JP2016536432A - 逸泥用途のための新規なセメント組成物 - Google Patents

Abstract

地下層をセメント固定する方法は、セメント状用材、水性塩基流体、ナノ粒子、合成粘土、及びチキソトロピー調整剤を含むセメント組成物を供給することであって、固体材料は、セメント組成物の総重量の約０質量％〜約４０質量％である、供給することと、セメント組成物を地下層に導入することと、セメント組成物が地下層において固まることを可能にすることとを含む。セメント組成物としては、セメント状用材、水性塩基流体、ナノ粒子、合成粘土、及びチキソトロピー調整剤が挙げられる。【選択図】図１

Description

セメンチングは、一般的な坑井作業(well operation)である。例えば、水硬セメント組成物は、ケーシング又はライナなど、一続きのパイプが坑井においてセメント固定されるセメンチング作業において使用することができる。セメント固定された一続きのパイプは、坑井の異なる領域を互いから及び表面から隔離する。水硬セメント組成物は、ケーシングのプライマリセメンチングにおいて、又は、仕上げ作業において使用することができる。水硬セメント組成物は、また、高透水性領域又は過多の水を生成する恐れがある領域内の断裂に栓をするなど、パイプストリングの割れ又は孔などに栓をする介入作業において利用することができる。

セメンチング及び水硬セメント組成物
セメンチングを行う際に、水硬セメント組成物は、坑井(wellbore)内の所望の場所への流体として（典型的には懸濁液又はスラリの形で）ポンプ送入される。例えば、ケーシング又はライナをセメント固定する際に、水硬セメント組成物は、パイプストリングの外面と穿孔（すなわち、坑井の壁部）との間の環状空間にポンプ送入される。セメント組成物は、環状空間において固まる時間が与えられ、その結果、硬化した実質的に不透過性セメントの環状シースが形成される。硬化したセメントは、パイプストリングを坑井において支持及び位置決めしてパイプストリングの外面を坑井の壁部に接合する。

水硬セメントは、水と混合されたとき、水との化学反応のため、経時的に硬化するつまり固まる材料である。これは水との化学反応であるので、水硬セメントは、水中でさえ固まることができる。水硬セメント、水、及び任意の他の成分は、スラリの初期状態において水硬セメント組成物を形成するために混合され、該スラリは、組成物を坑井にポンプ送入するため、かつ、井戸内の所望の坑底場所での配置のための固化前の十分な時間にわたる流体であるべきである。

従来のセメントは、特に海水又は汽水（brackish water）を使用することにより、全損失から成る地下層（subterranean formation）など厳しい環境において効果が劣る恐れがある。更に、シリカライトの品質は、また、セメントの有効性を低減する恐れがある。したがって、逸泥(lost circulation)用途において有用であり、簡単に混合することができ、かつ、厳しい環境に対応することができるセメントスラリを特定することが必要である。

以下の図は、本発明の特定の態様を例示するために含まれるので排他的実施形態と見るべきではない。開示する主題は、本開示の助けを借りる当業者に思い浮かぶであろう、形態及び機能においてかなりの改変、変更、及び均等物が可能である。

本発明のセメント組成物で坑井をセメント固定するのに有用な装置の例示的な例を示す図である。

本発明は、一般に、地下作業におけるセメント組成物の使用に関し、更に詳しくは、厳しい状態における逸泥用途向けのセメント組成物、及び、これらの組成物を様々な地下作業において使用する方法に関する。

