は、セメントを含んでいてよい。水との反応によって凝結かつ硬化するカルシウム、アルミニウム、ケイ素、酸素、鉄、および／または硫黄を含むセメントを含めた種々のセメントの任意のものが好適であり得る。好適であり得るセメントの具体例として、限定されないが、ポルトランドセメント、プゾラナセメント、石膏セメント、高アルミナ含量セメント、シリカセメント、スラグセメント、およびこれらの任意の組み合わせが挙げられる。好適なポルトランドセメントの例として、米国石油協会、坑井セメントの材料および試験のためのＡＰＩ規格、ＡＰＩ規格１０、第５版（１９９０年７月１日）によるクラスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｇ、またはＨセメントとして分類されるものを挙げることができる。好適なポルトランドセメントのさらなる例として、ＡＳＴＭタイプＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、またはＶとして分類されるものを挙げることができる。
セメントの実施形態は、軽石、プゾラナセメント系材料を含んでいてよい。一般に、軽石は、水和石灰および水の存在下で凝結かつ硬化し得るという点においてセメントの特性を示すことができる火山岩である。軽石は、粉砕されていてもよい。一般に、軽石は、特定の用途のために所望によりいずれの粒径分布を有していてもよい。ある特定の実施形態において、軽石は、約１ミクロン〜約２００ミクロンの範囲のｄ５０粒径分布を有していてよい。ｄ５０値は、粒径分析器、例えばＭａｌｖｅｒｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（ウースターシャー、英国）によって製造される粒径分析器によって測定されてよい。具体的な実施形態において、軽石は、約１ミクロン〜約２００ミクロン、約５ミクロン〜約１００ミクロン、または約１０ミクロン〜約２５ミクロンの範囲のｄ５０粒径分布を有していてよい。１つの特定の実施形態において、軽石は、約１５ミクロン以下のｄ５０粒径分布を有していてよい。好適な軽石の例は、Ｈｅｓｓ Ｐｕｍｉｃｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．，（マラド、アイダホ州）から入手可能なＤＳ−３２５軽量骨材であり、約１５ミクロン以下のｄ５０粒径分布を有する。粒径が小さすぎると混合性の問題を有し得る一方で、粒径が大きすぎると組成物に効果的に懸濁され得ないということが認識されるべきである。当業者は、本開示の利益により、選択される用途に好適な軽石について粒径を選択することができるはずである。
セメントの実施形態は、スラグを含んでいてよい。スラグは、概して、鉄鉱石において見られる酸化された不純物を含む鋳鉄の製造からの、粒状の、溶鉱炉の副生成物である。スラグは、特定の用途に好適な量で実施形態の水硬性セメントに含まれていてよい。
セメントの実施形態は、フライアッシュ、プゾラナセメント系材料を含んでいてよい。米国石油協会、坑井セメントの材料および試験のためのＡＰＩ規格、ＡＰＩ規格１０、第５版（１９９０年７月１日）によってクラスＣおよびクラスＦのフライアッシュとして分類されるフライアッシュを含めた、種々のフライアッシュが好適であり得る。クラスＣのフライアッシュは、シリカおよび石灰の両方を含むため、水との混合の際に凝結して硬化された塊を形成し得る。クラスＦのフライアッシュは、セメント反応を誘発するのに十分な量の石灰を一般に含有しないため、クラスＦのフライアッシュを含むセメント組成物には、さらなるカルシウムイオン源が必要である。いくつかの実施形態において、石灰は、クラスＦのフライアッシュの約０．１％〜約１００重量％の量でフライアッシュと混合されてよい。いくつかの例において、石灰は水和石灰であってよい。フライアッシュの好適な例として、限定されないが、Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．，（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＰＯＺＭＩＸ（登録商標）Ａセメント添加剤が挙げられる。
セメントの実施形態は、高アルミナ含量セメントを含んでいてよい。いくつかの実施形態において、高アルミナセメントは、アルミン酸カルシウムを含む。アルミン酸カルシウムは、セメントとしての使用に好適ないずれのアルミン酸カルシウムであってもよい。好適なアルミン酸カルシウムは、Ｌｏｎｅｓｔａｒ Ｌａｆａｒｇｅ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＳＥＣＡＲ（登録商標）６０アルミン酸カルシウムである。高アルミナ含量セメントは、可溶性ホスフェートをさらに含んでいてよい。とりわけ、可溶性ホスフェートは、高アルミナ含量セメントと反応して、二酸化炭素に耐性があり得る凝結セメントを形成するとされている。例えば、アルミン酸カルシウムは、ポリリン酸ナトリウムと反応して、リン酸カルシウムセメントを形成する。高アルミナ含量セメントには、いずれのタイプの可溶性ホスフェートが含まれていてもよく、例として、限定されないが、ガラス質のリン酸ナトリウム、ヘキサメタリン酸ナトリウム、ポリリン酸ナトリウム、リン酸二水素ナトリウム、リン酸一水素ナトリウム、およびこれらの組み合わせが挙げられる。他の可溶性アルカリホスフェートも、使用に好適であり得る。好適な可溶性ホスフェートは、Ａｓｔａｒｉｓ ＬＬＣ（セントルイス、ミズーリ州）から入手可能である。
セメントは、特定の用途に好適な量でセメント組成物に含まれていてよい。セメントの濃度は、例えば、凝結後のセメント組成物に特定の圧縮強度を提供するように選択されてもよい。セメントは、使用されるとき、セメントの約１％〜約９９重量％の範囲の量で含まれていてよい。例として、セメントは、セメントの約１％、約５％、約１０％、約２０％、約３０％、約４０％、約５０％、約６０％、約７０％、約８０％、約９０％、もしくは約９９重量％の間の範囲、および／またはこれらのいずれかを含む範囲の量で存在していてよい。１つの特定の実施形態において、セメントは、セメントの約２５％〜約７５重量％、代替的には、セメントの約４０％〜６０重量％の範囲の量で存在していてよい。いくつかの実施形態において、セメント組成物に存在するセメント系成分は、セメントから本質的になっていてよい。例えば、セメント組成物は、水の存在下で水圧によって凝結するいずれの追加成分も含むことなく、セメントおよび水を主として含んでいてよい。当業者は、本開示の利益によって、選択された用途のために含むセメントの適切な量を認識すべきである。
セメント組成物の実施形態において使用される水は、いずれの供給源からのものであってもよい、ただし、セメント組成物中の他の成分に望ましくない影響を及ぼす場合がある化合物を過剰に含有しないことを条件とする。例えば、セメント組成物は、淡水または塩水を含んでいてよい。塩水は、その中に１種以上の溶解塩を一般に含んでいてよく、特定の用途のために所望により飽和されていても飽和されていなくてもよい。海水または塩水が実施形態での使用に好適である場合がある。さらに、水は、ポンプで注入可能なスラリーを形成するのに十分な量で存在していてよい。ある特定の実施形態において、水は、セメントの約３３％〜約２００重量％の範囲の量でセメント組成物に存在していてよい。ある特定の実施形態において、水は、セメントの約３５％〜約７０重量％の範囲の量でセメント組成物に存在していてよい。当業者は、本開示の利益によって、選択された用途のための水の適切な量を認識する。
セメント組成物の実施形態は、カルシウムイオン源を含んでいてよい。好適なカルシウムイオン源は、カルシウム含有塩、または解離してカルシウムイオンを与えることが可能である他の種などのいずれの化合物を含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、カルシウムイオン源は、セメント系材料を形成するようにセメント組成物の任意の他の構成要素と反応することが可能であり得る。例えば、好適なカルシウムイオン源は、セメント系材料を形成するように水の存在下で軽石と反応することが可能であり得る。カルシウムイオン源の例として：水和石灰（代替的には、例えば、水酸化カルシウム、消石灰（ｓｌａｋｅｄ ｌｉｍｅ）、建設者用石灰、および／または消石灰（ｓｌａｃｋ ｌｉｍｅ）と称されることがある）；生石灰（代替的には、例えば、酸化カルシウムと称されることがある）；ならびに水酸化物イオン源の存在下のカルシウム塩が挙げられる。いくつかの実施形態によるカルシウム塩は、ＣａＸ2の形態であってよく、ここで、Ｘは、−１の形式電荷を有するアニオン（例えば、ＣａＢｒ2、ＣａＦ2、ＣａＩ2、ＣａＣｌ2）である。他の実施形態によるカルシウム塩は、ＣａＸの形態であってよく、ここで、Ｘは、−２の形式電荷を有するアニオン（例えば、炭酸アニオンＣＯ3 -2）である。いくつかの実施形態において、カルシウムイオン源は、セメント組成物において水酸化物イオン源を伴っていてよく、または、他の場合には、これと組み合わされていてよい。かかる供給源として、アルカリまたはアルカリ土類元素の水酸化物塩を挙げることができる。好適な水酸化物塩として、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、および水酸化カルシウムが挙げられる。ある特定の実施形態において、カルシウムイオン源は、セメント組成物に含まれて、（例えば、いくつかのセメント組成物のカルシウムイオン源とポゾランとの間のポゾラン反応を支持するために）アルカリ条件に供されてよい。いくつかの実施形態において、カルシウムイオン源自体は、アルカリ性であってよく、または、解離の際に（例えば、水酸化カルシウムの解離の際に生じる）アルカリ条件を作り出してもよい。
カルシウムイオン源は、存在するとき、例えば、セメントの約１０％〜約１００重量％の範囲の量でセメント組成物に含まれていてよい。いくつかの実施形態において、カルシウムイオン源は、セメントの約１０％、約２０％、約４０％、約６０％、約８０％、もしくは約１００重量％のいずれかの間、および／またはこれらのいずれかを含む範囲の量で存在していてよい。当業者は、本開示の利益によって、選択された用途のために含むカルシウムイオン源の適切な量を認識する。
