專利名稱：：用于固井應(yīng)用的多用途添加劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明廣泛涉及固井。更具體而言，本發(fā)明涉及一種用于水泥組合物的添加劑以及相關(guān)的固井方法?，F(xiàn)有技術(shù)描述用于油井固井作業(yè)的水泥漿液典型地基于作為水硬性膠結(jié)劑的波特蘭水泥。這種稱為水合的水泥凝固是存在于漿液中的水和水泥材料之間的化學(xué)反應(yīng)，該反應(yīng)使?jié){液首先凝膠化，然后隨著時間發(fā)展而凝固成固體。在使用中，在地面制備水泥、水和其它固體和/或液體添加劑的可泵送漿液。特別難以在高溫下延緩波特蘭水泥的水合，并且已經(jīng)開發(fā)了強效緩凝劑。然而，它們可能產(chǎn)生不可預(yù)知的結(jié)果，原因是水泥漿液的增稠時間和水泥的壓縮強度開始產(chǎn)生的時間對緩凝劑濃度很敏感。而且，這些緩凝劑的溫度上限有時對于將高溫井固井太低。因而，通常需要加入緩凝劑增強劑。己知鈉硼酸鹽(例如，硼砂)和硼酸是有效的"緩凝劑增強劑"。然而，這些化學(xué)品與一些其它高溫添加劑并不總是相容的，因此，可能損害水泥漿液的失水量控制和流變性。FR2,667，058描述了在回接應(yīng)用(即，當(dāng)需要水泥護層從井底一路延伸到地面時)中，硅酸鹽在緩凝的水泥漿液中的使用。在這種應(yīng)用中，使用葡庚糖酸鹽緩凝劑來延緩水泥在更高溫度的井底環(huán)境下的凝固，并且在漿液中包含較大量(17.75L/噸的水泥)的硅酸鈉，從而在處于低得多的溫度的地面導(dǎo)致凝固。專利申請WO2005/024175描述了硅酸鹽作為緩凝劑增強劑在較高和較低溫度下的使用。然而，加入的硅酸鹽的量沒有進行控制。而且，緩凝劑只適用于固井漿液，對于例如建筑注水泥漿液是無益的，因而對于水泥的可變性不是適合的。在固井中經(jīng)常遇到這種水泥反應(yīng)性的可變性問題。水泥的反應(yīng)性將確定水泥將如何快速地凝固。為了有助于水泥作業(yè)設(shè)計，已經(jīng)確定了一系列水泥分類，它們表示水泥的反應(yīng)性和對某些固井應(yīng)用的適用性的一般水平。一個這樣的分類是美國石油學(xué)會(API)的分類，其提供適用于固井的水泥的分類A-H，這些固井體系被稱為油田水泥組合物。然而，滿足這些分類的水泥通常是相對昂貴的。在全世界許多地方，建筑水泥通常比API水泥更便宜，并且更容易獲得，這些建筑用的注水泥體系被稱為建筑水泥組合物。然而，它們可變的反應(yīng)性和不可靠的性能使得將它們用于固井應(yīng)用是冒險的，特別是在溫度逐漸增加時，原因是通常有漿液凝固太快或根本不凝固的可能性。當(dāng)考慮到在井底部和頂部的溫度效應(yīng)以及添加劑如緩凝劑的作用的不可靠性時，這些水泥的使用盡管在經(jīng)濟上是適宜的，但被認為是不可接受地冒險的。目前，對于控制這些水泥的凝固性能以能夠使它們用于固井用途，沒有容易實施的方法。因此，仍然需要提供解決水泥反應(yīng)性的可變性問題的用于延緩水泥凝固的方法和組合物。本發(fā)明的一個目的是提供這種用于每一種水泥組合物，包括油田和建筑注水泥組合物的添加劑。發(fā)明概述本發(fā)明提供一種用于提高由波特蘭水泥制成并且用于固井的水泥漿液的性能的多用途添加劑，所述多用途添加劑包括抑制在間隙相內(nèi)產(chǎn)生的凝膠化的硅酸鹽和/或硼酸鹽類。本發(fā)明的添加劑顯著提高流變性(即，強分散作用)，甚至可以克服嚴重的凝膠化問題。在高于約88。C(190。F)的溫度，所述添加劑起緩凝劑助劑的作用，從而能夠顯著降低實現(xiàn)給定的增稠時間所需的緩凝劑的濃度。優(yōu)選地，添加劑包括加入到漿液的通式(SiOA(M20)的堿金屬硅酸鹽，其中M是堿金屬。此外，所述硅酸鹽具有釋放聚硅酸根陰離子的性能?？雌饋韺⒁恍┚酃杷岣庪x子釋放到水溶液中的堿金屬硅酸鹽降低波特蘭水泥的間隙相的水合速率。