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CN117823086A - 涉及使用二氧化碳作为反应物的水泥的方法 - Google Patents

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CN117823086A CN202311495804.9A CN202311495804A CN117823086A CN 117823086 A CN117823086 A CN 117823086A CN 202311495804 A CN202311495804 A CN 202311495804A CN 117823086 A CN117823086 A CN 117823086A
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R·L·泽勒三世
E·R·卡拉汉三世
J·S·维李斯
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Oxygen Containing Low Carbon Investment Co ltd
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Abstract

一种在管柱和井眼之间的环形空间进行固井的方法，所述方法包括以下步骤：(a)提供水泥组合物，所述水泥组合物包含缺钙型硅酸钙；(b)使水泥组合物与水混合以形成水泥浆料；(c)使水泥浆料组合物与二氧化碳混合以形成发泡水泥；以及(d)将发泡水泥置于管柱和井眼之间的环形空间中。

Description

涉及使用二氧化碳作为反应物的水泥的方法
本申请要求2019年4月2日提交的美国临时申请系列第62/828,168号的权益，其通过引用纳入本文。
发明领域
本发明的实施方式提供了使用二氧化碳作为反应物所制备水泥的用途。
发明背景
在石油和天然气的生产中，在井眼(well bore)内对管柱(piping string)进行固井是很常见的。同样，优点已通过使水泥发泡(例如通过与氮气混合)来降低水泥的密度并由此方便将水泥放置在井眼和管柱之间的环形空间中实现。
发明内容
本发明的一个或多个实施方式提供了一种在管柱和井眼之间的环形空间进行固井(cement)的方法，所述方法包括以下步骤：(a)提供水泥组合物，所述水泥组合物包含缺钙型硅酸钙；(b)使水泥组合物与水混合以形成水泥浆料；(c)使水泥浆料组合物与二氧化碳混合以形成发泡水泥；以及(d)将发泡水泥置于管柱和井眼之间的环形空间中。
本发明的其它实施方式提供了一种对井眼内管柱进行固井以在水泥套管内形成二氧化碳捕获和封存区域的方法，其中，管柱具有大致管状构造以及在管柱和井眼之间的大致环形空间，所述大致管状构造具有表面开口以及与该表面开口相对的井下开口；所述方法包括：(a)提供第一水泥组合物，所述水泥组合物包含缺钙型硅酸钙；(b)使第一水泥组合物与水混合以形成第一水泥浆料；(c)提供第二水泥组合物，所述水泥组合物包含富钙型硅酸钙；(d)使第二水泥组合物与水混合以形成第二水泥浆料；(e)将第一水泥浆料放置到环形空间的一部分中以形成包含第一水泥浆料的第一大致环形柱；以及(f)将第二水泥浆料放置到环形空间的一部分中以形成包含第二水泥浆料的第二大致环形柱，其中，所述第一大致环形柱形成二氧化碳封存区域。