合成粘土及びナノ材料の新奇な使用は、これらを逸泥用途向けのセメント組成物において利用することである。例示的な実施形態において、地下層をセメント固定する方法は、セメント状用材(cementitious material)、水性塩基流体、ナノ粒子、合成粘土、及びチキソトロピー調整剤を含むセメント組成物を供給することであって、固体材料は、セメント組成物の総重量の約０質量％〜約４０質量％である、供給することと、セメント組成物を地下層に導入することと、及び、セメント組成物が地下層において固まることを可能にすることとを含む。例示的な実施形態において、結果的に得られるセメントは、セメントの総重量の約１０質量％〜２０質量％の固体材料含有量を有する。いくつかの実施形態において、セメント組成物の流動学的性質は、剪断速度に左右される。非ニュートン流体の粘度は、剪断速度の増加とともに減少する。様々な実施形態において、ナノ粒子は、ナノシリカ、ナノ炭酸塩、ナノアルミナ、及びその任意の組み合わせの少なくとも１つを含む。例示的な実施形態において、ナノ粒子は、約０．１〜約５．０ガロン／袋の量で存在する。特定の実施形態において、ナノ粒子は、約２〜約１００ミクロンの直径を有する。いくつかの実施形態において、合成粘土は、水の約０．１％〜約３質量％の量で存在する。さらに、実施形態において、セメント組成物に添加される自然粘土は、実質的にない。例示的な実施形態において、チキソトロピー調整剤は、高表面積シリカ、ヒュームドシリカ、珪酸ナトリウム、珪酸、及びその組み合わせから選択され得る。いくつかの実施形態において、チキソトロピー調整剤は、約１％〜約１５０％ｂｗｃの量で存在する。多数の実施形態において、水性塩基流体は、淡水、汽水、塩水、及びその組み合わせの少なくとも１つを含み、かつ、セメント組成物の約２０％〜約８０質量％の量でセメント組成物中に存在し得る。様々な実施形態において、セメント状用材は、ポートランドセメント、石膏セメント、高アルミナ含有量セメント、スラグセメント、高マグネシア含有量セメント、頁岩セメント、酸／塩基セメント、フライアッシュセメント、ゼオライトセメントシステム、キルンダストセメントシステム、超微粒セメント、メタカオリン、軽石、及びその組み合わせの少なくとも１つを含む。他の実施形態において、セメント組成物は、樹脂、ラテックス、安定剤、シリカ、ポゾラン、マイクロスフェア、水高吸収剤（aqueous superabsorber）、粘性化剤（viscosifying agent）、懸濁剤、分散剤、塩類、反応促進剤、表面活性物質(surfactant)、遅延剤、脱泡剤、定着防止剤、重み付け材料(weighting material)、流体損失制御剤（fluid loss control agent）、エラストマ、ビトリファイド頁岩、ガス移行制御添加剤、層調整剤(formation control additive)、及び、その組み合わせの少なくとも１つを更に含み得る。

本発明は、また、セメント組成物に関する。例示的な実施形態において、坑井セメント組成物は、セメント状用材、塩基水溶液流体、ナノ粒子、合成粘土、及び、チキソトロピー調整剤を含み、固体材料は、セメント組成物の総重量の約０質量％〜約４０質量％である。例示的な実施形態において、結果的に得られるセメントは、セメントの総重量の約１０質量％〜２０質量％の固体材料含有量を有する。いくつかの実施形態において、セメント組成物の流動学的性質は、剪断速度に左右される。非ニュートン流体の粘度は、剪断速度の増加とともに減少する。様々な実施形態において、ナノ粒子は、ナノシリカ、ナノ炭酸塩、ナノアルミナ、及びその任意の組み合わせの少なくとも１つを含む。例示的な実施形態において、ナノ粒子は、約０．１〜約５．０ガロン／袋の量で存在する。特定の実施形態において、ナノ粒子は、約２〜約１００ミクロンの直径を有する。いくつかの実施形態において、合成粘土は、水の約０．１％〜約３質量％の量で存在する。さらに、実施形態において、セメント組成物に添加される自然粘土は、実質的にない。例示的な実施形態において、チキソトロピー調整剤は、高表面積シリカ、ヒュームドシリカ、珪酸ナトリウム、珪酸、及びその組み合わせから選択され得る。いくつかの実施形態において、チキソトロピー調整剤は、約１％〜約１５０％ｂｗｃの量で存在する。多数の実施形態において、水性塩基流体は、淡水、汽水、塩水、及びその組み合わせの少なくとも１つを含み、かつ、セメント組成物の約２０％〜約８０質量％の量でセメント組成物中に存在し得る。様々な実施形態において、セメント状用材は、ポートランドセメント、石膏セメント、高アルミナ含有量セメント、スラグセメント、高マグネシア含有量セメント、頁岩セメント、酸／塩基セメント、フライアッシュセメント、ゼオライトセメントシステム、キルンダストセメントシステム、超微粒セメント、メタカオリン、軽石、及び、その組み合わせの少なくとも１つを含む。他の実施形態において、セメント組成物は、樹脂、ラテックス、安定剤、シリカ、ポゾラン、マイクロスフェア、水高吸収剤、粘性化剤、懸濁剤、分散剤、塩類、反応促進剤、表面活性物質、遅延剤、脱泡剤、定着防止剤、重み付け材料、流体損失制御剤、エラストマ、ビトリファイド頁岩、ガス移行制御添加剤、層調整剤、及び、その組み合わせの少なくとも１つを更に含み得る。