セメント組成物の実施形態は、例えば、凝結を遅らせる、および／またはセメントを遅延するために凝結遅延剤を含んでいてよい。広範な種々の凝結遅延剤が、セメント組成物での使用に好適であり得る。例えば、凝結遅延剤として、ホスホン酸、例えば、アミノトリス（メチレンホスホン酸）、エチレンジアミンテトラ（メチレンホスホン酸）、ジエチレントリアミンペンタ（メチレンホスホン酸）など；リグノスルホネート、例えば、リグノスルホン酸ナトリウム、リグノスルホン酸カルシウムなど；塩、例えば、硫酸第１スズ、酢酸鉛、リン酸一水素カルシウム、有機酸、例えば、クエン酸、酒石酸など；セルロース誘導体、例えば、ヒドロキシルエチルセルロース（ＨＥＣ）およびカルボキシメチルヒドロキシエチルセルロース（ＣＭＨＥＣ）；スルホネートおよびカルボン酸基を含む合成コポリマーもしくはターポリマー、例えば、スルホネート−官能化アクリルアミド−アクリル酸コポリマー；ボレート化合物、例えば、アルカリボレート、メタホウ酸ナトリウム、テトラホウ酸ナトリウム、ペンタホウ酸カリウム；これらの誘導体、またはこれらの混合物を挙げることができる。好適な凝結遅延剤の例として、とりわけ、ホスホン酸誘導体が挙げられる。好適な凝結遅延剤の一例は、Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃから入手可能なＭｉｃｒｏ Ｍａｔｒｉｘ（登録商標）セメント遅延剤である。一般に、凝結遅延剤は、所望の時間にわたって凝結を遅らせるのに十分な量でセメント組成物に存在していてよい。いくつかの実施形態において、凝結遅延剤は、セメントの約０．０１％〜約１０重量％の範囲の量でセメント組成物に存在していてよい。具体的な実施形態において、凝結遅延剤は、セメントの約０．０１％、約０．１％、約１％、約２％、約４％、約６％、約８％、もしくは約１０重量％のいずれかの間、および／またはこれらのいずれかを含む範囲の量で存在していてよい。例としてのセメント組成物の実施形態は、軽石、水和石灰、水、および凝結遅延剤を含んでいてよい。当業者は、本開示の利益によって、選択された用途のために含む凝結遅延剤の適切な量を認識する。
上記に言及したように、セメント組成物の実施形態は、分散剤を任意に含んでいてよい。好適な分散剤の例として、限定されることなく、スルホン化−ホルムアルデヒド系分散剤（例えば、スルホン化アセトンホルムアルデヒド縮合物）が挙げられ、その例として、Ｇｅｏ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ（アンブラー、ペンシルヴァニア州）から入手可能なＤａｘａｄ（登録商標）１９分散剤を挙げることができる。他の好適な分散剤は、ポリカルボキシル化エーテル分散剤、例えば、ＢＡＳＦ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＬｉｑｕｉｍｅｎｔ（登録商標）５５８１ＦおよびＬｉｑｕｉｍｅｎｔ（登録商標）５１４Ｌ分散剤；またはＣｏａｔｅｘ（ジュネ、フランス）から入手可能なＥｔｈａｃｒｙｌ（商標）Ｇ分散剤であってよい。好適な入手可能な分散剤のさらなる例は、Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＣＦＲ（商標）−３分散剤である。Ｌｉｑｕｉｍｅｎｔ（登録商標）５１４Ｌ分散剤は、水中に３６重量％のポリカルボキシル化エーテルを含んでいてよい。種々の分散剤が実施形態によって使用されてよいが、ポリカルボキシル化エーテル分散剤は、いくつかの実施形態での使用に特に好適であり得る。理論によって限定されることなく、ポリカルボキシル化エーテル分散剤は、凝結が遅らされたまたは遅延されたセメント組成物の他の成分と相乗的に相互作用することができるとされる。例えば、ポリカルボキシル化エーテル分散剤は、ある特定の凝結遅延剤（例えば、ホスホン酸誘導体）と反応して、長期間にわたって組成物中のセメント系材料を懸濁させるゲルの形成をもたらし得るとされる。
いくつかの実施形態において、分散剤は、セメントの約０．０１％〜約５重量％の範囲の量でセメント組成物に含まれていてよい。具体的な実施形態において、分散剤は、セメントの約０．０１％、約０．１％、約０．５％、約１％、約２％、約３％、約４％、もしくは約５重量％のいずれかの間、および／またはこれらのいずれかを含む範囲の量で存在していてよい。当業者は、本開示の利益によって、選択された用途のために含む分散剤の適切な量を認識する。
いくつかの実施形態において、増粘剤がセメント組成物に含まれていてよい。増粘剤は、流体レオロジーを最適化し、懸濁液を安定化させるのに含まれていてよい。限定されることなく、増粘剤の例として、膨潤性粘土、例えば、ベントナイトまたはバイオポリマー、例えば、セルロース誘導体（例えば、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルヒドロキシエチルセルロース）が挙げられる。市販されている増粘剤の例は、Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＳＡ−１０１５（商標）である。増粘剤は、セメントの約０．０１％〜約０．５重量％の範囲の量でセメント組成物に含まれていてよい。具体的な実施形態において、増粘剤は、セメントの約０．０１％、約０．０５％、約０．１％、約０．２％、約０．３％、約０．４％、もしくは約０．５重量％のいずれかの間、および／またはこれらのいずれかを含む範囲の量で存在していてよい。当業者は、本開示の利益によって、選択された用途のために含む増粘剤の適切な量を認識する。
セメンチング作業での使用に好適な他の添加剤が、特定の用途のために所望によりセメント組成物に添加されてもよい。かかる添加剤の例として、限定されないが、発泡添加剤、強度退化添加剤、軽量添加剤、ガス発生添加剤、機械特性向上添加剤、逸泥材料、流体損失制御添加剤、消泡添加剤、揺変性添加剤、およびこれらの任意の組み合わせが挙げられる。これらおよび他の添加剤の具体例として、結晶性シリカ、ヒュームドシリカ、シリケート、塩、繊維、水和性粘土、ミクロスフェア、珪藻土、天然ポゾラン、ゼオライト、フライアッシュ、籾殻灰、膨潤性エラストマー、樹脂、これらの任意の組み合わせなどが挙げられる。当業者は、本開示の利益により、特定の用途および所望の結果に有用な添加剤のタイプおよび量を容易に決定することができる。
任意に、発泡添加剤が、例えば、発泡を容易にし、および／またはこれによって形成される得られる発泡体を安定化させるようにセメント組成物に含まれていてよい。特に、セメント組成物は、発泡添加剤およびガスによって発泡されてよい。発泡添加剤は、水の表面張力を低減する界面活性剤または界面活性剤の組み合わせを含んでいてよい。例として、発泡剤は、アニオン性、非イオン性、両性（両性イオン界面活性剤を含む）、カチオン性界面活性剤、またはこれらの混合物を含んでいてよい。好適な発泡添加剤の例として、限定されないが：ベタイン；アニオン性界面活性剤、例えば、加水分解ケラチン；アミンオキシド、例えば、アルキルまたはアルケンジメチルアミンオキシド；ココアミドプロピルジメチルアミンオキシド；メチルエステルスルホネート；アルキルまたはアルケンアミドベタイン、例えば、ココアミドプロピルベタイン；α−オレフィンスルホネート；第４級界面活性剤、例えば、トリメチルタロウアンモニウムクロリドおよびトリメチルココアンモニウムクロリド；Ｃ８〜Ｃ２２アルキルエトキシレートサルフェート；ならびにこれらの組み合わせが挙げられる。好適な発泡添加剤の具体例として、限定されないが：アルキルエーテルサルフェートのアンモニウム塩、ココアミドプロピルベタイン界面活性剤、ココアミドプロピルジメチルアミンオキシド界面活性剤、塩化ナトリウム、および水の混合物；アルキルエーテルサルフェート界面活性剤のアンモニウム塩、ココアミドプロピルヒドロキシスルタイン界面活性剤、ココアミドプロピルジメチルアミンオキシド界面活性剤、塩化ナトリウム、および水の混合物；加水分解ケラチン；エトキシ化アルコールエーテルサルフェート界面活性剤、アルキルまたはアルケンアミドプロピルベタイン界面活性剤、およびアルキルまたはアルケンジメチルアミンオキシド界面活性剤の混合物；α−オレフィンスルホネート界面活性剤およびベタイン界面活性剤の水溶液；ならびにこれらの組み合わせが挙げられる。好適な発泡添加剤の例は、Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＺＯＮＥＳＥＡＬＡＮＴ（商標）２０００剤である。
任意に、強度退化添加剤が、例えば、セメント組成物が高温に曝されるとき、セメント組成物が圧縮強度を増進させた後の強度の退化を防止するためにセメント組成物に含まれていてよい。これらの添加剤は、セメント組成物を意図されるように形成することを可能にして、セメント系組成物の割れ目および早期の不良を防止することができる。好適な強度退化添加剤の例として、限定されないが、アモルファスシリカ、粗粒子の結晶性シリカ、微粒子の結晶性シリカ、またはこれらの組み合わせを挙げることができる。
任意に、軽量添加剤が、例えば、セメント組成物の密度を減少させるためにセメント組成物に含まれていてよい。好適な軽量添加剤の例として、限定されないが、ベントナイト、石炭、珪藻土、膨張パーライト、フライアッシュ、ギルソナイト、中空ミクロスフェア、低密度弾性ビーズ、窒素、ポゾラン−ベントナイト、ケイ酸ナトリウム、これらの組み合わせ、または当該分野において公知の他の軽量添加剤が挙げられる。
任意に、ガス発生添加剤が、所定の時間でガスを放出するためにセメント組成物含まれていてよく、セメント組成物が硬化する前に該組成物を通して層からガスが移動することを防止するのに有益であり得る。発生したガスは、セメント組成物と組み合わされ、または形成したガスによって該組成物の浸透を阻止することができる。好適なガス発生添加剤の例として、限定されないが、アルカリ溶液と反応してガスを発生する金属粒子（例えば、アルミニウム粉末）が挙げられる。
任意に、機械特性向上添加剤が、例えば、適当な圧縮強度および長期の構造完全性を確保するためにセメント組成物に含まれていてよい。これらの特性は、歪み、応力、温度、圧力、および地下環境からの衝撃効果によって影響され得る。機械特性向上添加剤の例として、限定されないが、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維、鉱物繊維、シリカ繊維、高分子エラストマー、ラテックス、およびこれらの組み合わせが挙げられる。
任意に、逸泥材料が、例えば、地下層内での流体循環の損失を防止するのを助けるためにセメント組成物に含まれていてよい。逸泥材料の例として、限定されないが、杉皮、細裂された茎、鉱物繊維、雲母片、セロファン、炭酸カルシウム、粉砕ゴム、ポリマー材料、プラスチックの片、粉砕大理石、木材、ナッツ殻、フォーマイカ、トウモロコシ穂軸、コットンハル、およびこれらの組み合わせが挙げられる。