本发明的另一实施方式提供了一种对井眼内管柱进行固井以在水泥套管内形成二氧化碳捕获和封存区域的方法，其中，管柱具有大致管状构造以及在管柱和井眼之间的大致环形空间，所述大致管状构造具有表面开口以及与该表面开口相对的井下开口；所述方法包括：(a)提供水泥组合物，所述水泥组合物包含缺钙型硅酸钙；(b)使水泥组合物与水混合以形成水泥浆料；(c)用基本不含二氧化碳的第一气流使水泥浆料的第一部分发泡以形成第一水泥泡沫；(d)将第一水泥泡沫放置到环形空间的一部分中以形成包含第一水泥泡沫的第一大致环形柱；(e)用主要包含二氧化碳的第二气流使水泥浆料的第二部分发泡以形成第二水泥泡沫；以及(f)将第二水泥泡沫放置到环形空间的一部分中以形成包含第二水泥泡沫的第二大致环形柱。
本发明的其它实施方式提供了一种经固井的生产井，其包括：井眼；所述井眼内的管柱；以及在管柱和井眼之间的空间的至少一部分内的大致环形的水泥柱，其中，水泥柱包括第一环形区域和第二环形区域，所述第一环形区域包含缺钙型硅酸钙(calcium-deficient calcium silicate)，并且所述第二环形区域包含富钙型硅酸钙(calcium-richcalcium silicate)。
本发明的其它实施方式提供了一种用于形成可固化水泥组合物的方法，所述方法包括：(a)提供水泥组合物，所述水泥组合物包含缺钙型硅酸钙；(b)使水泥组合物与水混合以形成水泥浆料；以及(c)使水泥浆料组合物与二氧化碳混合以形成发泡水泥。
本发明的其它实施方式提供了一种用于形成可固化水泥组合物的方法，所述方法包括：提供水泥组合物，所述水泥组合物包含缺钙型硅酸钙；以及使水泥组合物与二氧化碳混合以形成可固化水泥组合物。
本发明的其它实施方式提供了一种用于形成可固化水泥组合物的方法，所述方法包括：提供水泥组合物，所述水泥组合物包含缺钙型硅酸钙；放置水泥组合物；以及在放置水泥组合物后原位产生二氧化碳以使得水泥组合物固化。
本发明的其它实施方式提供了一种捕获并封存(sequester)二氧化碳的方法，所述方法包括：提供缺钙型硅酸钙；以及使缺钙型硅酸钙与二氧化碳结合以形成发泡水泥，其中，与缺钙型硅酸钙结合的二氧化碳的量超过使缺钙型硅酸钙固化所需的二氧化碳的量。
附图简要说明
图1是在本发明实施方式中采用的泡沫发生器的示意图。
图2是根据本发明一些方面进行固井的井的示意图。
图3是根据本发明一些方面的包括多个水泥套管(cement casing)区域的井的示意图。
示例性实施方式的详述
本发明的实施方式至少部分基于发泡水泥的发现，所述发泡水泥通过在发泡条件下使二氧化碳和包含缺钙型硅酸钙的水泥浆料混合而制备。据信，通过使二氧化碳分散在包含缺钙型硅酸钙的水泥浆料中，可以制备有用的可固化水泥制剂。在具体实施方式中，发泡水泥可以用于油田应用，特别是用于对钻井套管(well casing)进行固井。其它实施方式提供了将超过与缺钙型硅酸钙反应所需量的二氧化碳进料的方法，使得过量的二氧化碳捕获在水泥泡沫内并永久封存在固化水泥内。
缺钙型硅酸钙
术语“缺钙型硅酸钙”是指天然存在的矿物或含低于2摩尔钙/摩尔二氧化硅的合成材料。示例性的缺钙型硅酸钙包括：天然存在的CaSiO3；合成的CaSiO3,其被称为假硅灰石或合成硅灰石并且可以配制成CaO.SiO2和Ca3Si2O7，其可以被称为硅钙石(rankinite)并且可以被配制成3CaO.2SiO2。在其它实施方式中，可以使用氢氧钙石(Portlandite)或氢氧化钙代替缺钙型硅酸钙，或除缺钙型硅酸钙之外可以使用氢氧钙石或氢氧化钙。