當(dāng)硅酸鹽的Si02:M20(M為Na或K)摩爾比等于或高于1.5時，聚硅酸根陰離子大量存在于水溶液中。當(dāng)不能使用液體添加劑時，Si02:Na20摩爾比為3.32的固體硅酸鈉表現(xiàn)出比該領(lǐng)域中通常使用的偏硅酸鈉(Na2Si03，1的Si02:Na20摩爾比)更加有效。這種硅酸鹽必須部分水解以增加其在水泥漿液中的溶解速率。優(yōu)選地，Si02:Na20摩爾比在1.68-3.37的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，添加劑包括加入到漿液的通式(B203)y(N20)的堿金屬硼酸鹽，其中N是堿金屬。此外，硼酸鹽具有釋放聚硼酸根陰離子的性能。看起來將一些聚硼酸根陰離子釋放到水溶液中的堿金屬硼酸鹽降低波特蘭水泥的間隙相的水合速率。當(dāng)硼酸鹽的B203:N20(M為Na或K)摩爾比等于或高于2時，聚硼酸根陰離子大量存在于水溶液中。優(yōu)選地，B203:N20摩爾比在2-5的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的另一個方面中，本發(fā)明提供如上所述的多用途添加劑與緩凝劑的應(yīng)用，所述緩凝劑包含在由下列組成的名單中選擇的至少一種組分葡糖酸鹽、葡庚糖酸鹽、羥基羧酸(hydroxycarboxylicacids)、羥基羧酸鹽、羥基羧酸和/或鹽以及木質(zhì)素磺酸鹽的混合物、羥基羧酸(hydrocarboxylicacids)和/或鹽以及木質(zhì)素胺衍生物的混合物、未精制和精制的木質(zhì)素磺酸鹽。在本發(fā)明的另一個方面中，本發(fā)明提供一種制備由波特蘭水泥制成并且用于固井的水泥漿液的方法，所述方法包括(i)提供由波特蘭水泥制成的水硬水泥；和(ii)將如上所述的多用途添加劑與所述水硬水泥在所述漿液中以在所述水硬水泥的約0.1重量％至約20重量％的范圍內(nèi)的量組合。優(yōu)選所述方法還包括添加緩凝劑，所述緩凝劑包含在由下列組成的名單中選擇的至少一種組分葡糖酸鹽、葡庚糖酸鹽、羥基羧酸、羥基羧酸鹽、羥基羧酸和/或鹽以及木質(zhì)素磺酸鹽的混合物、羥基羧酸和/或鹽以及木質(zhì)素胺衍生物的混合物、未精制和精制的木質(zhì)素磺酸鹽。在本發(fā)明的另一個方面中，本發(fā)明提供一種使用由波特蘭水泥制成的水泥漿液對井眼所穿透的地下區(qū)在溫度高于約88。C(190。F)固井的方法，所述方法包括(i)提供由波特蘭水泥制成的水硬水泥；(ii)將如上所述的多用途添加劑與所述水硬水泥在所述漿液中以在所述水硬水泥的約0.1重量%至約20重量％的范圍內(nèi)的量組合；(iii)通過所述井眼將預(yù)先形成的含有所述多用途添加劑的所述漿液泵送到地下區(qū)中；和(iv)使所述漿液凝固。優(yōu)選所述方法還包括添加緩凝劑，所述緩凝劑包含在由下列組成的名單中選擇的至少一種組分葡糖酸鹽、葡庚糖酸鹽、羥基羧酸、羥基羧酸鹽、羥基羧酸和/或鹽以及木質(zhì)素磺酸鹽的混合物、羥基羧酸和/或鹽以及木質(zhì)素胺衍生物的混合物、未精制和精制的木質(zhì)素磺酸鹽。附圖簡述此外，可以使用附圖理解本發(fā)明的實施方案。圖1顯示了在關(guān)于在93。C使用建筑水泥組合物和多用途添加劑的增稠時間的圖表。圖2顯示了關(guān)于在85。C使用建筑水泥組合物和多用途添加劑的流變性的圖表。圖3顯示了關(guān)于布85。C使用建筑水泥組合物和多用途添加劑的量熱曲線(profiles)的圖表。圖4顯示了在關(guān)于在77。C、85。C和93。C使用油田水泥組合物和多用途添加劑的增稠時間的圖表。發(fā)明詳述油田水泥組合物測試了硅酸鈉類型的多用途添加劑。在高溫研究了三種不同的硅酸鈉對使用兩種不同的木質(zhì)素磺酸鹽緩凝劑緩凝的兩種G級水泥(美國石油學(xué)會分類)漿液的流變性和增稠時間的影響。在表1中記錄了所述的三種硅酸鈉的特征。硅酸鹽1和2(偏硅酸鈉)為固體形式，并且硅酸鹽3為濃縮液形式(玻璃水)。