任意に、流体損失制御添加剤が、例えば、地下層に損失される流体の体積を減少させるためにセメント組成物に含まれていてよい。セメント組成物の特性は、含水率に大幅に影響され得る。流体の損失は、セメント組成物を、設計特性の劣化または完全な不良に供する可能性がある。好適な流体損失制御添加剤の例として、限定されないが、ある特定のポリマー、例えば、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルヒドロキシエチルセルロース、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸およびアクリルアミドまたはＮ，Ｎ−ジメチルアクリルアミドのコポリマー、ならびに２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸、アクリロニトリル、およびＮ，Ｎ−ジメチルアクリルアミドからなる群から選択される少なくとも１種のメンバーを含む、リグニンまたはリグナイトおよびペンダント基の骨格を含むグラフトコポリマーが挙げられる。
任意に、消泡添加剤が、例えば、セメント組成物の混合またはポンプで注入の際にセメント組成物が発泡する傾向を低減するためにセメント組成物に含まれていてよい。好適な消泡添加剤の例として、限定されないが、ポリオールシリコーン化合物が挙げられる。好適な消泡添加剤は、製品名Ｄ−ＡＩＲ（商標）消泡剤でＨａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（ヒューストン、テキサス州）から入手可能である。
任意に、揺変性添加剤が、例えば、十分でないまたは低い粘度の流体としてポンプで注入可能であり得るが静止状態にされるときには比較的高い粘度を達成するセメント組成物を提供するためにセメント組成物に含まれていてよい。とりわけ、揺変性添加剤は、自由水を制御すること、スラリー凝結体として迅速なゲル化を作り出すこと、逸泥に対抗すること、アニュラスカラムにおける「後退」を防止すること、およびガスの移動を最小にすることを助けるのに使用され得る。好適な揺変性添加剤の例として、限定されないが、石膏、水溶性のカルボキシアルキル、ヒドロキシアルキル、混合カルボキシアルキル／ヒドロキシアルキルのいずれものセルロース、多価金属塩、ヒドロキシエチルセルロースとのオキシ塩化ジルコニウム、またはこれらの組み合わせが挙げられる。
セメント組成物の成分は、地表におよび／または地下層内に設置され得るセメント組成物を形成するのに望ましいいずれの順序で組み合わされてもよい。また、セメント組成物の成分は、例えば、バルクミキサーを含めた、該組成物に適合可能ないずれの混合デバイスを使用して組み合わされてもよい。１つの特定の例において、セメント組成物は、乾燥成分（例えばセメント成分であってよい）を水と組み合わせることによって調製されてよい。液体添加剤（存在するとき）は、水が乾燥成分と組み合わされる前に水と組み合わされてよい。乾燥成分は、水と組み合わされる前に乾燥ブレンドされてよい。例えば、マグネシウム金属鉱石屑およびセメント成分を含む乾燥ブレンドが調製されてよい。例としての実施形態によって当業者に認識されるように、他の好適な技術がセメント組成物の調製に使用されてよい。
当業者は、セメント組成物の実施形態が、特定の用途に好適な密度を概して有することを認識する。例として、セメント組成物は、約４ポンド／ガロン（「ｌｂ／ｇａｌ」）〜約２０ｌｂ／ｇａｌの範囲の密度を有していてよい。ある特定の実施形態において、セメント組成物は、約８ｌｂ／ｇａｌ〜約１７ｌｂ／ｇａｌの範囲の密度を有していてよい。セメント組成物の実施形態は、発泡されていても、発泡されていなくてもよく、または、その密度を低下させるための他の手段、例えば、中空ミクロスフェア、低密度弾性ビーズ、もしくは当該分野において公知の他の密度低下添加剤を含んでいてよい。実施形態において、密度は、組成物の保存後であるが地下層に設置する前に低下させてよい。当業者は、本開示の利益により、特定の用途についての適切な密度を認識する。
セメント組成物の実施形態は、これらが静止状態の保存において室温（例えば、約８０°Ｆ）で１日以上（例えば、約１日、約２週間、約２年以上）の間、ポンプで注入可能な流体状態のままであるという点で凝結遅延されてよい。例えば、凝結遅延されたセメント組成物は、約１日〜約７日以上の期間にわたってポンプで注入可能な流体状態のままであってよい。いくつかの実施形態において、凝結遅延されたセメント組成物は、約１日、約７日、約１０日、約２０日、約３０日、約４０日、約５０日、約６０日以上の間、ポンプで注入可能な流体状態のままであってよい。流体は、ＡＰＩ ＲＰ Ｐｒａｃｔｉｃｅ １０Ｂ−２、坑井セメントの試験のための推奨方法（第５版、２００５年７月）に記載されている、セメント増粘時間を決定するための手順に従って加圧型のコンシストメーターにおいて測定される、７０Ｂｅａｒｄｅｎ単位のコンシステンシー（「Ｂｃ」）より低いコンシステンシーを有するとき、ポンプで注入可能な流体状態にあるとされる。凝結遅延されている、例としてのセメント組成物の実施形態は、軽石、水和石灰、水、凝結遅延剤、および任意に分散剤を含んでいてよい。
実施形態は、早期強度発現を増加させるために、不動態化されたセメント促進剤を一般に利用してよい。不動態化されたセメント促進剤は、本明細書において使用されているとき、水和を経ているが凝集および凝結によって硬化された塊とならないように水において希釈されている、セメント系材料の粒子を称する。理論によって限定されることなく、不動態化されたセメント促進剤は、水和反応生成物の不動態化層（例えば、ポルトランドセメント用のカルシウム−シリケート−水和物の不動態化層）を有していて、該層が、セメント系材料の粒子を封入し、その結果、かかる粒子のコアが不動態化層による封入に起因して拡散に利用されにくくなっており、不動態化された粒子をアルカリ条件に置くことによって不動態化層が少なくとも部分的に除去されるまで半または完全不透過性のバリアを作り出すことができる、上記不動態化層を有すると概して説明されてよいとされている。さらに、不動態化プロセスは、セメント系材料の粒子を単離し、その結果、該粒子が、凝結して硬化された塊になり得る連動して接続されたネットワークを形成しないが、代わりに、別々の粒子として、またはさらなる振とうが適用されると破壊される場合がある限られた接続性のみを保有する少数の粒子（例えば、２、３、４つの粒子など）の局在化した緩く接続されたネットワークとしてのいずれかで存在するようになっている。実施形態において、不動態化されたセメント促進剤は、セメント系材料と多くの水との混合において、セメント系材料および水を反応させるような、しかし、セメント系材料の粒子が互いに分離して保たれて、その結果、硬化された塊を形成しないような十分な速度で十分な時間にわたって、それらの混合物を撹拌しながら混合することによって、一般に調製されてよい。必要とされる、水の添加量および撹拌または振とうの量は、不動態化されるセメント系材料のタイプに依る。一般に、必要とされる水の最小量は、粒子が凝集するのを回避するのに必要な量であり；この量は、適用される振とうの量に応じて変動し得る。同様に、必要とされる振とうの最小量は、粒子が沈着沈着するのを回避するのに必要な量であり；この量は、添加された水の量に応じて変動し得る。
以下の表１は、未水和ポルトランドセメントと対比される例としての実施形態によって使用され得る不動態化されたセメント促進剤のＸ−線回折（「ＸＲＤ）組成分析を示す。表１に示す不動態化されたセメント促進剤は、実施例４において以下に記載の手順によって調製され、１２７日までエージングされた、不動態化されたポルトランドセメントである。
表１
不動態化されたセメント促進剤のＸＲＤ
上記表に示すように、不動態化されたセメント促進剤のこの例の実施形態は、約５０％以下の量のＣ3Ｓ、約２０％以下の量のＣ2Ｓ、および約１５％以下の量のＣ4ＡＦを含んでいてよい。反対に、典型的な未水和ポルトランドセメントは、約５４％の量のＣ3Ｓ、約２６％の量のＣ2Ｓ、および約１７％の量のＣ4ＡＦを含むと予測される。表１においても分かるように、不動態化プロセスは、セメント系材料を、完全に結晶性の材料から、結晶相から部分的にかつアモルファス相から部分的に構成されている材料に変換することができる。不動態化されたセメントが水と１２７日間接触した後であっても、組成物の約１４％で存在する未水和の結晶性材料の痕跡が依然として存在する。理論によって限定されることなく、未水和の結晶性材料の存在は、不動態化プロセスによって説明され得る。理想的には、不動態化プロセスの間に、アモルファス相が、結晶性セメント粒子の周囲に低拡散性のバリアを形成する（例えば、ポルトランドセメントにおいては、アモルファスバリアが、ポルトランドセメント反応生成物：カルシウム−シリケート−水和物「ＣＳＨ」から構成されていてよい）。このバリアは、セメント粒子の全体の水和を防止し、不動態化されたセメント促進剤がセメント系スラリーに導入されるときに活性になるメカニズムを提供する。理論によって限定されることなく、不動態化されたセメント促進剤が働くメカニズムは、促進剤がアルカリセメント系スラリーに導入されると、アモルファス層が溶解または部分的に溶解し、残存する結晶性セメント系材料が水和されることであるとされている。結晶性セメント系材料の水和および溶解したアモルファス相の固有の反応性が、アルカリセメント系スラリーにおいて起こるセメント系反応に有意な促進を提供する。
本明細書において議論されているいずれのセメント系材料が不動態化されてもよい。例えば、不動態化されたセメント促進剤は、ポルトランドセメント、プゾラナセメント、石膏セメント、高アルミナ含量セメント、シリカセメント、スラグセメント、およびこれらの任意の組み合わせを含んでいてよい。例として、理論によって限定されないが、不動態化されたポルトランドセメントが、カルシウム−シリケート−水和物（ＣＨＳ）ゲルの不動態化層によって包囲されているポルトランドセメント粒子を含むとされている。この例において、不動態化されたポルトランドセメントは、アルカリ性が不動態化層の少なくとも一部を除去し得るようなアルカリ条件に置かれるまで、硬化された塊を形成し得ない。