不同于缺钙型硅酸钙，可以提及富钙型硅酸钙，其是指天然存在的矿物或含2或更高摩尔钙/摩尔二氧化硅的合成材料。示例性的富钙型硅酸钙包括：Ca2SiO4，其可以被称为贝利特(belite)并且配制为2CaO.SiO2；以及Ca3SiO5，其可以被称为阿利特(alite)并且可以配制成3CaO.SiO2。
在一个或多个实施方式中，缺钙型硅酸钙或富钙型硅酸钙可以包含一种或多种其它金属离子和氧化物(例如，铝、镁、铁或锰的氧化物)或它们的共混物。
在一个或多个实施方式中，假硅灰石可以通过采用本领域已知技术来制备，所述技术公开于美国专利第8,114,367号、美国专利第8,313,802号、美国专利第8,709,960号、美国专利第9,216,926号、美国专利第9,266,147号、美国专利第9,868,667号、国际专利WO2009/102360(PCT/US2008/083606)、国际专利WO 2011/053598(PCT/US2010/054146)、国际专利WO 2011/090967(PCT/US2011/021623)和美国公开第2012/0312194号、美国公开第2014/0127450号、美国公开第2014/0127458号、美国公开第2014/0342124号、美国公开第2014/0363665号、第2015/0056437号、美国公开第2015/0266778号、美国公开第2016/0236984号和美国公开第2016/0244968号，其各自通过引用全文纳入本文用于所有目的。
本发明的一个或多个可用实施方式采用合成硅灰石，并且因此，为了该所写描述的目的，可提及合成硅灰石，除非另有说明，否则，为描述各种实施方式而提及的合成硅灰石应理解为适用于任何公开的缺钙型硅酸钙。
在一个或多个实施方式中，合成硅灰石是经研磨的，即，用作经研磨材料。在一个或多个实施方式中，合成硅灰石的中值粒径小于200微米，在其它实施方式中，中值粒径小于100微米，在其它实施方式中，中值粒径小于50微米，在其它实施方式中，中值粒径小于40微米，并且在其它实施方式中，中值粒径小于30微米。在这些或其它实施方式中，合成硅灰石的中值粒径为约1微米至约200微米，在其它实施方式中，中值粒径为约5微米至约200微米，在其它实施方式中，中值粒径约5微米至约50微米，并且在其它实施方式中，中值粒径约7微米至约30微米。
在一个或多个实施方式中，合成硅灰石(经研磨的)的特征为，松散体积密度(loose bulk density)低于1.0克/毫升，在其它实施方式中为低于0.9克/毫升，并且在其它实施方式中为低于0.8克/毫升。在这些或其它实施方式中，合成硅灰石的特征为，松散体积密度为约0.6克/毫升至约0.8克/毫升(松散)。在一个或多个实施方式中，合成硅灰石的特征为，振实体积密度(tapped bulk density)低于1.4克/毫升，或者在其它实施方式中为低于1.3克/毫升。在这些或其它实施方式中，合成硅灰石的特征为，振实体积密度为约1.0克/毫升至约1.2克/毫升。
在一个或多个实施方式中，合成硅灰石(经研磨的)的特征为，表面积大于1.3米2/克，在其它实施方式中为大于1.4米2/克，并且在其它实施方式中为大于1.5米2/克。在这些或其它实施方式中，合成硅灰石的特征为，表面积为约1.5米2/克至约2.0米2/克。
水泥组合物——合成硅灰石
在一个或多个实施方式中，含有合成硅灰石的水泥组合物包含大于30重量％的合成硅灰石，在其它实施方式中包含大于40重量％的合成硅灰石，在其它实施方式中包含大于50重量％的合成硅灰石，在其它实施方式中包含大于60重量％的合成硅灰石，在其它实施方式中包含大于70重量％的合成硅灰石，在其它实施方式中包含大于80重量％的合成硅灰石，在其它实施方式中包含大于90重量％的合成硅灰石，并且在其它实施方式中包含大于95重量％的合成硅灰石。