本発明は、また、坑井セメンチングシステムを対象とする。実施形態において、セメンチングシステムは、セメント状用材、水性塩基流体、ナノ粒子、合成粘土、及びチキソトロピー調整剤を含むセメント組成物を供給するように構成され、固体材料は、セメント組成物の総重量の約０質量％〜約４０質量％であり、更に、セメント組成物を地下層に導入するように構成され、セメント組成物が地下層において固まることを可能にするように構成された装置を含む。例示的な実施形態において、結果的に得られるセメントは、セメントの総重量の約１０質量％〜２０質量％の固体材料含有量を有する。いくつかの実施形態において、セメント組成物の流動学的性質は、剪断速度に左右される。非ニュートン流体の粘度は、剪断速度の増加とともに減少する。様々な実施形態において、ナノ粒子はナノシリカ、ナノ炭酸塩、ナノアルミナ、及びその任意の組み合わせの少なくとも１つを含む。例示的な実施形態において、ナノ粒子は、約０．１〜約５．０ガロン／袋の量で存在する。特定の実施形態において、ナノ粒子は、約２〜約１００ミクロンの直径を有する。いくつかの実施形態において、合成粘土は、水の約０．１％〜約３質量％の量で存在する。さらに、実施形態において、セメント組成物に添加される自然粘土は、実質的にない。例示的な実施形態において、チキソトロピー調整剤は、高表面積シリカ、ヒュームドシリカ、珪酸ナトリウム、珪酸、及びその組み合わせから選択され得る。いくつかの実施形態において、チキソトロピー調整剤は、約１％〜約１５０％ｂｗｃの量で存在する。多数の実施形態において、水性塩基流体は、淡水、汽水、塩水、及びその組み合わせの少なくとも１つを含み、セメント組成物の約２０％重量〜約８０質量％の量でセメント組成物中に存在し得る。様々な実施形態において、セメント状用材はポートランドセメント、石膏セメント、高アルミナ含有量セメント、スラグセメント、高マグネシア含有量セメント、頁岩セメント、酸／塩基セメント、フライアッシュセメント、ゼオライトセメントシステム、キルンダストセメントシステム、超微粒セメント、メタカオリン、軽石、：及び、その組み合わせの少なくとも１つを含む。他の実施形態において、セメント組成物は、樹脂、ラテックス、安定剤、シリカ、ポゾラン、マイクロスフェア、水高吸収剤、粘性化剤、懸濁剤、分散剤、塩類、反応促進剤、表面活性物質、遅延剤、脱泡剤、定着防止剤、重み付け材料、流体損失制御剤、エラストマ、ビトリファイド頁岩、ガス移行制御添加剤、層調整剤、及び、その組み合わせの少なくとも１つを更に含み得る。

ナノ材料
本発明において有用なナノ構造材料は、ナノシリカ、ナノ炭酸塩、ナノアルミナ、及びその任意の組み合わせを含む。セメント組成物の例示的な実施形態は、ナノシリカを含む。ナノシリカは、粒状ナノシリカとして記述され得る。すなわち、例えば、ナノシリカは、性質は、粒子状であり、コロイド状シリカ、又は、溶液中のシリカの懸濁ではない場合がある。実際、１つの実施形態において、粒状ナノシリカは、乾燥ナノシリカ粉体としてセメント組成物に添加され得る。一般的に、粒状ナノシリカは、１００ナノメートル（「ｎｍ」）以下の粒度を有するナノシリカと定義され得る。例えば、粒状ナノシリカは、約１ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲の粒度を有し得る。特定の例示的な実施形態において、粒状ナノシリカは、約５０ｎｍ以下の粒度を有し得る。例えば、粒状ナノシリカは、約５ｎｍ〜約５０ｎｍの範囲の粒度を有し得る。更なる例示的な実施形態において、粒状ナノシリカは、約３０ｎｍ以下の粒度を有し得る。例えば、粒状ナノシリカは、約５ｎｍ〜約３０ｎｍの範囲の粒度を有し得る。しかしながら、粒状ナノシリカは、本発明の実施形態により大きさが異なるシリカ粒子と組み合わせて利用され得ることに注意されたい。例えば、１００ｎｍを上回る粒度を有するいくつかのシリカ粒子が、本発明の実施形態によりセメント組成物に含められ得る。