不動態化されたセメント促進剤の調製は、セメント系材料を水に添加することを含む。セメント系材料の粒子が凝集することができないように多くの水が使用されるべきであり、例えば、該水は、セメント系材料の約６０重量％〜セメント系材料の約５００重量％以上の量で使用され得る。該量の水は、セメント系材料の粒子が概して凝集せず互いに結合しない、すなわち、別々のままであるのに十分に混合物を希釈するのに十分であるべきである。全ての実用的な目的で、添加されるべき水の量に対する唯一の制限は、事業計画上の懸念によって決定されるかかる制限である。例えば、セメント系材料の粒子は沈着が可能になるべきではなく、そのため、多量の水によって該粒子が凝集するのを回避することはできるが、非常に激しい振とう、または該粒子が沈着するのを回避するための多量の懸濁助剤も必要とする場合がある。そのため、全てのシステムで、水の最小量は、粒子が凝集するのを回避するのに必要な量であり、水の最大量は、粒子が沈着するのを回避する実用的な方法がなおも存在する最大量である。水がセメント系材料に添加された後、不動態化プロセスが開始する。混合物は、例えば、約４時間〜約１２時間にわたって反応する必要があり得る。反応期の間、混合物は、連続的または断続的のいずれかで撹拌される必要があり得る。いずれのタイプの撹拌または振とうが使用されてもよいが、セメント粒子が沈着するのを回避するのに十分であることを条件とする（例えば、磁気撹拌機およびオーバーヘッド撹拌機が使用されてよい）。加えて、懸濁剤は、先で議論したように、セメント粒子の懸濁を助けるために使用されてよい。懸濁剤の使用は、振とうに加えてなされても、これの代わりになされてもよい。好適な懸濁助剤の例として、増粘剤、例えば、膨潤性粘土、例えばベントナイト、またはバイオポリマー、例えばセルロース誘導体（例えば、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルヒドロキシエチルセルロース）を含む上記のものを挙げることができる。市販されている増粘剤の例は、Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＳＡ−１０１５（商標）である。
不動態化されたセメント促進剤は、不動態化された粒子の水硬性活性が低減されるように一般に不動態化されているべきである。例えば、不動態化されたセメント促進剤および水の混合物は、一般に、凝結遅延剤の非存在下でさえも、長期間にわたって凝結して硬化された塊を形成し得ない。いくつかの実施形態において、不動態化されたセメント促進剤および水の混合物は、長期間にわたってポンプで注入可能な流体状態（すなわち、先で議論した７０Ｂｃ未満のコンシステンシー）のままであることができる。例えば、不動態化されたセメント促進剤および水の混合物は、約１日〜約１０日以上の範囲で、ポンプで注入可能な流体状態のままであることができる。具体的には、不動態化されたセメント促進剤および水の混合物は、約１日、約３日、約７日、約１０日以上の間、ポンプで注入可能な状態のままであることができる。いくつかの実施形態において、この混合物は、液体添加剤としてセメント組成物に添加されてよい。代替的に、水は、いずれの十分な方法（例えば、ろ過、乾燥、吸引など）で、不動態化されたセメント促進剤から除去されてもよく、不動態化されたセメント促進剤は、乾燥粉末として保たれて、後の使用のために保存されてよい。乾燥した不動態化されたセメント促進剤は、使用の前に数週間または数ヶ月保存されてよく、例えば、乾燥した不動態化されたセメント促進剤は、約４ヶ月以上保存されてよい。
実施形態において、不動態化されたセメント促進剤は、セメント組成物におけるセメントの約０．１％〜約１０重量％の範囲の量でセメント組成物に添加されてよい。具体的な実施形態において、不動態化されたセメント促進剤は、セメント組成物におけるセメントの約０．１％、約０．５％、約１％、約２％、約３％、約５％、約７％、もしくは約１０重量％のいずれかの間、および／またはこれらのいずれかを含む範囲の量で存在していてよい。当業者は、本開示の利益によって、選択された用途のために含む不動態化されたセメント促進剤の適切な量を認識する。
実施形態において、不動態化されたセメント促進剤は、セメント組成物における早期強度発現を増加させるのに使用され得る。不動態化されたセメント促進剤は、不動態化されたセメント促進剤によって提供される強度向上の対象である同じまたは同様のタイプのセメントを含む必要はないが、含んでいてよいことが理解されるべきである。例えば、不動態化されたポルトランドセメントを含む不動態化されたセメント促進剤は、軽石、水和石灰、および水を含むセメント組成物に添加されてよい。特定の実施形態において、セメント組成物は、上記でより詳細に議論されているように、凝結遅延されたセメント組成物であってよい。さらなる例として、不動態化されたスラグセメント促進剤は、高アルミナ含量セメントを含むセメント組成物に添加されてよい。
いくつかの実施形態において、セメント組成物は、不動態化されたセメント促進剤の添加後に所望の圧縮強度を有するように凝結することができる。圧縮強度とは、一般に、材料または構造が、軸方向に向けられた押圧力に耐える能力である。圧縮強度は、不動態化されたセメント促進剤がセメント組成物に添加された後の特定の時間で測定され得、得られる組成物は、特定の温度および圧力条件下で維持される。圧縮強度は、破壊または非破壊方法のいずれかによって測定され得る。破壊方法は、圧縮試験機においてサンプルを破砕することによって時間内に種々の点でセメント組成物サンプルの強度を物理的に試験する。圧縮強度は、荷重に抵抗する断面積によって除算された破壊荷重から計算され、重量ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）の単位で報告される。非破壊方法は、Ｆａｎｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙ（ヒューストン、ＴＸ）から入手可能なＵＣＡ（商標）超音波セメントアナライザを使用することができる。圧縮強度値は、ＡＰＩ ＲＰ １０Ｂ−２、坑井セメントの試験のための推奨方法（第５版、２００５年７月）に従って決定されてよい。
例として、セメント組成物は、約５０ｐｓｉ〜約５０００ｐｓｉ、代替的には、約１００ｐｓｉ〜約４５００ｐｓｉ、または代替的には約５００ｐｓｉ〜約４０００ｐｓｉの範囲の２４時間圧縮強度を発現することができる。いくつかの実施形態において、セメント組成物は、少なくとも約５０ｐｓｉ、少なくとも約１００ｐｓｉ、少なくとも約５００ｐｓｉ以上の、２４時間での圧縮強度を発現することができる。いくつかの実施形態において、圧縮強度値は、約４０°Ｆ（またはそれ未満）〜約５００°Ｆ（またはそれを超える）範囲の温度で破壊または非破壊方法を使用して決定され得る。
いくつかの実施形態において、セメント組成物は、不動態化されたセメント促進剤の添加後に所望の増粘時間を有することができる。増粘時間は、流体、例えば、セメント組成物が、ポンプで注入可能である流体状態のままである時間を典型的には称する。多くの種々の実験室技術が増粘時間を測定するのに使用され得る。上記ＡＰＩ ＲＰ Ｐｒａｃｔｉｃｅ １０Ｂ−２に記載の手順に従って操作される加圧型のコンシストメーターは、流体がポンプで注入可能な流体状態にあるか否かを測定するのに使用され得る。増粘時間は、処置流体が７０Ｂｃに達するための時間であり得、７０Ｂｃに達するための時間として報告され得る。いくつかの実施形態において、セメント組成物は、約５０°Ｆ〜約４００°Ｆの範囲、代替的には約８０°Ｆ〜約２５０°Ｆの範囲の温度において、代替的には約１４０°Ｆの温度において、３，０００ｐｓｉで、約１時間超、代替的には、約２時間超、代替的には約５時間超の増粘時間を有することができる。
不動態化されたセメント促進剤の任意選択的な実施形態は、セメント凝結活性剤と共に使用されてよく、その結果、不動態化されたセメント促進剤およびセメント凝結活性剤を含む添加剤がセメント組成物に添加され得ることになる。セメント凝結活性剤が使用される実施形態において、不動態化されたセメント促進剤およびセメント凝結活性剤の混合物を、いずれの温度増加も軽減するように氷浴において冷却状態に保ちながら撹拌する必要があり得る。代替的に、セメント凝結活性剤は、セメント組成物に、不動態化されたセメント促進剤の前、後または同時に直接添加されてよい。用語「セメント凝結活性剤」または「活性剤」は、本明細書において使用されているとき、凝結遅延されたおよび／または遅延されたセメント組成物を活性化する添加剤を称し、凝結遅延されたまたは遅延されたセメント組成物の凝結を加速させるある特定のシステム中にあってもよい。例として、凝結遅延されたおよび／または遅延されたセメント組成物の実施形態は、約１時間〜約１２時間の範囲の期間で、硬化された塊を形成するように活性化され得る。例えば、凝結遅延されたおよび／または遅延されたセメント組成物の実施形態は、約１時間、約２時間、約４時間、約６時間、約８時間、約１０時間、もしくは約１２時間のいずれかの間、および／またはこれらのいずれかを含む範囲の期間で、凝結して硬化された塊を形成することができる。
好適なセメント凝結活性剤の例として、限定されないが：ゼオライト、アミン、例えばトリエタノールアミン、ジエタノールアミン；シリケート、例えばケイ酸ナトリウム；ギ酸亜鉛；酢酸カルシウム；ＩＡおよびＩＩＡ族の水酸化物、例えば水酸化ナトリウム、水酸化マグネシウムおよび水酸化カルシウム；一価塩、例えば塩化ナトリウム；二価塩、例えば塩化カルシウム；ナノシリカ（すなわち、約１００ナノメートル以下の粒径を有するシリカ）；ポリホスフェート；ならびにこれらの組み合わせが挙げられる。いくつかの実施形態において、ポリホスフェートおよび一価塩の組み合わせが活性化に使用されてよい。一価塩は、解離して、一価カチオン、例えばナトリウムおよびカリウム塩を形成するいずれの塩であってもよい。好適な一価塩の具体例として、硫酸カリウムおよび硫酸ナトリウムが挙げられる。種々の異なるポリホスフェートは、ポリマー性メタホスフェート塩、ホスフェート塩およびこれらの組み合わせを含む、凝結遅延されたセメント組成物の活性化のための一価塩と併用されてよい。使用されてよいポリマー性メタホスフェートの具体例として、ヘキサメタリン酸ナトリウム、トリメタリン酸ナトリウム、テトラメタリン酸ナトリウム、ペンタメタリン酸ナトリウム、ヘプタメタリン酸ナトリウム、オクタメタリン酸ナトリウムおよびこれらの組み合わせが挙げられる。好適なセメント凝結活性剤の具体例は、硫酸ナトリウムおよびヘキサメタリン酸ナトリウムの組み合わせを含む。特定の実施形態において、活性剤が、凝結遅延されたセメント組成物に、液体添加剤、例えば、一価塩、ポリホスフェートおよび任意に分散剤を含む液体添加剤として、提供および添加されてよい。