在一个或多个实施方式中，含有合成硅灰石的水泥组合物还可以包含天然存在或合成的硅酸镁。在一个或多个实施方式中，含有合成硅灰石的水泥组合物包含低于50重量％的硅酸镁，在其它实施方式中包含低于40重量％的硅酸镁，在其它实施方式中包含低于30重量％的硅酸镁，在其它实施方式中包含低于20重量％的硅酸镁，在其它实施方式中包含低于10重量％的硅酸镁，在其它实施方式中包含低于5重量％的硅酸镁，并且在其它实施方式中包含低于1重量％的硅酸镁。
在一个或多个实施方式中，含有合成硅灰石的水泥组合物还可以包含富钙型硅酸钙。在一个或多个实施方式中，含有合成硅灰石的水泥组合物包含低于50重量％的富钙型硅酸钙，在其它实施方式中包含低于40重量％的富钙型硅酸钙，在其它实施方式中包含低于30重量％的富钙型硅酸钙，在其它实施方式中包含低于20重量％的富钙型硅酸钙，在其它实施方式中包含低于10重量％的富钙型硅酸钙，在其它实施方式中包含低于5重量％的富钙型硅酸钙，并且在其它实施方式中包含低于1重量％的富钙型硅酸钙。
在一个或多个实施方式中，含有合成硅灰石的水泥组合物还可以包含发泡剂。发泡剂可以包括但不限于：合成表面活性剂、蛋白质基洗涤剂、胶树脂(glue resin)、水解蛋白质、树脂皂、皂苷及它们的混合物。在具体实施方式中，发泡剂可以包括乙氧基化醇醚硫酸盐表面活性剂，或者烷基或烯烃酰胺丙基二甲基胺氧化物。
水泥浆料——合成硅灰石
在一个或多个实施方式中，水泥浆料通过使水泥组合物(例如，如本文所述的含有合成硅灰石的水泥组合物)与流体结合而形成。在一个或多个实施方式中，所述流体是水。在一个或多个实施方式中，水泥浆料包含低于60重量％的水，在其它实施方式中包含低于50重量％的水，在其它实施方式中包含低于40重量％的水，在其它实施方式中包含低于30重量％的水，在其它实施方式中包含低于20重量％的水，在其它实施方式中包含低于10重量％的水，在其它实施方式中包含低于7重量％的水，并且在其它实施方式中包含低于5重量％的水，并且余量包含固体(例如，微粒硅酸钙)。在这些或其它实施方式中，水泥浆料包含大于1重量％的水，在其它实施方式中包含大于3重量％的水，在其它实施方式中包含大于8重量％的水，在其它实施方式中包含大于10重量％的水，在其它实施方式中包含大于15重量％的水，在其它实施方式中包含大于20重量％的水，并且在其它实施方式中包含大于30重量％的水，并且余量包含固体(例如，微粒硅酸钙)。在一个或多个实施方式中，水泥浆料包含约1重量％至约60重量％的水，在其它实施方式中包含约2重量％至约40重量％的水，并且在其它实施方式中包含约5重量％至约40重量％的水。
发泡水泥
根据本发明的一些实施方式中，发泡水泥通过使水泥浆料与气体结合来制备。在一个或多个实施方式中，气体是富含二氧化碳的气流。在这些或其它实施方式中，富含二氧化碳的流还可以任选地包含惰性气体。在一个或多个实施方式中，用于使浆料发泡的水泥浆料与气体的组合在水泥浆料中产生了均匀且稳定分布的气体(例如，二氧化碳)。如本领域技术人员所理解的，产生稳定的发泡混合物的压差可取决于井条件，包括井压、深度和温度。