二酸化シリコンを含み得る本発明の実施形態とともに利用される粒状ナノシリカは、結果的に得られるセメントの特定の物理的特性に影響を与え得る。例えば、セメントスラリ中のコロイド状シリカ又はより大きいシリカ粒子の介在に対して、セメントスラリ中の粒状ナノシリカの介在は、圧縮強度、引張強さ、ヤング率及びポアソンの比率など向上した機械的特性を提供し得る。更に、粒状ナノシリカは、また、結果として得られるセメント組成物の固化時間を速める急結材としてセメント組成物に含められ得る。したがって、本発明の実施形態によるセメント組成物は、結果的に得られるセメントにおいて所望の特性をもたらすのに十分な量の粒状ナノシリカを含み得、例示的な実施形態において、粒状ナノシリカは、約０．１〜約５ｇｐｓの範囲の量でセメント組成物中に存在し得る。例示的な実施形態において、粒状ナノシリカは、約０．５〜約３．０ｇｐｓの範囲の量でセメント組成物中に存在し得る。ナノ粒子はナノシリカを含み得るが、セメント組成物は、本発明の実施形態により、約２５％未満のシリカｂｗｏｃを含み得ることを理解されたい。

本発明の実施形態により、他の形式のナノ材料を利用することが望ましい場合がある。そのようなナノ粒子の実施例としては、ナノアルミナ、ナノ炭酸塩、及びその組み合わせが挙げられる。特定の例示的な実施形態において、ナノ粒子は、性質は、粒子状であり、コロイド状ナノ粒子、又は、溶液中のナノ粒子の懸濁ではない場合がある。更に、先に論じた内容は坑井セメンチング方法における粒状ナノシリカの使用を対象としているが、当業者は、本発明の技法は、また、様々な異なる地下処理のいずれにおいてもナノ粒子の使用を包含することを認識するであろう。

水性塩基流体
本発明のセメント組成物中の水性塩基流体は、孔への導入に向けてポンプ送入可能なスラリを作製するのに十分な量で存在する。いくつかの実施形態において、水性塩基流体は、淡水、汽水、塩水、及びその組み合わせの少なくとも１つを含む。水は、淡水、汽水、塩水、又は、その任意の組み合わせであり得る。特定の実施形態において、水は、セメント組成物の約２０％〜約９５質量％、セメント組成物の約２８％〜約９０質量％、又は、セメント組成物の約３６％〜約８０質量％の量でセメント組成物中に存在し得る。

合成粘土
合成粘土が、本発明のセメント組成物中に存在する。好適な合成粘土の実施例としては、英国Ｃｈｅｓｈｉｒｅ、ＷｉｄｎｅｓのＲｏｃｋｗｏｏｄ Ａｄｄｉｔｉｖｅｓ Ｌｉｍｉｔｅｄから入手可能であるＬａｐｏｎｉｔｅ（商標）ＥＰなどの層状珪酸塩が、これに制限しないが、含まれる。いくつかの実施形態において、本発明のセメントは、自然粘土の添加を含まない。特定の実施形態において、合成粘土は、約０．１〜約３．０％ｗｗの量で存在する。

チキソトロピー調整剤
チキソトロピー調整剤が、本発明のセメント組成物中に存在する。好適なチキソトロピー調整剤の実施例としては、細かく分けられた高表面積シリカ、ヒュームドシリカ、珪酸ナトリウム、珪酸、及びその組み合わせが挙げられる。市販のバージョンは、ＴＸ、ＨｏｕｓｔｏｎのＨａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ．Ｉｎｃ．から入手可能であるＭｉｃｒｏｂｌｏｃｋ（商標）である。Ｅｃｏｎｏｌｉｔｅ（商標）は、また、セメントスラリに揺変性を与えることができる、ＴＸ、ＨｏｕｓｔｏｎのＨａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ．Ｉｎｃ．から入手可能であるセメント添加剤である。チキソトロピー調整剤として有用な軽量セメント添加剤である、ＧａｓＣｏｎ（商標）４６９が、ＴＸ、ＨｏｕｓｔｏｎのＨａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ．Ｉｎｃ．から入手可能であり、かつ、一般的に約２０ｎｍ未満の粒度を有する懸濁珪酸粒子を含むコロイド状珪酸懸濁と定義され得る。特定の実施形態において、チキソトロピー調整剤は、約０．１％〜約１５０％ｂｗｃの量で存在する。

セメント状用材
水との反応によって固まって硬化するカルシウム、アルミニウム、シリコン、酸素及び／又は硫黄で構成されたセメントを含め、様々なセメントが、本発明において使用することができる。そのような水硬セメントとしては、ポートランドセメント、石膏セメント、高アルミナ含有量セメント、スラグセメント、高マグネシア含有量セメント、頁岩セメント、酸／塩基セメント、フライアッシュセメント、ゼオライトセメントシステム、キルンダストセメントシステム、超微粒セメント、メタカオリン、軽石、及びそ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、好適なＡＰＩポートランドセメントは、クラスＡ、Ｃ、Ｈ、及びＧである。