いくつかの実施形態は、一価塩およびポリホスフェートの組み合わせを含むセメント凝結活性剤を含んでいてよい。一価塩およびポリホスフェートは、凝結遅延されたセメント組成物への添加の前に組み合わされてよく、または凝結遅延されたセメント組成物に別個に添加されてよい。一価塩は、解離して一価カチオン、例えば、ナトリウムおよびカリウム塩を形成するいずれの塩であってもよい。好適な一価塩の具体例として、硫酸カリウムおよび硫酸ナトリウムが挙げられる。種々の異なるポリホスフェートが、例えば、ポリマー性メタホスフェート塩、ホスフェート塩およびこれらの組み合わせを含めた、凝結遅延されたセメント組成物の活性化のための一価塩と併用されてよい。使用され得るポリマー性メタホスフェートの具体例として、ヘキサメタリン酸ナトリウム、トリメタリン酸ナトリウム、テトラメタリン酸ナトリウム、ペンタメタリン酸ナトリウム、ヘプタメタリン酸ナトリウム、オクタメタリン酸ナトリウムおよびこれらの組み合わせが挙げられる。好適なセメント凝結活性剤の具体例は、硫酸ナトリウムおよびヘキサメタリン酸ナトリウムの組み合わせを含む。興味深いことに、ヘキサメタリン酸ナトリウムもまた、ポルトランドセメントの強力な遅延剤であることが当該分野において公知である。ポリホスフェートの特有の化学のため、ポリホスフェートが、本明細書に開示されている凝結遅延されたセメント組成物の実施形態のためのセメント凝結活性剤として使用されてよい。一価塩対ポリホスフェートの比は、例えば、約５：１〜約１：２５または約１：１〜約１：１０の範囲であってよい。セメント凝結活性剤の実施形態は、約５：１、２：１、約１：１、約１：２、約１：５、約１：１０、約１：２０、もしくは約１：２５のいずれかの間、および／またはこれらを含む範囲の（一価塩対ポリホスフェート）比で一価塩およびポリホスフェート塩を含んでいてよい。
いくつかの実施形態において、一価塩およびポリホスフェートの組み合わせは、分散剤および水と混合されて、凝結遅延されたおよび／または遅延されたセメント組成物の活性化のための液体添加剤を形成することができる。好適な分散剤の例として、限定されることなく、先に記載した分散剤、例えば、スルホン化−ホルムアルデヒド系分散剤およびポリカルボキシル化エーテル分散剤が挙げられる。分散剤の一例は、Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＣＦＲ−３（商標）分散剤である。好適なポリカルボキシル化エーテル分散剤の例として、ＢＡＳＦ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＬｉｑｕｉｍｅｎｔ（登録商標）５１４Ｌおよび５５８１Ｆ分散剤が挙げられる。
液体添加剤は、セメント凝結活性剤として機能することができる。先に議論されているように、セメント凝結活性剤は、凝結遅延されたおよび／または遅延されたセメントの凝結を加速することもできる。凝結遅延されたおよび／または遅延されたセメントを促進させるための液体添加剤の使用は、液体添加剤の組成構成ならびに凝結遅延されたおよび／または遅延されたセメントの組成構成に依る。当業者は、本開示の利益により、凝結遅延されたおよび／または遅延されたセメント組成物を活性化および／または促進させるための液体添加剤を製剤することが可能であるはずである。
セメント凝結活性剤は、凝結遅延されたおよび／または遅延されたセメント組成物が凝結して硬化された塊となるのに十分な量で、凝結遅延されたセメント組成物の実施形態に添加されてよい。ある特定の実施形態において、セメント凝結活性剤は、セメントの約０．１％〜約２０重量％の範囲の量で凝結遅延されたおよび／または遅延されたセメント組成物に添加されてよい。具体的な実施形態において、セメント凝結活性剤は、セメントの約０．１％、約１％、約５％、約１０％、約１５％、もしくは約２０重量％のいずれかの間、および／またはこれらのいずれかを含む範囲の量で存在していてよい。当業者は、本開示の利益によって、選択された用途のために含むセメント凝結活性剤の適切な量を認識する。
当業者に認識されるように、セメント組成物の実施形態は、種々のセメンチング作業、例えば、地表セメンチング作業（例えば、建設）ならびに地下セメンチング作業（例えば、一次およびリメディアルセメンチング）において使用されてよい。例として、いくつかの実施形態において、水、軽石、水和石灰、凝結遅延剤および任意に分散剤を含むセメント組成物が提供されてよい。セメント組成物には不動態化されたセメント促進剤が添加されていてよい。そして、不動態化されたセメント促進剤を含むセメント組成物を凝結させてよい。いくつかの実施形態において、セメント組成物を地下層に導入して、そこで凝結させることができる。セメント組成物を地下層に導入することは、本明細書において使用されているとき、限定されることなく、地下層内で掘削された坑井内、坑井の周囲の近坑井領域内、またはこれらの両方を含めた地下層のいずれの部分への導入も含む。
いくつかの実施形態において、水、軽石、水和石灰、凝結遅延剤および任意に分散剤を含むセメント組成物が提供されてよい。セメント組成物は、例えば、容器または他の好適なコンテナに保存されてよい。セメント組成物は、所望の期間にわたって保存状態のままであることが可能とされてよい。例えば、セメント組成物は、約１日以上の期間にわたって保存状態のままである。例えば、セメント組成物は、約１日、約２日、約５日、約７日、約１０日、約２０日、約３０日、約４０日、約５０日、約６０日以上の期間にわたって保存状態のままであることができる。いくつかの実施形態において、セメント組成物は、約１日〜約７日以上の範囲の期間にわたって保存状態のままであることができる。その後、セメント組成物は、不動態化されたセメント促進剤の成分であってよいまたは不動態化されたセメント促進剤と併せて添加されてよいセメント凝結活性剤の添加によって活性化され得る。セメント組成物を地下層内に導入し、そこで凝結させることができる。
一次セメンチングの実施形態において、例えば、セメント組成物の実施形態は、坑井にある導管と坑井の壁（および／または坑井内のより大きな導管）との間にあるアニュラス空間内に導入されてよく、ここでは、坑井が地下層に進入している。セメント組成物をアニュラス空間において凝結させて、硬化されたセメントのアニュラスシースを形成することができる。セメント組成物は、坑井内の流体の移動を防止するバリアを形成することができる。セメント組成物はまた、例えば、坑井内の導管を支持することもできる。
リメディアルセメンチングの実施形態において、セメント組成物は、例えば、スクイーズセメンチング作業においてまたはセメントプラグの設置において使用されてよい。例として、セメント組成物は、坑井に設置されて、層における、砂利充填における、導管における、セメントシースにおける、および／またはセメントシースと導管（例えば、ミクロアニュラス）との間における開口部（例えば、ボイドまたはクラック）に栓をすることができる。
実施形態は、セメント、水、および不動態化されたセメント促進剤を含むセメント組成物を提供することと；セメント組成物を凝結させることとを含むセメンチングの方法を含んでいてよい。
実施形態は、不動態化されたセメント促進剤と、水と、セメントとを含むセメント組成物を含んでいてよい。
実施形態は、不動態化されたセメント促進剤と、セメントおよび水を含むセメント組成物と、不動態化されたセメント促進剤およびセメント組成物を混合することが可能である混合装置と、混合された不動態化されたセメント促進剤およびセメント組成物を坑井に送達するためのポンピング装置とを含む、坑井におけるセメンチングのための不動態化されたセメンチングシステムを含んでいてよい。
図１をここで参照すると、例としての実施形態によるセメント組成物（凝結遅延されていても、凝結遅延されていなくてもよい）の調製がここで説明されている。図１は、ある特定の実施形態による、セメント組成物の調製および坑井への送達のためのシステム２を示す。示すように、セメント組成物は、例えば、ジェットミキサー、再循環ミキサー、またはバッチミキサーなどの混合装置４において混合され、次いで、ポンピング装置６を介して坑井にポンプで注入されてよい。いくつかの実施形態において、混合装置４およびポンピング装置６は、当業者に明らかであるように、１つ以上のセメントトラックに設けられていてよい。いくつかの実施形態において、ジェットミキサーは、坑井にポンプで注入されているときに例えば石灰／凝結可能材料を水と連続的に混合するのに使用され得る。凝結遅延された実施形態において、再循環ミキサーおよび／またはバッチミキサーが、凝結遅延されたセメント組成物を混合するのに使用されてよく、不動態化されたセメント促進剤が、セメント組成物をダウンホールにポンプで注入する前に液体または粉末としてミキサーに添加されてよい。不動態化されたセメント促進剤は、活性剤を含んでいてよい。代替的には、活性剤が、不動態化されたセメント促進剤の前、後または同時に再循環ミキサーおよび／またはバッチミキサーに添加されてよい。
セメント組成物を地下層内に設置するための例としての技術を、図２および３を参照してここで説明する。図２は、ある特定の実施形態による、セメント組成物の設置に使用され得る地表装置１０を示す。図２は地上の作業を一般に示しているが、当業者は、本明細書に記載されている原理が、本開示の範囲から逸脱することなく、浮桟橋または海上プラットフォームおよびリグを用いる海中作業に等しく適用可能であることを容易に認識することに注意されるべきである。図２に示すように、地表装置１０は、１つ以上のセメントトラックを含んでいてよいセメンチングユニット１２を含むことができる。セメンチングユニット１２は、当業者に明らかであるように、混合装置４およびポンピング装置６を含むことができる（例えば、図１）。セメンチングユニット１２は、供給管１６を通して、かつ、セメント組成物１４をダウンホールに運搬するセメンチングヘッド１８に、セメント組成物１４をポンプで注入することができる。
図２をここで参照すると、凝結遅延されたまたは凝結遅延されていないセメント組成物１４は、例としての実施形態により、地下層２０内に設置されてよい。図示のように、坑井２２は、地下層２０内に掘削されていてよい。坑井２２が地下層２０内に略垂直に延在するとして示されているが、本明細書に記載の原理は、地下層２０を通るある角度で延在する坑井、例えば、水平および傾斜した坑井にも適用可能である。図示のように、坑井２２は、壁２４を含む。図示の実施形態において、地表ケーシング２６は、坑井２２内に挿入されている。地表ケーシング２６は、セメントシース２８によって坑井２２の壁２４にセメンチングされていてよい。図示の実施形態において、ケーシング３０としてここで示されている１つ以上のさらなる導管（例えば、中間ケーシング、製造ケーシング、ライナーなど）もまた、坑井２２に設けられていてよい。図示のように、ケーシング３０と、坑井２２の壁２４および／または地表ケーシング２６との間に形成された、坑井アニュラス３２が存在する。１つ以上のセントラライザー３４がケーシング３０に取り付けられて、例えば、セメンチング作業の前および間に坑井２２においてケーシング３０を中心化することができる。