在一个或多个实施方式中，用于使水泥发泡的富含二氧化碳的气流包含足够含量的二氧化碳，以实现缺钙型水泥组合物的固化。在一个或多个实施方式中，富含二氧化碳的流包含大于1体积％的二氧化碳，在其它实施方式中包含大于5体积％的二氧化碳，在其它实施方式中包含大于10体积％的二氧化碳，在其它实施方式中包含大于25体积％的二氧化碳，并且在其它实施方式中包含大于50体积％的二氧化碳。在这些或其它实施方式中，用于使水泥发泡的富含二氧化碳的气流包含100体积％的二氧化碳，在其它实施方式中包含低于100体积％的二氧化碳，在其它实施方式中包含低于90体积％的二氧化碳，在其它实施方式中包含低于75体积％的二氧化碳，在其它实施方式中包含低于50体积％的二氧化碳，并且在其它实施方式中包含低于25体积％的二氧化碳。在一个或多个实施方式中，富含二氧化碳的气流包含约1体积％至约100体积％的二氧化碳，在其它实施方式中包含约5体积％至约90体积％的二氧化碳，并且其它实施方式中包含约10体积％至约80体积％的二氧化碳。在一个或多个实施方式中，用于使水泥发泡的二氧化碳量包括超过实现缺钙型水泥组合物固化所需的二氧化碳量。因此，在这些实施方式中，过量二氧化碳被截留在发泡水泥的孔室中，所述二氧化碳可以封存在孔室中以便长期捕获在固化的水泥中。
在一个或多个实施方式中，二氧化碳、任选的惰性气体和水泥浆料的组合产生了发泡水泥，所述发泡水泥的密度(在大气条件下)小于20磅/加仑，在其它实施方式中小于18磅/加仑，在其它实施方式中小于15磅/加仑，在其它实施方式中小于12磅/加仑，在其它实施方式中小于10磅/加仑，在其它实施方式中小于8磅/加仑，并且，在其它实施方式中小于6磅/加仑。
在一个或多个实施方式中，二氧化碳、任选的惰性气体和水泥浆料的组合产生了发泡水泥，所述发泡水泥(在大气条件下)的二氧化碳体积分数为大于8％，在其它实施方式中大于10％，在其它实施方式中大于12％，并且在其它实施方式中大于15％。在这些或其它实施方式中，发泡水泥的二氧化碳体积分数小于70％，在其它实施方式中小于50％，在其它实施方式中小于40％，并且在其它实施方式中小于35％。在一个或多个实施方式中，发泡水泥的二氧化碳体积分数为约8％至约70％，在其它实施方式中为约10％至约40％，并且在其它实施方式中为约15％至约35％。
根据本发明一些实施方式的发泡水泥可以通过使用用于使水泥发泡的常规技术来制备。在示例性实施方式中，加压气体(即，二氧化碳或二氧化碳与惰性气体的混合物)与在线混合设备(例如泡沫发生器)内的水泥浆料合并。例如，参见图1，其显示了泡沫发生器32，所述泡沫发生器32通过入口36接收水泥浆料流34。泡沫发生器32还通过入口40接收加压气流38，所述入口40可以任选地装备有阻流器或其他限制元件42。在一个或多个实施方式中，加压气流38在泡沫发生器32中雾化以形成雾化气流44。水泥浆料34和雾化气流44在泡沫发生器32内进行接触，导致将气流高压注入浆料中并提供混合物，其中，离散气泡分散在水泥浆料的连续基质中(即，发泡水泥48)。
将水泥放置到井环形空间内
在一个或多个实施方式中，将本文所述的水泥放置在大致环形的空间中，所述大致环形的空间存在于井眼和位于井眼中的最外侧管柱之间。本发明的实施方式参考图2进行描述，图2显示了井50，所述井50包括井眼52和位于井眼52中的管柱54。在一个或多个实施方式中，管柱54是井眼52内的最外侧管(其也可称为管道54或套管54)，并且因此是最靠近井眼52的内表面53的管道。井50可以包括多个管柱，并且额外的管柱以同心方式位于套管54内。大致环形空间56存在于内表面53和套管54之间。在一个或多个实施方式中，环形空间56(其也可以称为环形体积56)通常可以从表面60(即，在井眼52的顶部处)延伸到井眼52的底部62。在其它实施方式中，环形空间56可以仅在井眼52的一部分中延伸。