スラリ密度
特定の実施形態において、セメント組成物は、孔への導入に向けてポンプ送入可能であるスラリ密度を有する。例示的な実施形態において、スラリ形態におけるセメント組成物の密度は、約７ポンド／ガロン（ｐｐｇ）〜約２０ｐｐｇ、約８ｐｐｇ〜約１８ｐｐｇ、又は、約９ｐｐｇ〜約１７ｐｐｇである。

セメント添加剤
本発明のセメント組成物は、添加剤を含むことができる。特定の実施形態において、添加剤は、樹脂、ラテックス、安定剤、シリカ、ポゾラン、マイクロスフェア、水高吸収剤、粘性化剤、懸濁剤、分散剤、塩類、反応促進剤、表面活性物質、遅延剤、脱泡剤、定着−防止薬剤、重み付け材料、流体損失制御剤、エラストマ、ビトリファイド頁岩、ガス移行制御添加剤、層調整剤、及びその組み合わせの少なくとも１つを含む。

本明細書で開示する例示的なセメント組成物は、開示するセメント組成物の準備、送出、再捕捉、再循環、再利用及び／又は処分に関連した設備の１つ又はそれ以上の構成部品又は部片に直接、間接を問わず影響を与え得る。例えば、かつ、図１を参照すると、開示するセメント組成物は、１つ又はそれ以上の実施形態により、例示的な坑井掘削組立体１００に関連した設備の１つ又はそれ以上の構成部品又は部片に直接、間接を問わず影響を与え得る。図１が全体的に地上配備式掘削組立体を示すが、当業者は、本明細書で説明する原理が本開示の範囲から逸脱することなく、浮遊つまり海上配備式のプラットフォーム及びリグを用いる海中掘削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なることに注意されたい。

例示するように、掘削組立体１００は、ドリルストリング１０８を昇降させる走行ブロック１０６を有するデリック１０４を支持する掘削基地１０２を含むことができる。ドリルストリング１０８は、当業者に一般的に知られているように、ドリルパイプ及びコイル状チューブ材料を含むことができるが、これらに限定されるものではない。ケリー１１０は、回転テーブル１１２を介して降下されるときにドリルストリング１０８を支持する。ドリルビット１１４が、ドリルストリング１０８の遠位端に装着され、ダウンホールモータによって及び／又は坑井面からのドリルストリング１０８の回転を介してのどちらかで駆動される。ビット１１４は、回転するとき、様々な地下層１１８に貫入する穿孔１１６を作製する。

ポンプ１２０（例えば、泥水ポンプ）は、掘削流体１２２を供給管１２４を介して及びケリー１１０まで循環させ、該ケリーは、掘削流体１２２をドリルストリング１０８の内部を介して、及び、ドリルビット１１４の１つ又はそれ以上のオリフィスを介して坑底に送る。掘削流体１２２は、その後、ドリルストリング１０８と穿孔１１６壁部との間に画定されたアニュラス１２６を介して表面に循環される。表面にて、再循環された又は使用済みの掘削流体１２２は、アニュラス１２６を出て、相互接続する流れ管路１３０を介して１つ又はそれ以上の流体処理装置１２８（複数可）に送ることができる。流体処理装置１２８（複数可）を通過した後に、「洗浄された」掘削流体１２２が、近くの保持窪み１３２（すなわち、泥溜め）に堆積される。アニュラス１２６を介して坑井１１６の出口にて配置されると例示されているが、当業者は、流体処理装置１２８（複数可）は、本開示の範囲の範囲から逸脱することなく、その適切な機能を促進するために、掘削組立体１００内の任意の他の場所に配置され得ることを容易に認識するであろう。

開示するセメント組成物の１つ又はそれ以上は、保持窪み１３２連通可能に結合されるか、又は、その他の方法で該窪みと流体連通する混合ホッパ１３４を介して掘削流体１２２に添加することができる。混合ホッパ１３４は、当業者に知られている混合機及び関連した混合設備を含むことができるが、これらに限定されるものではない。しかしながら、他の実施形態において、開示するセメント組成物は、掘削組立体１００内の任意の他の場所にて掘削流体１２２に添加され得る。少なくとも１つの実施形態において、例えば、直列の複数の保持窪み１３２など、２つ以上の保持窪み１３２があり得る。更に、保持プット１３２は、掘削流体１２２に添加されるまで、開示するセメント組成物が貯蔵、再調整、及び／又は、調節され得る１つ又はそれ以上の流体保管設備及び／又は装置を表すことができる。