続けて図３を参照すると、セメント組成物１４を、ケーシング３０の内部の下方にポンプで注入することができる。セメント組成物１４をケーシング３０の底部でケーシングシュー４２を通ってケーシング３０の内部の下方に、また、坑井アニュラス３２内でケーシング３０の周囲にて上方に流れるようにすることができる。セメント組成物１４を坑井アニュラス３２において凝結させて、例えば、坑井２２においてケーシング３０を支持して位置付けするセメントシースを形成することができる。図示されていないが、ポゾランセメント組成物１４の導入のために他の技術が利用されてもよい。例として、ケーシング３０を通す代わりに坑井アニュラス３２によって地下層２０内にセメント組成物１４を導入することを含むリバースサーキュレーション技術を使用することができる。
セメント組成物１４は、導入されるとき、他の流体３６、例えば、ケーシング３０の内部および／または坑井アニュラス３２に存在し得る掘削流体および／またはスペーサー流体を置き換えることができる。置き換わった流体３６の少なくとも一部は、図２に示すように、流線３８を介して坑井アニュラス３２から出て、例えば、１つ以上の保持ピット４０（例えば、泥ピット）に堆積されてよい。図３を再び参照すると、底部プラグ４４は、セメント組成物１４の前に坑井２２内に導入されて、例えば、セメンチングの前にケーシング３０内にあるかもしれない流体３６からセメント組成物１４を分離することができる。底部プラグ４４が着陸カラー４６に到達した後、ダイヤフラムまたは他の好適なデバイスが断裂して、ポゾランセメント組成物１４が底部プラグ４４を通ることを可能にする。図３において、底部プラグ４４は着陸カラー４６上に示されている。図示の実施形態において、上部プラグ４８は、セメント組成物１４の後に坑井２２内に導入されてよい。上部プラグ４８は、置換流体５０からセメント組成物１４を分離し、また、底部プラグ４４を通してセメント組成物１４を押すことができる。
本明細書に開示されている例示的なセメント組成物は、開示されているセメント組成物の調製、送達、再捕捉、再循環、再利用、および／または廃棄に関連する装置の１つ以上の構成要素またはピースに直接または間接的に影響し得る。例えば、開示されているセメント組成物は、例示的なセメント組成物を生成、保存、モニタリング、調節、および／または再生するのに使用される１つ以上のミキサー、関係する混合装置、泥ピット、保存設備またはユニット、組成物分離器、熱交換器、センサ、ゲージ、ポンプ、コンプレッサなどに直接または間接的に影響し得る。開示されているセメント組成物はまた、セメント組成物を井戸部位もしくはダウンホールに運搬するのに使用される任意の輸送もしくは送達装置、例えば、セメント組成物を１つの場所から別の場所に組成的に移動させるのに使用される任意の輸送容器、導管、パイプライン、トラック、チューブラー、および／もしくはパイプ、セメント組成物の（例えば、上側もしくはダウンホールへの）移動を駆動するのに使用される任意のポンプ、コンプレッサもしくはモーター、セメント組成物の圧力もしくは流量を調節するのに使用される任意のバルブもしくは関係するジョイント、ならびに任意のセンサ（すなわち、圧力および温度）、ゲージ、ならびに／またはこれらの組み合わせなどにも直接または間接的に影響し得る。開示されているセメント組成物はまた、セメント組成物と接触し得る種々のダウンホール装置およびツール、例えば、限定されないが、坑井ケーシング、坑井ライナー、仕上げストリング、挿入ストリング、掘削ストリング、コイルドチュービング、スリックライン、ワイヤライン、掘削パイプ、掘削カラー、泥モーター、ダウンホールモータおよび／またはポンプ、セメントポンプ、表面実装型モーターおよび／またはポンプ、セントラライザー、ターボライザー、スクラッチャー、フロート（例えば、シュー、カラー、バルブなど）、ロギングツールおよび関係するテレメトリー装置、アクチュエーター（例えば、電気機械デバイス、油圧機械式デバイスなど）、スライディングスリーブ、製造スリーブ、プラグ、スクリーン、フィルター、流量制御装置（例えば、流入制御デバイス、自律流入制御デバイス、流出制御デバイスなど）、カップリング（例えば、電気油圧式ウェットコネクト、ドライコネクト、誘導カプラーなど）、制御ライン（例えば、電気、光ファイバ、油圧式など）、監視ライン、掘削ビットおよびリーマー、センサもしくは分布センサ、ダウンホール熱交換器、バルブおよび対応する駆動デバイス、ツールシール、パッカー、セメントプラグ、ブリッジプラグ、および他の坑井単離デバイス、または構成要素などにも直接または間接的に影響し得る。
本実施形態のより良好な理解を容易にするために、いくつかの実施形態のある特定の態様の以下の実施例を与える。以下の実施例は、実施形態の範囲全体を限定または定義するとして決して読み取られてはならない。
実施例
実施例１
以下の実施例は、以下の成分を含む不動態化されたセメント促進剤およびセメント凝結活性剤の組成物を記載する：
表２
不動態化されたセメント促進剤およびセメント凝結活性剤の組成構成
不動態化されたセメント促進剤を、３０．０ｇのクラスＨのポルトランドセメントを７５．０ｇの水に添加することによって調製した。混合物を５時間反応させ、セメント粒子が十分に分離されて、かつ硬化された塊を形成することができないように撹拌した。この混合物に、５６．５ｇのＣａＣｌ2を、ＣａＣｌ2を水に添加することによって引き起こされる発熱放出を軽減するように混合物を氷浴において冷却しながら、混合物中に添加して撹拌した。混合物がポンプで注入可能な流体状態を維持し、凝結して硬化された塊とならないことを実証するために、混合物を卓上のシールされたコンテナに置き、目視検査を１日１回行った。１０日後、混合物は依然としてポンプで注入可能な流体状態であった。
次いで、セメント凝結活性剤を含む不動態化されたセメント促進剤を、以下の成分を含む凝結遅延されたセメント組成物に添加した：
表３
凝結遅延セメントの組成構成
*％ｂｗｏＣ＝セメントの重量基準、このシステムでは、セメントは軽石である。
組成物は、１３．２ポンド／ガロンの密度を有した。増量剤は、Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＭｉｃｒｏｍａｘ（登録商標）ＦＦ重量付与剤であった。セメント遅延剤は、Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＭｉｃｒｏ Ｍａｔｒｉｘ（登録商標）セメント遅延剤であった。セメント共遅延剤は、Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＨＲ（登録商標）−５セメント遅延剤であった。分散剤は、ＢＡＳＦ（フローラムパーク、ニュージャージー州）から入手可能なＬｉｑｕｉｍｅｎｔ ５５８１Ｆ分散剤であった。増粘剤は、Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＳＡ−１０１５（商標）懸濁剤であった。セメント組成物の調製後、セメント組成物の実験サンプルを不動態化されたセメント促進剤およびセメント凝結活性剤の組成物と混合した。さらに、セメント組成物の対照サンプルをセメント凝結活性剤のみと混合した。混合後、両方のセメント組成物サンプルを以下のパラメータ下で雰囲気調節器においてさらに調節した：１８３°Ｆで７０分、続いて１５１°Ｆで６０分。サンプルを次いで１インチ×２インチの黄銅シリンダーに注ぎ、オートクレーブにおいて１６０°Ｆおよび３０００ｐｓｉで２４時間硬化させた。サンプルを硬化させた後、破壊圧縮強度を、サンプルを破砕する機械プレスを使用することによって、ＡＰＩ ＲＰ Ｐｒａｃｔｉｃｅ １０Ｂ−２、坑井セメントの試験のための推奨方法に従って測定した。結果を以下の表４に示す。
表４
圧縮強度測定
*セメントの重量％、このシステムでは、セメントは軽石である。
結果は、３実験の平均である。結果は、不動態化されたセメント促進剤の添加が、セメント凝結活性剤のみの添加よりも２４時間圧縮強度を増加させることを示している。
実施例２
以下の実施例は、以下の成分を含む不動態化されたセメント促進剤およびセメント凝結活性剤の組成物を記載する：
表５
不動態化されたセメント促進剤およびセメント凝結活性剤の組成構成
不動態化されたセメント促進剤を、３０．０ｇの粉砕された粒状の溶鉱炉スラグを７５．０ｇの水に添加することによって調製した。混合物を５時間反応させ、セメント粒子が十分に分離されて、かつ硬化された塊を形成することができないように撹拌した。この混合物に、５６．５ｇのＣａＣｌ2を、ＣａＣｌ2を水に添加することによって引き起こされる発熱放出を軽減するように混合物を氷浴において冷却しながら、混合物中に添加して撹拌した。混合物がポンプで注入可能な流体状態を維持し、凝結して硬化された塊とならないことを実証するために、混合物を卓上のシールされたコンテナに置き、目視検査を１日１回行った。２日後、混合物は依然としてポンプで注入可能な流体状態であった。
次いで、セメント凝結活性剤を含む不動態化されたセメント促進剤を、以下の成分を含む凝結遅延されたセメント組成物に添加した：
表６
凝結遅延セメントの組成構成
*％ｂｗｏＣ＝セメントの重量基準、このシステムでは、セメントは軽石である。
組成物は、１３．２ポンド／ガロン（ｐｐｇ）の密度を有した。増量剤は、Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＭｉｃｒｏｍａｘ（登録商標）ＦＦ重量付与剤であった。セメント遅延剤は、Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＭｉｃｒｏ Ｍａｔｒｉｘ（登録商標）セメント遅延剤であった。セメント共遅延剤は、Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＨＲ（登録商標）−５セメント遅延剤であった。分散剤は、ＢＡＳＦ（フローラムパーク、ニュージャージー州）から入手可能なＬｉｑｕｉｍｅｎｔ ５５８１Ｆ分散剤であった。増粘剤は、Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＳＡ−１０１５（商標）懸濁剤であった。セメント組成物の調製後、セメント組成物の実験サンプルを不動態化されたセメント促進剤およびセメント凝結活性剤の組成物と混合した。さらに、セメント組成物の対照サンプルをセメント凝結活性剤のみと混合した。混合後、両方のセメント組成物サンプルを以下のパラメータ下で雰囲気調節器においてさらに調節した：１８３°Ｆで７０分、続いて１５１°Ｆで６０分。次いでサンプルを１インチ×２インチの黄銅シリンダーに注ぎ、オートクレーブにおいて１６０°Ｆおよび３０００ｐｓｉで２４時間硬化させた。サンプルを硬化させた後、破壊圧縮強度を、サンプルを破砕する機械プレスを使用することによって、ＡＰＩ ＲＰ Ｐｒａｃｔｉｃｅ １０Ｂ−２、坑井セメントの試験のための推奨方法に従って測定した。結果を以下の表７に示す。