在一个或多个实施方式中，将如本文所述的水泥放置在所需环形空间内的步骤可以包括常规技术。例如，再次参见图2，将水泥组合物64引入位于井眼52中的管道(例如，套管54)中，由此在套管内形成圆柱形水泥柱。可以向水泥柱施加力，由此对柱进行压缩并且使水泥离开靠近井眼52底部62的套管54的开口端55。这些压缩力使水泥进入环形空间56并在环形空间56内形成上升的环形水泥柱66。如图2所示，可以将流体68泵送到套管54内的圆柱形混凝土柱后面，例如，在插塞装置(plug device)70(例如，橡胶粘合或擦拭塞)后面，由此对水泥64施加力并使水泥64离开套管54的底部55并作为上升水泥柱66进入环形部56。还应当理解，本发明的水泥可以位于同心悬挂在井眼内的多个管柱中的一个或多个管柱之间。
形成具有捕获和封存区的经固井的钻井套管
在本发明的其它实施方式中，提供经固井的钻井套管，其包括捕获和封存区域，所述捕获和封存区域也可以称为反应层。捕获和封存区域包括至少部分未固化的含有合成硅灰石的水泥组合物(其可以包含水泥浆料)。迁移到捕获和封存区域的表面下二氧化碳(其可以包括用于提高原油采收率(EOR)的二氧化碳)可以与合成硅灰石反应，并且由此封存在捕获和封存区域内。
这些实施方式的一些方面可以参考图3进行描述，图3显示了井80，所述井80包括井眼82和位于井眼82中的管柱84。在一个或多个实施方式中，管柱84可以是井眼82内的最外侧管(其也可称为管道或套管)，并且因此是最靠近井眼82内表面83的管道。井80可以包括多个管柱，并且额外的管柱以同心方式位于套管84。
大致环形空间86存在于内表面83和管柱84之间。环形空间86(其也可以称为环形体积86)通常可以从井眼82的表面60(即，在井眼82的顶部处)延伸到底部82。在其它实施方式中，其可以在井眼82的一部分中延伸。水泥套管90也可以称为环形水泥柱90，其包含第一水泥套管区域92和第二水泥套管区域94。如图所示，第一区域92和第二区域94可以形成界面96，或者在其它实施方式中，虽然未显示，其它区域可以存在于第一区域92和第二区域94之间。同样如图所示，第一区域92相对于第二区域94更靠近表面60，第二区域94靠近井眼82的底部82。
根据本发明的一些实施方式，第一区域92包含合成硅灰石(基，由缺钙型硅酸钙形成)。在一个或多个实施方式中，基于水泥组合物的重量，第一区域92包含含量大于40重量％的合成硅灰石，在其它实施方式中包含含量大于50重量％的合成硅灰石，在其它实施方式中包含含量大于60重量％的合成硅灰石，在其它实施方式中包含含量大于70重量％的合成硅灰石，在其它实施方式中包含含量大于80重量％的合成硅灰石，在其它实施方式中包含含量大于90重量％的合成硅灰石，在其它实施方式中包含含量大于95重量％的合成硅灰石。
在这些或其它实施方式中，第二区域94由常规水泥形成，例如，波特兰水泥；即，第二区域94由富钙型硅酸钙形成。对于本发明的其它实施方式，基于水泥重量，富钙硅酸钙水泥组合物可以包含含量低于50重量％的合成硅灰石，在其它实施方式中包含含量低于40重量％的合成硅灰石，在其它实施方式中包含含量低于30重量％的合成硅灰石，在其它实施方式中包含含量低于20重量％的合成硅灰石，在其它实施方式中包含含量低于10重量％的合成硅灰石，在其它实施方式中包含含量低于5重量％的合成硅灰石，并且在其它实施方式中包含含量低于1重量％的合成硅灰石。