上述したように、開示するセメント組成物は、掘削組立体１００の構成部品及び設備に直接、間接を問わず影響を与え得る。例えば、開示するセメント組成物は、流体処理装置１２８（複数可）に直接、間接を問わず影響を与え得、該流体処理装置としては、シェーカ（例えば、頁岩シェーカ）、遠心分離機、液体サイクロン、分離機（磁気で電気分離機を含む）、デシルタ、テサンダ、分離機、濾過器（例えば、珪藻土濾過器）、熱交換器、任意の流体再生設備の１つ又はそれ以上を挙げることができるが、これらに限定されない。流体処理装置１２８（複数可）としては、例示的なセメント組成物を貯蔵、モニタ、調節、及び／又は再調整に使用される１つ又はそれ以上のセンサ、ゲージ、ポンプ、圧縮機などを更に挙げることができる。

開示するセメント組成物は、ポンプ１２０に直接、間接を問わず影響を与え得、該ポンプは、典型的に、流体学的にセメント組成物を坑底に送るために使用される任意の導管、パイプライン、トラック、管状物及び／又はパイプ、セメント組成物を駆動して移動させるために使用される任意のポンプ、圧縮機、又はモータ（例えば、上部又は坑底）、セメント組成物の圧力又は流量を調節するために使用される任意のバルブ又は関連した継手、及び、任意のセンサ（すなわち、圧力、温度、流量など）、ゲージ及び／又はその組み合わせなどを含む。開示するセメント組成物は、また、混合ホッパ１３４及び保持窪み１３２及び種々雑多の変形物に直接、間接を問わず影響を与え得る。

開示するセメント組成物は、また、ドリルストリング１０８、ドリルストリング１０８に関連した任意のフロート、ドリルカラー、マッドモータ、ダウンホールモータ及び／又はポンプ、及び、ドリルストリング１０８に関連した任意のＭＷＤ／ＬＷＤ工具及び関連した遠隔測定設備、センサ又は分散型センサなどであるがこれに限定されない、セメント組成物と接触し得る様々なダウンホール装具及び工具に直接、間接を問わず影響を与え得る。開示するセメント組成物は、また、任意の坑底熱交換器、バルブ及び坑井１１６に関連した対応する駆動デバイス、工具密封部、充填器、及び他の坑井隔離装置、又は、構成部品などに直接、間接を問わず影響を与え得る。開示するセメント組成物は、また、ドリルビット１１４に直接、間接を問わず影響を与え得、該ドリルビットとしては、ローラコーンビット、ＰＤＣビット、ナチュラルダイオモンドビット、任意のホールオープナ、リーマ、コアリングビットなどを挙げることができるがこれらに限定されない。

本明細書では具体的には例示されていないが、開示するセメント組成物は、また、例えば、流体学的にセメント組成物を場所移動させるために使用される任意の移送容器、導管、パイプライン、トラック、管状物及び／又はパイプ、セメント組成物を駆動して移動させるために使用される任意のポンプ、圧縮機、又はモータ、セメント組成物の圧力又は流量を調節するために使用される任意のバルブ又は関連した継手、及び、任意のセンサ（すなわち、圧力及び温度）、ゲージ及び／又はその組み合わせなどの、掘削組立体１００にセメント組成物を送るために使用される任意の移送又は送給設備に直接、間接を問わず影響を与え得る。

本発明を全体的に説明したので、以下の実施例を、本発明の特定の実施形態として、かつ、本発明の実践及び利点を実証するために示す。実施例は例示として示され、いかなる点においても本明細書又は以下の特許請求項の範囲を制限することを目的するものではないと理解される。

実施例
スラリ準備
１４種類の異なるセメントスラリ（スラリ１〜スラリ１４）を準備した。粘土を水にワーリングブレンダに４０００ｒｐｍにて水和させ、その後、それぞれのスラリを形成するためにセメント、ミクロマトリクスセメント、ナノシリカ、マイクロブロック（商標）及びＥｃｏｎｏｌｉｔｅ（商標）を混水に添加することによってスラリを準備した。その後、異なるスラリの様々な物理特性を判定するためスラリを検査した。全ての検査をＡＰＩ ＲＰ−１０Ｂ−２、２０１０年７月 を使用して行った。
表１：レオロジ及びゲル強度に関するスラリ設計

（Ａ）スラリ特性に及ぼす水の塩化物含有量の影響
セメントに及ぼす水中に存在する塩化物含有量の影響を判定するために、Ｌａｐｏｎｉｔｅ（商標）ＥＰを含むセメント混合物を表２に従って作製した。ゲル強度を含め結果を表３に要約する。
表２：Ｌａｐｏｎｉｔｅ ＥＰのスラリ設計