表７
圧縮強度測定
*セメント系材料の重量％、このシステムでは、セメントは軽石である。
結果は、３実験の平均である。結果は、セメント促進剤としての使用のためのスラグを不動態化させることが、セメント凝結活性剤のみの添加よりも２４時間圧縮強度を増加させることを示している。
実施例３
以下の実施例は、以下の成分を含む不動態化されたセメント促進剤およびセメント凝結活性剤の組成物を記載する：
表８
不動態化されたセメント促進剤およびセメント凝結活性剤の組成構成
不動態化されたセメント促進剤を、３０．０ｇのクラスＨのポルトランドセメントを７５．０ｇの水および０．０３ｇの増粘剤（Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＳＡ−１０１５（商標）懸濁剤）を添加することによって調製した。混合物を５時間反応させ、セメント粒子が十分に分離されて、かつ硬化された塊を形成することができないように撹拌した。この混合物に、５６．５ｇのＣａＣｌ2を、ＣａＣｌ2を水に添加することによって引き起こされる発熱放出を軽減するように混合物を氷浴において冷却しながら、混合物中に添加して撹拌した。
次いで、セメント凝結活性剤を含む不動態化されたセメント促進剤を、以下の成分を含む３つの異なるクラスＨのポルトランドセメント組成物に添加した：
表９
セメントの組成構成
*セメントの重量％、このシステムでは、セメントは、クラスＨのポルトランドセメントである。
各サンプルは、１６．５ポンド／ガロンの密度を有した。セメント遅延剤は、Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＨＲ（登録商標）−５セメント遅延剤であった。各セメント組成物の調製後、各組成物を実験および対照サンプルに分割した。セメント組成物の実験サンプルを、不動態化されたセメント促進剤およびセメント凝結活性剤の組成物と混合した。セメント組成物の対照サンプルを、セメント凝結活性剤のみと混合した。混合後、セメント組成物サンプルを次いで２インチ×４インチの黄銅シリンダーに注ぎ、水浴において８０°Ｆで２４時間硬化させた。サンプルを硬化させた後、破壊圧縮強度を、サンプルを破砕する機械プレスを使用することによって、ＡＰＩ ＲＰ Ｐｒａｃｔｉｃｅ １０Ｂ−２、坑井セメントの試験のための推奨方法に従って測定した。結果を以下の表１０に示す。
表１０
圧縮強度測定
*セメントの重量％、このシステムでは、セメントは、クラスＨのポルトランドセメントである；**ＤＮＳ＝凝結しなかった。
結果は、３実験の平均である。結果は、不動態化されたセメント促進剤の添加が、セメント凝結活性剤のみの添加よりも２４時間圧縮強度を増加させることを示している。
実施例４
以下の実施例は、以下の成分を含む不動態化されたセメント促進剤組成物を記載する：
表１１
不動態化されたセメント促進剤の組成構成
不動態化されたセメント促進剤を、３００．０ｇのクラスＨのポルトランドセメントを７５０．０ｇの水および１０．６ｇの増粘剤（Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＳＡ−１０１５（商標）懸濁剤）に添加することによって調製した。混合物を５時間反応させ、セメント粒子が十分に分離されて、かつ硬化された塊を形成することができないように撹拌した。次いで、不動態化されたセメント促進剤を遅延されたアルミン酸リン酸カルシウムセメントに添加した：
表１２
セメントの組成構成
*セメントの重量％、このシステムでは、セメントは、アルミン酸リン酸カルシウムセメントである。
セメント遅延剤は、Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＦＥ−２（商標）セメント遅延剤であった。共遅延剤は、有機酸であった。組成物の調製後、１１２３ｇのセメント組成物を、３９．７ｇの不動態化されたセメント促進剤に添加した。次いで、混合物を、Ｗａｒｒｉｎｇ Ｂｌｅｎｄｅｒにおいて４０００ｒｐｍで１分間撹拌した。
サンプルのレオロジー特性を、ＡＰＩ ＲＰ Ｐｒａｃｔｉｃｅ １０Ｂ−２、坑井セメントの試験のための推奨方法に従って、Ｆａｎｎ Ｙｉｅｌｄ Ｓｔｒｅｓｓ Ａｄａｐｔｅｒ（ＦＹＳＡ）を備えたＦａｎｎ粘度計（モデル３５Ａ）およびばね（Ｎｏ．２）を使用して測定した。結果を以下の表１３に示す。
表１３
レオロジー測定
ポルトランドセメントをアルミン酸リン酸カルシウムセメントに導入することで、ゲル化および／または瞬結を結果として生じさせる場合がある。しかし、結果は、不動態化されたポルトランドセメントの導入が、後混合の後ただちにまたは２時間のいずれでもゲル化または瞬結を結果として生じさせなかったことを示している。
次いで、組成物を実験および対照サンプルに分割した。セメント組成物の実験サンプルを不動態化されたセメント促進剤と混合した。セメント組成物の対照サンプルを不動態化されたセメント促進剤と混合しなかった。次いで、セメント組成物サンプルを１インチ×２インチの黄銅シリンダーに注ぎ、室温で７２時間硬化させた。サンプルを硬化させた後、破壊圧縮強度を、サンプルを破砕する機械プレスを使用することによって、ＡＰＩ ＲＰ Ｐｒａｃｔｉｃｅ １０Ｂ−２、坑井セメントの試験のための推奨方法に従って測定した。結果を以下の表１４に示す。
表１４
圧縮強度測定
*セメントの重量％、このシステムでは、セメントは、アルミン酸リン酸カルシウムセメントである；**ＤＮＳ＝凝結しなかった。
結果は、３実験の平均である。結果は、不動態化されたセメント促進剤の添加が、セメント凝結活性剤の非存在下でさえも７２時間圧縮強度を増加させることを示している。
実施例５
以下の実施例は、以下の成分を含む不動態化されたセメント促進剤組成物を記載する：
表１５
不動態化されたセメント促進剤およびセメント凝結活性剤の組成構成
不動態化されたセメント促進剤を、３００．０ｇのクラスＨのポルトランドセメントを７５０．０ｇの水および１０．６ｇの増粘剤（Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＳＡ−１０１５（商標）懸濁剤）を添加することによって調製した。混合物を５時間反応させ、セメント粒子が十分に分離されて、かつ硬化された塊を形成することができないように撹拌した。次いで、不動態化されたセメント促進剤を遅延されていないアルミン酸リン酸カルシウムセメントに添加した：
表１６
セメントの組成構成
*セメントの重量％、このシステムでは、セメントは、アルミン酸リン酸カルシウムセメントである。
組成物の調製後、８６１ｇのセメント組成物を、３０．４ｇの不動態化されたセメント促進剤に添加した。次いで、混合物を、Ｗａｒｒｉｎｇ Ｂｌｅｎｄｅｒにおいて４０００ｒｐｍで１分間撹拌した。
サンプルのレオロジー特性を、ＡＰＩ ＲＰ Ｐｒａｃｔｉｃｅ １０Ｂ−２、坑井セメントの試験のための推奨方法に従って、Ｆａｎｎ Ｙｉｅｌｄ Ｓｔｒｅｓｓ Ａｄａｐｔｅｒ（ＦＹＳＡ）を備えたＦａｎｎ粘度計（モデル３５Ａ）およびばね（Ｎｏ．２）を使用して測定した。結果を以下の表１７に示す。
表１７
レオロジー測定
不動態化されたセメント促進剤は、ゲル化または瞬結のいずれも結果として生じさせなかった。混合物は実施例４の遅延されたセメント組成物よりも粘性であったが、組成物は依然として流体であり、レオロジー測定は１時間後でも大きく変化しなかった。
次いで、組成物を実験および対照サンプルに分割した。セメント組成物の実験サンプルを不動態化されたセメント促進剤と混合した。セメント組成物の対照サンプルを不動態化されたセメント促進剤と混合しなかった。次いで、セメント組成物サンプルを１インチ×２インチの黄銅シリンダーに注ぎ、水浴において１４０°Ｆで２４時間硬化させた。サンプルを硬化させた後、破壊圧縮強度を、サンプルを破砕する機械プレスを使用することによって、ＡＰＩ ＲＰ Ｐｒａｃｔｉｃｅ １０Ｂ−２、坑井セメントの試験のための推奨方法に従って測定した。結果を以下の表１８に示す。
表１８
圧縮強度測定
*セメントの重量％、このシステムでは、セメントは、アルミン酸リン酸カルシウムセメントである；**ＤＮＳ＝凝結しなかった。
結果は、３実験の平均である。結果は、不動態化されたセメント促進剤の添加が、セメント凝結活性剤の非存在下でさえも２４時間圧縮強度を増加させることを示している。
実施例６
不動態化されたセメント促進剤中のセメント系材料の粒子が不動態化できなかったことを示すために、以下の実験を実施した。以下の成分を含む不動態化されたセメント促進剤組成物を調製した：
表１９
不動態化されたセメント促進剤の組成構成
不動態化されたセメント促進剤を、３００．０ｇのクラスＨのポルトランドセメントを７５０．０ｇの水および１０．６ｇの増粘剤（Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（ヒューストン、テキサス州）から入手可能なＳＡ−１０１５（商標）懸濁剤）に添加することによって調製した。混合物を５時間反応させ、セメント粒子が十分に分離されて、かつ硬化された塊を形成することができないように撹拌した。
調製後、サンプルを５時間エージングし、次いで目視検査した。サンプルは、流動可能かつポンプで注入可能の両方であると観察された。次いで、サンプルのレオロジー特性を、ＡＰＩ ＲＰ Ｐｒａｃｔｉｃｅ １０Ｂ−２、坑井セメントの試験のための推奨方法に従って、Ｆａｎｎ Ｙｉｅｌｄ Ｓｔｒｅｓｓ Ａｄａｐｔｅｒ（ＦＹＳＡ）を備えたＦａｎｎ粘度計（モデル３５Ａ）およびばね（Ｎｏ．２）を使用して測定した。結果を以下の表２０に示す。
表２０
不動態化されたセメント促進剤の５時間レオロジー測定
*ＶＡＶ100rpm＝１００ｒｐｍにおける重量平均粘度（センチポイズ）。
次いでスラリーを断続的に（＜３回／週）振とう（すなわち撹拌）しながら１２７日間エージングした。その後、スラリーを目視検査すると、依然として流動可能かつポンプで注入可能の両方であると観察された。レオロジー測定を上記と同じプロトコルおよびパラメータを使用して再び行った。結果を以下の表２１に示す。
表２１
不動態化されたセメント促進剤の１２７日レオロジー測定
*ＶＡＶ100rpm＝１００ｒｐｍにおける重量平均粘度（センチポイズ）。
１２７日後、粘度が僅かに増加したが、サンプルは凝結して硬化された塊とならず、成功裏に不動態化されたことが観察された。