在其它实施方式中，第一区域92和第二区域94由相似的水泥组合物(两者都是由缺钙型水泥组合物)形成，但是基于所采用的发泡气体，所述区域的性质是不同的。例如，在一个或多个实施方式中，第一区域92用基本不含二氧化碳的气体(例如，氮气)发泡，并且，第二区域94用主要包含二氧化碳的气体发泡。因此，形成第二区域94的组合物中的二氧化碳与缺钙型水泥反应，由此使得水泥固化，而在第一区域92内缺少二氧化碳允许第一区域92的组合物保持对二氧化碳的反应性，其中，二氧化碳可以迁移到第一区域92并与第一区域92反应以进行捕获和封存。在一个或多个实施方式中，这可以通过如下完成：用基本不含二氧化碳的气流(例如氮气或空气)开始发泡过程，然后在将水泥放置在井下时将气流改变为主要包含二氧化碳的气流。用于使水泥混合物发泡的气流的切换或转换可以逐渐发生，以使水泥的流动和提升特性保持一致性。
为了这些实施方式的目的，基本不含二氧化碳是指二氧化碳气流包含的二氧化碳含量不足以实现缺钙型水泥组合物的固化。在一个或多个实施方式中，用于在捕获和封存层的至少一部分中使水泥发泡的气流包含低于1体积％的二氧化碳，在其它实施方式中，低于0.5体积％的二氧化碳，并且在其它实施方式中，低于0.1体积％的二氧化碳。
另一方，主要包含二氧化碳的气流包含足够含量的二氧化碳，以实现缺钙型水泥组合物的固化。在一个或多个实施方式中，用于在第二区域94(即，除了捕获和封存区域之外的区域)的至少一部分中使水泥发泡的气流包含大于1体积％的二氧化碳，在其它实施方式中包含大于5体积％的二氧化碳，在其它实施方式中包含大于10体积％的二氧化碳，在其它实施方式中包含大于25体积％的二氧化碳，并且在其它实施方式中包含大于50体积％的二氧化碳。在这些或其它实施方式中，用于在第二区域94(即，除了捕获和封存区域之外的区域)的至少一部分中使水泥发泡的气流包含100体积％的二氧化碳，在其它实施方式中包含低于100体积％的二氧化碳，在其它实施方式中包含低于90体积％的二氧化碳，在其它实施方式中包含低于75体积％的二氧化碳，在其它实施方式中包含低于50体积％的二氧化碳，并且在其它实施方式中包含低于25体积％的二氧化碳。在一个或多个实施方式中，用于在第二区域94(即，除了捕获和封存区域之外的区域)的至少一部分中使水泥发泡的气流包含约1体积％至约100体积％的二氧化碳，在其它实施方式中包含约5体积％至约90体积％的二氧化碳，并且在其它实施方式中包含约10体积％至约80体积％的二氧化碳。
这些实施方式的固井套管可以通过使用常规技术制备，所述常规技术经过修改以依次引入产生各个区域的水泥组合物。例如，首先将用于形成第一区域92(即，由缺钙型硅酸钙形成的区域)的组合物引入管柱84中。随后，将用于形成第二区域94(即，由富钙型硅酸钙形成的区域)的组合物引入管柱84中。向通过添加这些水泥组合物形成的水泥柱施加力，由此迫使水泥进入环形空间86。水泥组合物通常以大致活塞流的方式流动通过管柱84并进入环形空间86，导致形成第一区域92和第二区域94。
再次参考第一区域92(即捕获和封存区域)的形成，为形成该区域而制备的水泥组合物是在未引入二氧化碳或仅引入有限量二氧化碳的情况下制备的。在一个或多个实施方式中，用于制备第一区域92的水泥组合物是指最初放置于井眼82中、最终放置于区域92处的组合物，其包含低于1体积％的二氧化碳，在其它实施方式中，包含低于0.5体积％的二氧化碳，并且在其它实施方式中包含低于0.1体积％的二氧化碳。
二氧化碳发生化合物的使用
在本发明的其它实施方式中，石油生产套管使用包含缺钙型硅酸钙和释放或产生二氧化碳的化合物的水泥组合物固井至适当位置。在一个或多个实施方式中，使用已经相对于本文所述其它实施方式描述的已知方法，该水泥可以形成为浆料，并且置于套管和井眼之间的环形空间中。在一个或多个实施方式中，释放或产生二氧化碳的示例性化合物包括：碳酸亚乙酯或草酸衍生物。水泥组合物还可以包含水、气体稳定剂、促进剂、阻滞剂、分散剂、填料、发泡剂、消泡剂、防沉降添加剂、膨胀剂、气体迁移添加剂或它们的组合。