Si02:Na20摩爾比對于硅酸鹽1為3.32，對于硅酸鹽2(偏硅酸鈉,Na2Si03)為l，并且對于硅酸鹽3為3.37。硅酸鹽1含有19重量％的結(jié)晶水，而硅酸鹽2為無水形式。表l:硅酸鈉組成<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>*這種固體硅酸鈉含有19重量％的水兩種G級水泥，即油田水泥組合物是由Dyckerhoff(TM)供應(yīng)的，并且被標記為稱為水泥A的"黑標簽"和稱為水泥B的"紅標簽"。所述的兩種緩凝劑是木質(zhì)素磺酸鹽。緩凝劑l是未精制木質(zhì)素磺酸鹽，所述木質(zhì)素磺酸鹽含有一些主要為戊糖和己糖的殘?zhí)呛拖鄳?yīng)的醛糖酸如木糖酸。緩凝劑2是在生產(chǎn)過程中除去殘?zhí)堑木颇举|(zhì)素磺酸鹽。將G水泥與自來水以1.89kg/L(15.8lbm/gal)的密度混合。將消泡劑(2.66升/噸水泥)加入到混合水中，以防止在水泥漿液的混合過程中過量形成泡沫。將硅酸鹽1或2和緩凝劑與水泥干法共混，而將作為液體的硅酸鹽3加入混合水中。對于在104.4。C(220。F)的井底循環(huán)溫度(BHCT)的漿液設(shè)計，將石英粉(水泥重量的35%，BWOC)與水泥干法共混，以防止在井底靜態(tài)溫度(BHST)高于110。C(230。F)時經(jīng)歷的"強度衰減"效應(yīng)。在大多數(shù)情況下，BHST高于BHCT。根據(jù)API說明，混合水泥漿液。在以4,000RPM旋轉(zhuǎn)的韋林氏攪拌器中，將水泥在15秒內(nèi)加入到混合水中。然后將漿液在12,000RPM下混合35秒。計算材料的量以獲得600mL漿液。在以150RPM旋轉(zhuǎn)的大氣稠度計中將水泥漿液在85。C(185。F)調(diào)節(jié)20分鐘之后，使用Chan35流變儀測量流變性。漿液在對應(yīng)300、200、100、60和30RPM的旋轉(zhuǎn)速度的不同剪切速率受到剪切。在表3、4和6中記錄了讀數(shù)。在以150RPM旋轉(zhuǎn)的加壓稠度計中測量增稠時間。在表2中記錄了用于這些試驗的明細。增稠時間值對應(yīng)達到IOOBearden單位的漿液稠度所必需的時間，即對應(yīng)水泥凝固的開始。在表5和7中記錄了結(jié)果。表2:在表5和7中記錄的增稠時間試驗的明細<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表3:硅酸鹽1對用0.3。/。BWOC的緩凝劑1緩凝的水泥漿液的流變性的影響<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>水泥A與淡水以1.89kg/L的密度混合水泥漿液含有按每噸水泥計為2.66升的消泡劑表3顯示了硅酸鹽l(3.32的SiO2:Na2O摩爾比)對用0.3。/。BWOC的未精制木質(zhì)素磺酸鹽緩凝的水泥A漿液的流變性的影響。在沒有硅酸鹽的情況下，讀數(shù)高，表明漿液未被分散。在硅酸鹽濃度增大的情況下，注意到強分散作用。表4:硅酸鹽2對用0.3%BWOC的緩凝劑l緩凝的水泥漿液的流變性的影響<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>水泥A與淡水以1.89kg/L的密度混合水泥漿液含有按每噸水泥計為2.66升的消泡劑表4顯示了硅酸鹽2(偏硅酸鈉，SiO2:Na2O摩爾比為l)對用0.3。/。BWOC的未精制木質(zhì)素磺酸鹽緩凝的水泥A漿液的流變性的影響。選擇硅酸鹽2的濃度以得到與硅酸鹽l(表3)相同的Si02濃度。在硅酸鹽2的情況下，不再觀察到在加入硅酸鹽l時得到的強分散作用。表5:硅酸鹽l、2和3對使用不同緩凝劑1在不同溫度下緩凝的水泥漿液的<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>水泥A與淡水以1.89kg/L的密度混合加入按每噸水泥計為2.66升的消泡劑表5顯示了不同硅酸鹽對使用未精制木質(zhì)素磺酸鹽在不同溫度下緩凝的水泥A漿液的增稠時間的影響。