組成物および方法は、種々の構成要素または工程を「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」または「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という観点で記載されていることが理解されるべきであるが、組成物および方法は、種々の構成要素および工程から「本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」または「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔ ｏｆ）」こともできる。また、不定冠詞「１つの（ａ）」または「１つの（ａｎ）」は、特許請求の範囲において使用されているとき、本明細書において、導入する要素が１または１を超えることを意味すると定義される。
簡潔さの目的で、ある特定の範囲のみが、本明細書において明確に開示されている。しかし、任意の下限からの範囲が任意の上限と組み合わされて、明確に列挙されていない範囲を列挙してよく、同じく、任意の下限からの範囲が任意の他の下限と組み合わされて、明確に列挙されていない範囲を列挙してよく、同様に、任意の上限からの範囲が任意の他の上限と組み合わされて、明確に列挙されていない範囲を列挙してよい。さらに、下限および上限を含む数値範囲が開示されているときはいつでも、該範囲内にある任意の数値および任意の含まれる範囲が具体的に開示されている。特に、本明細書に開示されている、あらゆる値範囲（「約ａ〜約ｂ」、または、同等に、「およそａ〜ｂ」、または、同等に、「およそａ−ｂ」の形態）は、明確に列挙されていなくても、より広い値範囲内に包含されるあらゆる値および範囲を記載していると理解されたい。このように、あらゆる点または個々の値は、任意の他の点または個々の値と組み合わされたその自身の下または上限として機能して、明確に列挙されていない範囲を列挙してよい。
したがって、本実施形態は、言及した限度および利益ならびに本明細書における固有のものを得るのに良好に適合される。上記に開示されている特定の実施形態は、説明目的のみであるため、本実施形態は、異なっているが、本明細書の教示の利益を有する当業者に明らかな、等価な様式で変更かつ実用されてよい。個々の実施形態が議論されているが、各実施形態の全ての組み合わせが開示によって予期されカバーされる。さらに、以下の特許請求の範囲に記載されている以外の本明細書に示されている構成または設計の詳細に限定されないことが意図される。また、特許請求の範囲における用語は、特許権所有者によって別途明確かつ明瞭に定義されていない限り、平易な通常の意味を有する。そのため、上記に開示されている特定の例示的な実施形態が改変または変更されてよいこと、ならびに全てのかかる変更が本開示の範囲および精神の範囲内で考慮されることが明らかである。本明細書および参照によって本明細書に組み込まれ得る１つ以上の特許または他の文献における語または用語の使用法にいずれかの矛盾があるときには、本明細書と一致する定義が採用されるべきである。

Claims (23)

  1. セメント、水、および不動態化されたセメント促進剤を含むセメント組成物を提供することと；
    前記セメント組成物を凝結させることと
    を含むセメンチングの方法。
  2. 前記セメント組成物が、ホスホン酸、ホスホン酸誘導体、リグノスルホネート、塩、有機酸、カルボキシメチル化ヒドロキシエチル化セルロース、スルホネートおよびカルボン酸基を含む合成コ−またはターポリマー、ボレート化合物、ならびにこれらの任意の混合物からなる群から選択される少なくとも１種の凝結遅延剤をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記セメント組成物が、塩化カルシウム、トリエタノールアミン、ケイ酸ナトリウム、ギ酸亜鉛、酢酸カルシウム、水酸化ナトリウム、硫酸ナトリウム、ナノシリカ、ヘキサメタリン酸ナトリウム、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される少なくとも１種のセメント凝結活性剤をさらに含む、請求項１または請求項２に記載の方法。
  4. 前記セメント組成物が、スルホン化−ホルムアルデヒド系分散剤、ポリカルボキシル化エーテル分散剤、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される少なくとも１種の分散剤をさらに含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 前記不動態化されたセメント促進剤が、不動態化されたポルトランドセメント、不動態化されたプゾラナセメント、不動態化された石膏セメント、不動態化された高アルミナ含量セメント、不動態化されたシリカセメント、不動態化されたスラグセメント、これらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 前記セメントが、ポルトランドセメント、プゾラナセメント、石膏セメント、高アルミナ含量セメント、シリカセメント、スラグセメント、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 前記不動態化されたセメント促進剤が、増粘剤をさらに含む液体添加剤において提供される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
  8. 前記不動態化されたセメント促進剤が、不動態化されたポルトランドセメントを含み、前記セメントが、軽石を含み、前記セメント組成物が、水和石灰、リグノスルホネート、および塩化カルシウムをさらに含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
  9. 不動態化されたセメント促進剤を少なくとも前記セメントおよび前記水と混合することによって前記セメント組成物を調製することをさらに含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
  10. セメント系材料を水と混合することと、不動態化層が前記セメント系材料の少なくとも一部に形成されるように前記セメント系材料および水の混合物を振とうすることとを含むプロセスによって、前記不動態化されたセメント促進剤を調製することをさらに含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
  11. 前記セメント組成物を地下層内に導入することをさらに含み、前記セメント組成物が前記地下層において凝結する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
  12. 前記セメント組成物が、一次セメンチング作業において使用される、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
  13. 不動態化されたセメント促進剤と、
    水と、
    セメントと
    を含むセメント組成物。
  14. ホスホン酸、ホスホン酸誘導体、リグノスルホネート、塩、有機酸、カルボキシメチル化ヒドロキシエチル化セルロース、スルホネートおよびカルボン酸基を含む合成コ−またはターポリマー、ボレート化合物、ならびにこれらの任意の混合物からなる群から選択される少なくとも１種の凝結遅延剤をさらに含む、請求項１３に記載の組成物。
  15. 塩化カルシウム、トリエタノールアミン、ケイ酸ナトリウム、ギ酸亜鉛、酢酸カルシウム、水酸化ナトリウム、硫酸ナトリウム、ナノシリカ、ヘキサメタリン酸ナトリウム、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される少なくとも１種のセメント凝結活性剤をさらに含む、請求項１３または請求項１４に記載の組成物。
  16. スルホン化−ホルムアルデヒド系分散剤、ポリカルボキシル化エーテル分散剤、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される少なくとも１種の分散剤をさらに含む、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の組成物。
  17. 前記不動態化されたセメント促進剤が、不動態化されたポルトランドセメント、不動態化されたプゾラナセメント、不動態化された石膏セメント、不動態化された高アルミナ含量セメント、不動態化されたシリカセメント、不動態化されたスラグセメント、これらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の組成物。
  18. 前記セメントが、ポルトランドセメント、プゾラナセメント、石膏セメント、高アルミナ含量セメント、シリカセメント、スラグセメント、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の組成物。
  19. 前記不動態化されたセメント促進剤が、不動態化されたポルトランドセメントを含み、前記セメントが、軽石を含み、前記セメント組成物が、水和石灰、リグノスルホネート、および塩化カルシウムをさらに含む、請求項１３〜１８のいずれか一項に記載の組成物。
  20. 坑井におけるセメンチングのための不動態化されたセメンチングシステムであって：
    不動態化されたセメント促進剤と、
    セメントおよび水を含むセメント組成物と、
    前記不動態化されたセメント促進剤および前記セメント組成物を混合することが可能である混合装置と、
    混合された前記不動態化されたセメント促進剤および前記セメント組成物を坑井に送達するためのポンピング装置と
    を含む、前記システム。
  21. 前記セメント組成物が、ホスホン酸、ホスホン酸誘導体、リグノスルホネート、塩、有機酸、カルボキシメチル化ヒドロキシエチル化セルロース、スルホネートおよびカルボン酸基を含む合成コ−またはターポリマー、ボレート化合物、ならびにこれらの任意の混合物からなる群から選択される少なくとも１種の凝結遅延剤をさらに含む、請求項２０に記載のシステム。
  22. 前記不動態化されたセメント促進剤が、塩化カルシウム、トリエタノールアミン、ケイ酸ナトリウム、ギ酸亜鉛、酢酸カルシウム、水酸化ナトリウム、硫酸ナトリウム、ナノシリカ、ヘキサメタリン酸ナトリウム、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される少なくとも１種のセメント凝結活性剤をさらに含む液体添加剤中に存在する、請求項２０または請求項２１のいずれか一項に記載のシステム。
  23. 前記システムが、請求項１６〜１９のいずれか一項に定義されている特徴のうち１つ以上をさらに含む、請求項２０〜２２のいずれか一項に記載のシステム。
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