对于本领域技术人员而言不偏离本发明的范围和精神的各种修改和变化将变得显而易见。本发明不应该完全限于本文所阐述的说明性实施方式。

Claims (14)

1.一种在管柱和井眼之间的环形空间进行固井的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)提供包含缺钙型硅酸钙的水泥组合物，其中，所述缺钙型硅酸钙研磨至中值粒径为5μm至小于200μm；
(b)使水泥组合物与水混合以形成水泥浆料；
(c)使水泥浆料组合物与二氧化碳混合以形成发泡的水泥组合物，其中，发泡的水泥组合物是至少部分固化的水泥组合物；以及
(d)发泡的水泥组合物作为至少部分固化的水泥组合物放置到管柱和井眼之间的环形空间中，由此提供捕获和封存区域，使得表面下二氧化碳迁移到捕获和封存区域，并且变为封存在捕获和封存区域内。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述混合步骤包括：使水泥组合物与水和发泡剂进行混合。
3.如权利要求1所述的方法，其中，缺钙型硅酸钙选自下组：硅灰石、假硅灰石、硅钙石以及它们中两种或更多种的混合物。
4.如权利要求1所述的方法，其中，缺钙型硅酸钙包括经研磨的硅酸钙。
5.如权利要求1所述的方法，其中，水泥浆料包含低于60重量％的水。
6.如权利要求1所述的方法，其中，水泥组合物的固体部分包含大于50重量％的缺钙型硅酸钙。
7.如权利要求1所述的方法，其中，发泡的水泥的二氧化碳体积分数为8％至70％。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤(c)的使水泥浆料与二氧化碳混合包括：对二氧化碳进行加压以形成增压二氧化碳流，然后使增压二氧化碳流与水泥浆料接触。
9.如权利要求1所述的方法，其中，管柱具有大致管状构造，其具有在井眼中表面开口处或其附近的表面开口以及与该表面开口相对的井下开口，所述步骤(d)的放置发泡水泥包括：首先将发泡水泥放置到管柱中以在管柱内形成发泡水泥柱，然后对发泡水泥柱施加向下的力，迫使发泡水泥通过井下开口从管柱中排出进入环形空间。
10.如权利要求1所述的方法，其中，水泥组合物的固体部分包含小于50重量％的选自下组的富钙型硅酸钙：阿利特和贝利特。
11.如权利要求1所述的方法，其中，管柱具有大致管状构造以及在管柱和井眼之间的大致环形空间，所述大致管状构造具有表面开口以及与该表面开口相对的井下开口，其中，水泥浆料的第一部分与基本不含二氧化碳的第一气流混合以形成第一水泥泡沫，并且水泥浆料的第二部分用于所述混合步骤(c)以形成第二水泥泡沫，并且所述方法还包括：
(i)将第一水泥泡沫放置到环形空间的一部分中以形成包含第一水泥浆料的大致环形的第一柱；以及
(ii)将第二水泥泡沫放置到环形空间的一部分中以形成包含第二水泥泡沫的第二大致环形柱。
12.如权利要求11所述的方法，其中，缺钙型硅酸钙选自下组：硅灰石、假硅灰石、硅钙石以及它们中两种或更多种的混合物；或者，其中，缺钙型硅酸钙包括经研磨的硅酸钙。
13.如权利要求11所述的方法，其中，所述第二水泥泡沫通过使水泥浆料的第二部分与包含大于50体积％二氧化碳的第二气流混合来形成。
14.如权利要求1所述的方法，二氧化碳来源于包含大于50体积％二氧化碳的二氧化碳流。
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