在85。C(185。F)下，使用0.3y。BWOC的緩凝劑緩凝的漿液的增稠時間為4小時44分鐘。加入0.3。/。BWOC的硅酸鹽1不改變增稠時間(8分鐘的差別不顯著)，而加入0.38c/。BWOC的硅酸鹽2(與硅酸鹽l相同的Si02量)顯著縮短增稠時間。沒有在該溫度下測試硅酸鹽3。在93.3。C(200。F)下，使用0.5c/。BWOC的緩凝劑緩凝的漿液的增稠時間為6小時22分鐘。當(dāng)加入0.3。/。BWOC的硅酸鹽1時，該時間顯著延長。在該溫度下沒有測試硅酸鹽2和3。在104.4。C(220。F)下，使用0.8%BWOC的緩凝劑緩凝的漿液的增稠時間僅為3小時49分鐘。當(dāng)加入0.3%BWOC的硅酸鹽l時，該時間顯著延長。如在93.3。C所觀察，當(dāng)加入0.3y。BWOC的硅酸鹽l時，增稠時間顯著延長。當(dāng)加入0.38。/。BWOC的硅酸鹽2時，它也延長，但是延長至少得多的程度(44分鐘相對于208分鐘)。當(dāng)加入每噸水泥為4.53升的硅酸鹽3時，增稠時間急劇增加(23小時20分鐘)。該濃度對應(yīng)與所述的另外兩種硅酸鹽相同的Si02濃度(即，0.185%BWOCSi02)。表6:硅酸鹽l、2和3對使用緩凝劑1和2緩凝的水泥漿液的流變性的影響緩<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>水泥B與淡水以1.89kg/L的密度混合水泥漿液含有按每噸水泥計為2.66升的消泡劑和35n/。BWOC的石英粉表6顯示了三種硅酸鹽對使用0.8。/。BWOC的未精制木質(zhì)素磺酸鹽(緩凝劑1)緩凝的水泥B漿液的流變性的影響。通過加入0.3。/。BWOC的硅酸鹽1,漿液是充分分散的(屈服應(yīng)力值接近零)。在加入按每噸水泥計為4.53升的硅酸鹽3時，注意到類似的作用。相反，在加入0.38。/。BWOC的硅酸鹽2時，漿液變得更粘(更高的讀數(shù))。在使用0.8。/。BWOC的精制木質(zhì)素磺酸鹽(緩凝劑2)使?jié){液緩凝時，也觀察到硅酸鹽l的強分散作用。沒有使用這種緩凝劑測試其它兩種硅酸鹽。表7:硅酸鹽l、2和3對使用緩凝劑1和2緩凝的水泥漿液的增稠時間的影響緩<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>水泥B與淡水以1.89kg/L的密度混合水泥漿液含有按每噸水泥計為2.66升的消泡劑和35n/。BWOC的石英粉表7顯示了對應(yīng)這些水泥B漿液、在104.4。C(220。F)下的增稠時間。應(yīng)指出，使用水泥B獲得的增稠時間顯著短于使用水泥A(在表5所示)獲得的增稠時間。加入0.3。/。BWOC的硅酸鹽1在使用未精制木質(zhì)素磺酸鹽(緩凝劑1)使?jié){液緩凝時將增稠時間延長了48分鐘，而在使用精制木質(zhì)素磺酸鹽(緩凝劑2)使其緩凝時將增稠時間延長了74分鐘。在將0.38n/。BWOC的硅酸鹽2加入使用未精制木質(zhì)素磺酸鹽(緩凝劑l)緩凝的漿液中時，增稠時間略短。如使用另一種水泥所觀察到的，當(dāng)加入按每噸水泥計為4.53升的硅酸鹽3時，注意到最強的緩凝作用。本發(fā)明人注意到硅酸鈉的性能取決于硅酸鹽的化學(xué)性質(zhì)。有效地，已經(jīng)感受到三種不同的行為(l)對于硅酸鹽l，強分散作用，在93.3和104.4。C(在85。C沒有作用)中等的緩凝作用；(2)硅酸鹽2，沒有分散作用(在將硅酸鹽與水泥干法共混時)，在93.3和104.4。C(在85。C加速的作用)沒有緩凝作用；(3)硅酸鹽3，強分散作用，在104.4。C(在85。C和93.3沒有測試)強的緩凝作用。因而，本發(fā)明人假定了兩個關(guān)鍵參數(shù)，即Si02:Na20比率和硅酸鹽的物理狀態(tài)(即，以濃縮液的形式或以固體的形式使用)。