表３：レオロジ及びゲル強度に及ぼす水の塩化物含有量の影響

Ｌａｐｏｎｉｔｅ（商標）ＥＰは、淡水ならびに海水において有効なゲル強度読取り値を示す。

（Ｂ）Ｌａｐｏｎｉｔｅ（商標）ＥＰに関する更なるスラリ設計
次表４は、Ｌａｐｏｎｉｔｅ ＥＰ及び淡水を含む異なるスラリ混合物の要約を示す。表５は、流動学的性質を示す。
表４：Ｌａｐｏｎｉｔｅ（商標）ＥＰの異なるスラリ設計

表５：ＦＹＳＡに関するレオロジ

次表６は、淡水及び塩水においてＬａｐｏｎｉｔｅ（商標）ＥＰを含む異なるスラリ混合物の要約を示す。表７は、流動学的性質及びゲル強度を示す。
表６：淡水及び海水中のＬａｐｏｎｉｔｅ（商標）ＥＰの異なるスラリ設計

表７：ＦＹＳＡに関するレオロジ及びゲル強度

Ｅｃｏｎｏｌｉｔｅ（商標）は、ＴＸ、ＨｏｕｓｔｏｎのＨａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ．Ｉｎｃ．から入手可能である体積及び減少密度を増大させるセメント添加剤である。ＧＧＢＦスラグは、高炉スラグ微粉末である。Ｍｉｃｒｏ Ｍａｔｒｉｘ（商標）セメントは、ＴＸ、ＨｏｕｓｔｏｎのＨａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ．Ｉｎｃ．から入手可能、かつ、小さい割れの浸透が必要とされるセメンチングに有用である超微粒セメントである。ＳＡ−１０１５（商標）は、ＴＸ、ＨｏｕｓｔｏｎのＨａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ．Ｉｎｃ．から入手可能である懸濁剤の役目を果たすセメント添加剤である。Ｓｉｌｉｃａｌｉｔｅ（商標）セメント添加剤は、細かく分けられた、高表面積シリカから作製され、かつ、ＴＸ、ＨｏｕｓｔｏｎのＨａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ．Ｉｎｃ．から入手可能であり、かつ、揺変性を一部のセメントスラリに与えることができる。

先の実施例でわかるように、本発明のセメントは、向上した流体力学的特性及び揺変性特性を有する。結果的に得られるセメントは、低い固体含有量を有し、かつ、剪断に左右され、また、広範囲な温度範囲にわたって有効である。

本発明の好適な実施形態を示しかつ説明したが、その改変は、本発明の趣旨及び教示から逸脱することなく当業者によって行うことができる。本明細書で説明する実施形態は、例示的にすぎず、制限的であることを意図したものではない。本明細書で開示する本発明の多くの変形及び改変が可能であり、かつ、本発明の範囲内である。請求項の任意の要素に対する用語「任意選択的に」の使用は、対象の要素が必要とされるか、又は、あるいは、必要とされないことを意味することを目的とする。両方の代案は、請求項の範囲内であることを意図する。

上記の本開示が完全に認識されると、多数の他の改変、均等物、及び代替物が、当業者に明らかになるであろう。以下の特許請求の範囲は、全てのそのような適切な変形，均等物、及び改変を包含すると解釈されることが意図されている。

Claims (29)

