用于检测剪切增稠堵塞液的设备 本发明涉及检测用于堵塞井眼周围地下岩层区,或用于在水无意入侵情况下堵塞钻井的剪切增稠堵塞液之不同性质的设备。堵塞液地特别值得评价的性质涉及在不同压力、温度及化学条件下的凝结时间、剪切强度和均匀性。
为了堵塞地下岩层区可以使用称为“向流性”的液体,该液体在受到强剪切力时增稠。适用于此类用途的适当的向流性液本是具有这种物理性质的液体,即该性质可以使液体容易地通过泥浆冲洗系统而被抽运(条件1)至钻头,并在被迫通过压降在约50至120巴范围内的钻头喷嘴时得以凝结(条件2)。另外,从通过喷嘴至凝结发生的时间周期必须足够长以使液体能流入要被堵塞的岩层区。
为了制备具有这种所需凝结特性的液体,已知使用乳化液技术来制备这样的乳化液;在该乳化液中两种反应成分—当其互相接触时会产生液体的增稠和凝结—按不使其互为接触的方法分别放置在乳化液的一个游离相中。只要乳化液不破坏,两种反应成分将按这样的方式互相分离开。从而使乳化液维持其初始的低粘性。另一方面,当乳化液受到高剪切力使其破坏时,两种反应成分互为接触并发生液体的凝结。
上述乳化液技术可以按几种方式加以利用。例如,US专利No.4,663,366公开了向流性的油中加水的乳化液,其中(a)油相包含了分散于其中的诸如膨润土之类的能水合的水溶胀亲水性粘土,还包含溶于其中的包括聚胺衍生物的表面活化剂,以及(b)水相包含溶于其中的聚丙烯酰胺和聚羧酸。为了将膨润土与水保持分离到需要进行液体凝结,被分散的水相的每一个小滴上均覆盖有在水相被分散或乳化入乳化液油相时所形成的一层聚合物材料薄膜。薄膜的形成是油相中的聚胺衍生物与被分散的水相中的聚丙烯酰胺和聚羧酸之间的界面相互作用的结果。当乳化液在所需时刻受到高剪切应力时,乳化液中被分散的液滴周围的保护膜被打破从而膨润土与水相接触,这就导致了膨润土膨胀并使液体增稠。
在挪威专利申请No.931954中公开了其中按一不同方式来利用乳化液技术的堵塞液体。该堵塞液由一种乳化液组成,该乳化液包括(a)包含憎水性液体(油)、乳化剂和多糖交联剂的连续相,及(b)包含水和多糖的不连续相。在此情况下,堵塞液凝结的机理是采用交联剂使多糖交联。这样,为了获得堵塞乳化液的所需效果,即使在这种情况下关键也在于使乳化液的两种反应成分互相分离开直至需要堵塞乳化液的凝结为止。通过维持交联剂被憎水液体(如油)所包围,并同时使多糖结合在乳化液的非连接相(该相为水相)中,来得到这种分离。结果只要乳化液静止或只承受适度剪切应力,就不会发生显著的交连反应。然而,当乳化液受到强剪切应力时,如从钻孔的钻头挤过时,多糖和交联剂将互为接触,从而发生多糖的交联及堵塞乳化液的凝结。
钻井和岩层处理操作中采用的泥浆系统包括几个单元,每一单元对通过该系统抽送的液体施加或强或弱程度的剪切应力。剪切应力与每一单元中的压降紧密关系。例如在通过钻头喷嘴或通过钻井下部完井钻柱(completion string)中的出口的过程中发生最大的压降,并从而产生最大的剪切应变。出于确定目的的堵塞液的使用是基于这一条件的:只有钻井下部的流动限流才能够对分别含于乳化液中—离散相的二种反应成分产生足够强的剪切应力以使其互相接触,并产生液体的增稠/凝结。
为了实现堵塞液在岩层中的目的,以下几点是重要的:(1)在承受高剪切应力前的状态1粘性最低,(2)在受到高剪切应力后的状态2增稠至高稠度,(3)在一所需时间段维持所获得的稠度,及(4)将堵塞液由于在储存过程中或通过钻孔喷嘴之前乳化液逐渐变质或钻孔中别的流量限制而发生条件1下的增稠的可能性保持在最低程度。
为了保证堵塞液最大程度地完成在岩层下的功能,需要在将堵塞液注入钻孔之前对其进行检测。特别重要的是由于成形胶的凝结时间和稠度依赖于乳化液承受的剪切应力,因此在钻孔下再造堵塞液所要承受的剪切应力是重要的。
当液体流过喷嘴时,通过喷嘴的压降和液体在喷嘴中所承受的剪切应力之间存在密切的对应关系。因此可能通过按比例缩小喷嘴尺寸来很好地摸拟井眼下部的条件并从而可靠地预测堵塞液的实际表面。能够给出液体挤过,例如,井眼底部钻头的喷嘴时剪切应力的真实描绘设备应装置配有在流体内能产生最高达120巴,特别是30至100巴压降的装置,而且该设备对于检测液体体积为0.5至2.0升数量级条件下的堵塞液是可行的。
另外,用于检测向流性堵塞液的设备应设计成能防止液体受到不希望有的剪切应力并能防止设备受到液体中所含固体颗粒引起的过度磨损。
通过本发明提出了用于检测剪切增稠堵塞液的设备,该设备实现了上述要求。该设备特征在于权利要求1中给出的特点。
下面对照简要说明了设备优选实施例的诸附图来描述该设备及其操作。