在這兩個參數(shù)后面，在水溶液中的硅酸根陰離子的聚合度起著重要的作用-如果硅酸鹽的Si02:Na20摩爾比高(例如，硅酸鹽3)，則聚硅酸根陰離子存在于溶液中；如果將這種硅酸鹽在大量水中稀釋，如在混合水中以制備水泥漿液，則硅酸根陰離子在某時在聚合形式下保持；-如果硅酸鹽的8;02:>^20摩爾比低(例如，偏硅酸鹽)，則單硅酸根離子存在于溶液中；當(dāng)具有高Si02:Na20摩爾比的固體硅酸鹽(例如，硅酸鹽l)溶解于大量水中時，可以獲得聚硅酸根陰離子和單硅酸根陰離子的混合物。據(jù)認為聚硅酸根陰離子充當(dāng)波特蘭水泥的間隙相的選擇性緩凝劑。在G級水泥的情況下，間隙相主要由鐵鋁酸四鈣(水泥的12-15%)Ca4Al2Fe201()和少量的(<3%)鋁酸三鈣(^3八1206構(gòu)成。間隙相的反應(yīng)性相當(dāng)高，而且，在一些添加劑如木質(zhì)素磺酸鹽的存在下，可以提高水合率(hydrationrate)。由間隙相形成的水合產(chǎn)物吸收不再可用于使水泥漿液分散并且緩凝的大量有機分子(分散劑、緩凝劑)。已知的是水泥漿液的流變性是間隙相的反應(yīng)性的函數(shù)。例如，當(dāng)在早期增加鋁酸三鈣的量時，即增加波特蘭水泥的反應(yīng)性最高的相的量時，更高濃度的分散劑和緩凝劑都需要。在一些將大量聚硅酸根陰離子釋放到溶液中的堿金屬硅酸鹽的存在下，可能降低間隙相的水合度。因此，被吸收到它的水合產(chǎn)物中的木質(zhì)素磺酸鹽分子的量更小，因此，應(yīng)當(dāng)更好地分散漿液。以前的研究表明當(dāng)硬化溫度超過約88。C(190。F)時，水泥凝固的開始受間隙相的水合的控制。低于該溫度，水泥凝固主要受到硅酸鹽相，即Ca3Si05和Ca2Si04的水合的控制。這可以解釋在硅酸鹽1和3的存在下，在104.4。C(220。F)獲得更長增稠時間。建筑水泥組合物測試了硅酸鈉和硼酸鈉類型的多用途添加劑。在高溫下研究了三種不同的硅酸鈉和一種硼酸鈉對使用兩種不同緩凝劑緩凝的各種水泥漿液的流變性和增稠時間的影響。在表8中記錄了硅酸鈉和硼酸鈉的特征。硅酸鹽1和2(偏硅酸鈉)處于固體形式，并且硅酸鹽3處于濃縮液形式(玻璃水)。Si02:Na20摩爾比對于硅酸鹽1為3.32，對于硅酸鹽2(偏硅酸鈉，Na2SiCb)為l，并且對于硅酸鹽3為3.37。硅酸鹽1含有19重量％的結(jié)晶水，而硅酸鹽2處于無水形式。表8多用途添加劑組成<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>*這種固體硅酸鈉含有19重量的水水泥漿液由三種建筑水泥和一種用于油田應(yīng)用的A級水泥制成。在表9中描述了它們的性質(zhì)，C3A含量對應(yīng)間隙相的鋁酸三鈣組分。表9:水泥組成和性質(zhì)<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>使用淡水制備所有漿液，并且還引入消泡劑(2.66升/噸水泥-0.03gal/sk)以使在混合階段中過量泡沫的生成最小化。還加入分散劑以確保恰當(dāng)?shù)某跏挤稚⑺?。這種分散劑基于聚萘磺酸鹽組分(PNS)。使用兩種不同的緩凝劑，所述緩凝劑具有不同的潛在緩凝能力。這考慮到在現(xiàn)場條件需要時調(diào)節(jié)增稠時間的作業(yè)需要。緩凝劑3和4基于葡糖酸鹽和葡庚糖酸鹽。在表10中描述的結(jié)果證實了在水泥C類型的情況下的硅酸鹽1的分散性能，該分散性能己經(jīng)在用于油田應(yīng)用的G級水泥的情況下觀察到。測試了由水泥C制成的兩種水泥組合物C1和C2。加入0.5。/。BWOC的硅酸鹽1降低流變性。這種分散作用的數(shù)量級與水泥細度相關(guān)，所述分散作用在這種建筑水泥的情況下更高。這促使需要增加更多的硅酸鹽l以得到等效的分散。