1. 地下層をセメント固定する方法であって、
   セメント状用材、水性塩基流体、ナノ粒子、合成粘土、及びチキソトロピー調整剤を含むセメント組成物を供給する工程であって、前記固体材料が、前記セメント組成物の総重量の約０質量％〜約４０質量％である工程、
   前記セメント組成物を地下層に導入する工程、
   前記セメント組成物が地下層において固まらせる工程、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記固体材料が、前記セメント組成物の前記総重量の約１０質量％〜約２０質量％である、請求項１に記載の方法。
3. 前記ナノ粒子が、ナノシリカ、ナノ炭酸塩、ナノアルミナ、及びその任意の組み合わせの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記ナノ粒子が、約０．１〜約５ガロン／袋の量で存在する、請求項１に記載の方法。
5. 前記ナノ粒子が、約２〜約１００ミクロンの直径を有する、請求項１に記載の方法。
6. 前記合成粘土が、水の約０．１％〜約３．０質量％の量で存在する、請求項１に記載の方法。
7. 前記セメント組成物に、実質的に自然粘土が添加されない、請求項１に記載の方法。
8. 前記水性塩基流体が、淡水、汽水、塩水、及びその組み合わせの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記水性塩基流体が、セメントの約２０％〜約８０質量％の量で前記セメント組成物中に存在する、請求項１に記載の方法。
10. 前記セメント状用材が、ポートランドセメント、石膏セメント、高アルミナ含有量セメント、スラグセメント、高マグネシア含有量セメント、頁岩セメント、酸／塩基セメント、フライアッシュセメント、ゼオライトセメントシステム、キルンダストセメントシステム、超微粒セメント、メタカオリン、軽石、及び、その組み合わせの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
11. 樹脂、ラテックス、安定剤、シリカ、ポゾラン、マイクロスフェア、水高吸収剤、粘性化剤、懸濁剤、分散剤、塩類、反応促進剤、表面活性物質、遅延剤、脱泡剤、定着防止剤、重み付け材料、流体損失制御剤、エラストマ、ガラス化(vitrified)頁岩、ガス移行制御添加剤、層調整剤、及び、その組み合わせの少なくとも１つを更に含む、請求項１に記載の方法。
12. 硬化前の前記セメントの密度が、約１２ポンド／ガロン未満である、請求項１に記載の方法。
13. 前記チキソトロピー調整剤が、ヒュームドシリカ、珪酸ナトリウム、珪酸、及びその組み合わせから選択される、請求項１に記載の方法。
14. 前記チキソトロピー調整剤が、約０．１％〜約１５０％ｂｗｃの量で存在する、請求項１に記載の方法。
15. 坑井セメント組成物であって、
    セメント状用材と、
    水性塩基流体と、
    ナノ粒子と、
    合成粘土と、
    チキソトロピー調整剤と、
    を含み、
    前記固体材料が、前記セメント組成物の前記総重量の約０質量％〜約４０質量％である、セメント組成物。
16. 前記固体材料が、前記セメント組成物の前記総重量の約１０質量％〜約２０質量％である、請求項１５に記載のセメント組成物。
17. 前記ナノ粒子が、ナノシリカ、ナノ炭酸塩、ナノアルミナ、及びその任意の組み合わせの少なくとも１つを含む、請求項１５に記載のセメント組成物。
18. 前記ナノ粒子が、約０．１〜約５ガロン／袋の量で存在する、請求項１５に記載のセメント組成物。
19. 前記ナノ粒子が、約２〜約１００ミクロンの直径を有する、請求項１５に記載のセメント組成物。
20. 前記合成粘土が、水の約０．１％〜約３．０質量％の量で存在する、請求項１５に記載のセメント組成物。
21. 前記セメント組成物に、実質的に自然粘土が添加されない、請求項１５に記載のセメント組成物。
22. 前記水性塩基流体が、淡水、汽水、塩水、及びその組み合わせの少なくとも１つを含む、請求項１５に記載のセメント組成物。
23. 前記水性塩基流体が、セメントの約２０％〜約８０質量％の量で前記セメント組成物中に存在する、請求項１５に記載のセメント組成物。
24. 前記セメント状用材が、ポートランドセメント、石膏セメント、高アルミナ含有量セメント、スラグセメント、高マグネシア含有量セメント、頁岩セメント、酸／塩基セメント、フライアッシュセメント、ゼオライトセメントシステム、キルンダストセメントシステム、超微粒セメント、メタカオリン、軽石、及び、その組み合わせの少なくとも１つを含む、請求項１５に記載のセメント組成物。
25. 樹脂、ラテックス、安定剤、シリカ、ポゾラン、マイクロスフェア、水高吸収剤、粘性化剤、懸濁剤、分散剤、塩類、反応促進剤、表面活性物質、遅延剤、脱泡剤、定着防止剤、重み付け材料、流体損失制御剤、エラストマ、ガラス化頁岩、ガス移行制御添加剤、層調整剤、及び、その組み合わせの少なくとも１つを更に含む、請求項１５に記載のセメント組成物。
26. 硬化前の前記セメントの密度が、約１２ポンド／ガロン未満である、請求項１５に記載のセメント組成物。
27. 前記チキソトロピー調整剤が、ヒュームドシリカ、珪酸ナトリウム、珪酸、及びその組み合わせから選択される、請求項１５に記載のセメント組成物。
28. 前記チキソトロピー調整剤が、約０．１％〜約１５０％ｂｗｃの量で存在する、請求項１５に記載のセメント組成物。
29. セメント状用材、水性塩基流体、ナノ粒子、合成粘土及びチキソトロピー調整剤を含むセメント組成物であって、前記固体材料が、該セメント組成物の前記総重量の約０質量％〜約４０質量％であるセメント組成物を供給し、
    前記セメント組成物を地下層に導入し、
    前記セメント組成物を地下層で固まらせるように構成された装置を備えることを特徴とする坑井セメンチングシステム。

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