图1示出了一个通过其一端的入口2和入口阀3来与用于所测堵塞液的漏斗11相连的液缸1,堵塞液由混合设备(未示出)加入上述漏斗中。在液压缸的同一端有一个通过出口阀5与可调剪切阀7连着的堵塞液出口4。在剪切阀的前后,安装装置8、9以用于分别检测剪切阀上下游侧的压力。安装容器10以用于收集来自剪切阀的堵塞液。液压缸1中的活塞6与缸壁密封并可在液压缸中移动。这样,通过移动液压缸中的活塞就可以通过入口2吸入堵塞液,而在活塞的反向运动中堵塞液通过出口4被压出。优选液压组件(未示)驱动活塞。用于设备中的合适的剪切阀可以是针阀而适当的阀门3至5可为球阀。
按以下方法来操作该设备。通过在维持出口阀5关闭的同时打开入口阀3并从入口2和出口4的极限位置起将活塞6拉入液压缸,液压缸1装满了来自漏斗11的堵塞液。当活塞到达相反的极限位置且可用的液压缸空间均充满了堵塞液时,关闭入口阀3并打开出口阀5。然后活塞回到最初提到的极限位置,从而堵塞液通过出口4被压出液压缸并进一步通过出口阀5和剪切阀7流入接收容器10。在可调剪切阀7中堵塞液受到预定的剪切应力,引起了乳化液的破坏和凝结过程的开始。剪切应力与剪切阀上的压力差,即剪切阀前后的压力计8、9分别测得的压力差有关。通过使用根据挪威专利申请No.931954的堵塞液,由于交联剂与多糖接触并引起其交联作用而产生凝结。不过,凝结并不立即发生,这样堵塞液便易于流入接收容器并随后在其中凝结。
在接收容器10中,按照独立所知的方法测定液体的诸如凝结时间和稠度(剪切强度)这样的性质。
在最简单的情况下,接收容器10为装满受到剪切作用的堵塞液的敞开式容器,而凝胶的剪切强度则用标准的土工方法测定。
不过,也可以抗压力而完成对堵塞液的剪切并使液体在压力下凝结。在此情况中,使用压力容器作为接收装置。为了能收集来自剪切阀的堵塞液,必须为了在控制压力下移走初始含量而对压力容器进行装配。此情况中,可在大气压下进行剪切应力测试,其中在所需时刻对容器减压并在如上所述的大气压力下进行测量;或者在超压下测试剪切应力,此情况中为了测量剪切强度,压力容器配置了高压稠度计。
为了获得较好地描绘置于所要堵塞的岩层区中堵塞液行为的测量结果,希望将受到剪切的堵塞液收集于含一种或多种具有选定孔隙率和渗透性的固态可渗透材料的接收容器中。在了解岩层区中状况的情况下可以近似地再造上述状况并近似精确地确定任何特定堵塞液在上述区域的堵塞能力。采用含如此固态可渗透材料的接收容器,可以用测定凝结堵塞液粉碎之前接收容器中多孔材料和凝堵塞液所能承受的最大压差的方法来测定剪切强度。
本发明装置的一水力实施例简略示于图2中,其中图1中也出现过的那些参考数字具有在图1中的相同意义。在此情况中,液压缸1为一个双动式液压缸,它含有通过活塞杆与工作活塞6相连的驱动活塞。驱动活塞由包括液压泵15、控制阀14和液压油的入口12及出口13在内的液压组件驱动。接收装置10和用于进行测量的方法与参照图1进行描述的那些相似。
根据本发明的该设备可以便利地制造成移动式设备。活塞6适当地用水力驱动而用于驱动活塞6的液压泵15则安装于单独的外壳内并通过水力快速脱联轴节(release coupling)的装置与设备相连。
实施例
目的在于预先确定当给定剪切增稠堵塞液在60巴的压降下挤过井眼下部钻头的喷嘴时所获得的堵塞液的凝结性质。
出于此目的,使用如附图2中所示的检测设备。液压缸具有65毫米的内径和约1.0升的净容积。活塞有效冲程长度为300mm。活塞由商标为Hidroirma,UP10型;P=105巴;Q=3.0升/分的液压装置驱动。剪切阀为10mm的针阀,商标为Nupro,SS4R3A5型。用于将来自漏斗的堵塞液通过液压缸和剪切阀输送至接收容器的管道,该管道是不锈钢SS316L的并具有10毫米的内径。使用商标为Whitey,44-S10MN型的10毫米球阀分别作为液压缸上下游的入口和出口阀。接收容器为敞开式容器并使用商标为Sinco Torvane,51602型的剪切强度测量设备进行剪切强度的测量。
按如下方法制备1.375升用作堵塞液的油中加水的乳化油。在一个2升烧杯(烧杯1)中将0.75升水和6.0克苍耳烷(xanthane)搅拌混合。静置1小时后在混合物中加入1500克重晶石。0.25升Exxsol D60、1.0毫升Safemul PE(一种基于甘油三酸酯的乳化剂和8.0克氢氧化钙在第二个烧杯(烧杯2)中搅拌混合。然后边搅拌边将烧杯1中的混合物加到烧杯2中的混合物中。这就获得了浓度为1.80克/立方厘米的乳化液。
在活塞6处于前端位置且阀门3和5关闭的条件下将制得的乳化液注入检测设备的漏斗中。调整剪切阀7以给出60巴的压降。打开入口阀3并将活塞液压移动至后端位置,从而将约1.0升的乳化液吸入液压缸1。然后关闭入口阀3并打开出口阀5,同时将活塞移至前端位置。这使得乳化液通过出口阀5被挤压流过剪切阀7从而被收集于接收容器10。乳化液在2分钟内凝结。24小时后测得剪切强度为14,000帕。