表10:水泥C組成和性質(zhì)<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>所有的配方都是1.87g/cm3(15.6lb/gal)的漿液水泥漿液含有按每噸水泥計為2.66升的消泡劑(0.03gal/sk)在圖1中的結(jié)果顯示了含有0.2%80(:的緩凝劑3、0.2%8\￥0(:的分散劑、按每噸水泥計為2.66升的消泡劑以及不同濃度的硅酸鹽l(以n/。BWOC表示)的漿液在93。C的比較增稠時間。含有最低量的硅酸鹽1(0.3。/。BWOC)的漿液是在預(yù)期的潛伏期中凝膠化隨著稠度的顯著增加而發(fā)展并且在100Bc稠度之前良好地開始的良好實例。而且，在30和100Bc之間的轉(zhuǎn)變時間相當(dāng)長。根據(jù)用于固井作業(yè)的應(yīng)用，這證實了這種水泥不能用于在固井作業(yè)中的漿液，原因是它不是可泵送的。另一方面，硅酸鹽濃度增加越多，情況變得更好含有高達0.9MBWOC的漿液表現(xiàn)出在沒有凝膠化發(fā)展的潛伏期中保持相當(dāng)?shù)偷某矶?，并且轉(zhuǎn)變時間縮短而達到合理的持續(xù)時間。達到100Bc的時間并沒有那么多地受到影響。這清楚地表明了加入硅酸鹽和增加硅酸鹽的量的效率和優(yōu)點。這是硅酸鹽l起著有效的凝膠化抑制劑的作用的證明，這允許將這種標準建筑水泥(水泥C)用于油田作業(yè)。表ll多用途添加劑對水泥D的影響的比較<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>所有的配方都是1.87g/cm、15.61b/gal)的漿液水泥槳液含有按每噸水泥計為2.66升(0.03gal/sk)的消泡劑并且含有0.2n/。BWOC的分散劑表ll顯示了配制成在漿液中得到相等量的Si02的不同硅酸鹽與不同濃度的緩凝劑4的比較。測試由水泥D制成的幾種水泥組合物D1至D7。配方(D1和D2)和(D3至D7)表明，在處于該硅酸鹽濃度水平的這種水泥D的情況下，分散性能可以在不同數(shù)量級內(nèi)。主要的參數(shù)是的水泥細度，與所述的其它提供的水泥相比，所述的水泥細度對于該水泥是最高的。而且，因為提高的水泥細度直接引起添加劑的增加量，所以這種水泥可能需要增加量的凝膠化抑制劑。但是在這種情況下，這些不同凝膠化抑制劑的貢獻并不主要影響流變性，而是主要影響達到100Bc的增稠時間。所有配方(除配方D6以外)引起更長的增稠時間，從而證明了它們通過聚硅酸鹽物種的產(chǎn)生的緩凝性能。在配方D7的情況下，固體硅酸鹽2預(yù)水合，從而將其置于在混合水中生成一些聚硅酸鹽物種的良好狀態(tài)中。另一方面，當(dāng)干法共混(配方D6)時，它直接置于水泥之前，并且初始的單硅酸鹽物種不能生成聚硅酸鹽，因而根據(jù)不能使配方緩凝。再次，所觀察到的是凝膠化抑制劑對于水泥特性的適合情況。存在產(chǎn)生的總平衡。使用由具有不同濃度(以。/。BWOC表示)的硼酸鈉制成的多用途添加劑，測試使用水泥E類型制成的組合物水泥。這種多用途添加劑具體地包含具有不同水合度的四硼酸鹽和五硼酸鹽。水泥組合物漿液具有1.87g/cm3(15.6ppg)的密度、0.1。/。BWOC的緩凝劑4、0.2。/。BWOC的分散劑，并且加入按每噸水泥計為2.66升的消泡劑。在圖2和3中的結(jié)果描述了硼酸鹽1的影響。圖2證實了硼酸鹽1在流變性的顯著降低的情況下的分散性能。當(dāng)硼酸鹽l的濃度增加時，該情況得到改善。這些配方的水合曲線也是在85。C通過量熱法研究的。在圖3中顯示的曲線表明，當(dāng)以足夠量加入?yún)⒖紳{液中時，硼酸鹽l表現(xiàn)出緩凝性能。這是在0.25。/。BWOC的情況下觀察到的。在0.15%BWOC，可以將與參考配方的差別認為是可忽略的。硼酸鹽1的分散性和緩凝性的這種結(jié)合表明這對于水泥E是良好的凝膠化抑制劑。表12:多用途添加劑對水泥E的影響的比較<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>所有的配方都是1.87g/cmS(15.61b/gal)的漿液和0."/。BWOC的緩凝劑4水泥漿液含有按每噸水泥計為2.66升(0.03gal/sk)的消泡劑并且含0.2%BWOC的分散劑。測試了由水泥F制成的四種水泥組合物F1至F4。表12顯示了四種水泥組合物的流變性結(jié)果。提供聚硅酸鹽物種的硅酸鹽1和3具有良好的分散性(漿液F2和F4)。提供單硅酸鹽物種的硅酸鹽2具有較低的分散性(漿液F3)，并且不具有相等的性能。在圖4中所示的增稠時間表明溫度也是在需要的凝膠化抑制劑的最佳量的確定中涉及的參數(shù)。在這種實施例的情況下，當(dāng)溫度升高時，間隙相變得越來越有反應(yīng)性，并且在77。C可以被認為令人滿意的水泥在93。C不再令人滿意，原因是觀察到凝膠化產(chǎn)生。通常，考慮到驅(qū)使凝膠化產(chǎn)生的所有必要參數(shù)(水泥性能以及作業(yè)條件如溫度)，每一種情況需要具體的優(yōu)化。以相同的方式，本發(fā)明人注意到硅酸鈉和硼酸鹽的性能取決于硅酸鹽和硼酸鹽的化學(xué)性質(zhì)。建筑水泥組合物具有含高C3A含量的間隙相(由Ca3Ab06和Ca4Al2Fe20K)組成)。如已經(jīng)觀察到的，一些堿金屬硅酸鹽特定地延緩用于油田水泥組合物的波特蘭水泥的間隙相的水合，同時它們不延緩硅酸鹽相的水合?，F(xiàn)在，本發(fā)明人觀察到特定地延緩用于油田和/或建筑水泥組合物的波特蘭水泥的間隙相的水合的一些堿金屬硅酸鹽和堿金屬硼酸鹽的相同結(jié)果，同時它們不延緩硅酸鹽相的水合。據(jù)認為在高于約88°C(190。F)的溫度，凝固時間受到間隙相的水合的控制。因此，這些堿金屬硅酸鹽和/或硼酸鹽在高溫起作緩凝劑助劑的作用，從而能夠顯著降低通常實現(xiàn)給定的增稠時間所需的緩凝劑濃度。在許多情況下，凝膠化問題(即，水泥漿液的早期增稠)歸因于間隙相更高的水合度。由這些相形成的水合物吸收在水溶液中不再可用來將水泥緩凝和分散的大量有機分子(例如緩凝劑、分散劑)。因此，能夠延緩間隙相的水合的堿金屬硅酸鹽和/或硼酸鹽起著有效的抗凝膠劑的作用。最有效的堿金屬硅酸鹽是在水溶液中釋放高比例的聚硅酸根陰離子的堿金屬硅酸鹽。實際上，當(dāng)Si02:M20(M為Na或K)摩爾比等于或高于1.5并且當(dāng)水溶液濃縮時，提高聚硅酸根陰離子的存在率。在具有3.37的Si02:Na20摩爾比和38.5重量。/。的固含量的玻璃水的情況下，這兩個條件得到滿足。因此，玻璃水既在高溫下適當(dāng)?shù)刈鳛榫從齽┲鷦?，又作為抗凝膠劑。當(dāng)由于計算原因(logisticreasons)不能使用液體添加劑時，推薦使用偏硅酸鈉(Na2Si03，1的Si02:Na20摩爾比)制成的組合物。然而，由于其水溶液主要由單硅酸根陰離子組成，這種組合物不適當(dāng)?shù)仄鹱饔?。而且，已?jīng)表明Si02:Na20摩爾比與玻璃水的Si02:Na20摩爾比類似的固體硅酸鈉表現(xiàn)比偏硅酸鈉好得多。這種固體硅酸鹽當(dāng)將其與水泥干法共混時不必處于無水形式以增加其在水泥漿液的間隙水中的溶解速率(rate)。最有效的堿金屬硼酸鹽是在水溶液中釋放高比例的聚硼酸根陰離子的堿金屬硼酸鹽。優(yōu)選四硼酸鈉和五硼酸鈉。權(quán)利要求1.一種用于提高由波特蘭水泥制成并且用于固井的水泥漿液的性能的添加劑，所述添加劑的特征在于包括抑制在所述波特蘭水泥的間隙相內(nèi)產(chǎn)生的凝膠化的硅酸鹽和/或硼酸鹽組分。2.權(quán)利要求1所述的添加劑，其中所述硅酸鹽具有釋放聚硅酸根陰離子的性能。3.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的添加劑，其中將硅酸鹽以通式(Si02)"M20)的堿金屬硅酸鹽的形式包含于所述漿液中，其中M為堿金屬。4.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的添加劑，其中Si02:M20摩爾比大于1.5。5.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的添加劑，其中Si02:Na20摩爾比在1.68-3.37的范圍內(nèi)。6.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的添加劑，其中所述硼酸鹽具有釋放聚硼酸根陰離子的性能。7.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的添加劑，其中將硼酸鹽以通式(B203)y(N20)的堿金屬硼酸鹽的形式包含于所述漿液中，其中N為堿金屬。8.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的添加劑，其中B203:N20摩爾比等于或高于2。9.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的添加劑，其中B203:N20摩爾比在2-5的范圍內(nèi)。10.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的添加劑與緩凝劑一起在油田應(yīng)用中用于固井的用途，所述緩凝劑包含在由下列組成的名單中選擇的至少一種組分葡糖酸鹽、葡庚糖酸鹽、羥基羧酸、羥基羧酸鹽、羥基羧酸和/或鹽以及木質(zhì)素磺酸鹽的混合物、羥基羧酸和/或鹽以及木質(zhì)素胺衍生物的混合物、未精制和精制的木質(zhì)素磺酸鹽。11.一種制備由波特蘭水泥制成并且用于固井的水泥漿液的方法，所述方法包括(i)提供由波特蘭水泥制成的水硬水泥；和(ii)將根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項的添加劑與所述水硬水泥在所述漿液中以在所述水硬水泥的約0.1重量％至約20重量％的范圍內(nèi)的量組合。12.權(quán)利要求ll所述的方法，還包括添加緩凝劑，所述緩凝劑包含在由下列組成的名單中選擇的至少一種組分葡糖酸鹽、葡庚糖酸鹽、羥基羧酸、羥基羧酸鹽、羥基羧酸和/或鹽以及木質(zhì)素磺酸鹽的混合物、羥基羧酸和/或鹽以及木質(zhì)素胺衍生物的混合物、未精制和精制的木質(zhì)素磺酸鹽。13.—種使用由波特蘭水泥制成的水泥漿液對井眼所穿透的地下區(qū)在高于約88。C(190。F)的溫度固井的方法，所述方法包括(i)提供由波特蘭水泥制成的水硬水泥；(ii)將根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項的添加劑與所述水硬水泥在所述漿液中以在所述水硬水泥的約0.1重量％至約20重量％的范圍內(nèi)的量組合.(iii)通過所述井眼將預(yù)先形成的含有所述添加劑的所述漿液泵送到所述地下區(qū)中；和(iv)使所述漿液凝固。14.權(quán)利要求13所述的方法，還包括添加緩凝劑，所述緩凝劑包含在由下列組成的名單中選擇的至少一種組分葡糖酸鹽、葡庚糖酸鹽、羥基羧酸、羥基羧酸鹽、羥基羧酸和/或鹽以及木質(zhì)素磺酸鹽的混合物、羥基羧酸和/或鹽以及木質(zhì)素胺衍生物的混合物、未精制和精制的木質(zhì)素磺酸鹽。全文摘要本發(fā)明提供一種用于提高由波特蘭水泥制成并且用于固井的水泥漿液的性能的多用途添加劑，所述多用途添加劑包括抑制在間隙相內(nèi)產(chǎn)生的凝膠化的硅酸鹽和/或硼酸鹽類。本發(fā)明的添加劑顯著提高流變性(即，強分散作用)，甚至可以克服嚴重的凝膠化問題。在高于約88℃(190℉)的溫度，所述添加劑起著緩凝劑助劑的作用，從而能夠顯著降低實現(xiàn)給定的增稠時間所需的緩凝劑的濃度。文檔編號C04B40/00GK101321712SQ200680039651公開日2008年12月10日申請日期2006年10月23日優(yōu)先權(quán)日2005年10月25日發(fā)明者塔季揚娜·皮亞京娜,弗雷德里克·泰里,米歇爾·米肖,讓-菲利普·卡里泰申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司