用于套管钻井的井筒流体.pdf

公开了一种用于套管钻井的井筒流体以及一种钻地下孔的方法，所述方法包括：将基本流体和具有小于大约50微米的微粒尺寸d90的微粉化的增重剂相混合，以形成井筒流体；提供钻井组件，该组件包括作为钻柱的至少一部分的套管和连接到所述钻柱的远端的钻头；以及使用所述井筒流体用所述钻井组件钻所述地下孔。

1.  一种钻地下孔的方法，包括步骤：
将基本流体和具有小于大约50微米的微粒尺寸d₉₀的微粉化的增重剂相混合，以形成井筒流体；
提供钻井组件，该组件包括；
作为钻柱的至少一部分的套管；和
连接到所述钻柱的远端的钻头；以及
使用所述井筒流体用所述钻井组件钻所述地下孔。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中，所述微粉化的增重剂是从重晶石、碳酸钙、白云石、钛铁矿、赤铁矿、橄榄石、菱铁矿、黑锰矿以及硫酸锶中选择的至少一种。

3.  根据权利要求1所述的方法，其中，所述微粉化的增重剂在其上包括涂层。

4.  根据权利要求3所述的方法，其中，分散剂包括从油酸、多元脂肪酸、烷基苯磺酸、链烷磺酸、线性α烯烃磺酸、它们的碱土金属盐以及磷脂中选择的至少一种。

5.  根据权利要求3所述的方法，其中，分散剂包括聚丙烯酸酯。

6.  根据权利要求5所述的方法，其中，所述聚丙烯酸酯是从甲基丙烯酸十八酯、丙烯酸丁酯以及丙烯酸的聚合物中选择的至少一种。

7.  根据权利要求3所述的方法，其中，所述微粉化的增重剂包括胶体微粒，该胶体微粒在其上具有涂层。

8.  根据权利要求1所述的方法，其中，所述微粉化的增重剂具有小于大约10微米的微粒尺寸d₉₀。

9.  根据权利要求4所述的方法，其中，所述微粉化的增重剂具有小于大约5微米的微粒尺寸d₉₀。

10.  根据权利要求1所述的方法，其中，所述基本流体包括油质流体和非油质流体中的至少一种。

11.  一种钻地下孔的方法，包括步骤：
将油质流体、非油质流体和具有小于大约50微米的微粒尺寸d₉₀的微粉化的增重剂相混合，以形成反相乳液钻井流体；
提供钻井组件，该组件包括；
作为钻柱的至少一部分的套管；和
连接到所述钻柱的远端的钻头；以及
使用所述反相乳液钻井流体用所述钻井组件钻所述地下孔。

12.  根据权利要求11所述的方法，其中，所述油质流体从由柴油、矿物油、合成油例如聚烯烃和或异构化聚烯烃、酯油、脂肪酸的甘油酯、脂族酯、脂族醚、脂族缩醛以及它们的组合构成的组中选择。

13.  根据权利要求11所述的方法，其中，所述非油质流体从由淡水、海水、含无机或有机溶解盐的盐水、含可混溶于水的有机化合物的水溶液以及它们的组合构成的组中选择。

14.  根据权利要求11所述的方法，其中，所述微粉化的增重剂是从重晶石、碳酸钙、白云石、钛铁矿、赤铁矿、橄榄石、菱铁矿、黑锰矿以及硫酸锶中选择的至少一种。

15.  根据权利要求11所述的方法，其中，所述微粉化的增重剂具有小于大约10微米的微粒尺寸d₉₀。

16.  根据权利要求15所述的方法，其中，所述微粉化的增重剂具有小于大约5微米的微粒尺寸d₉₀。

17.  一种钻地下孔的方法，包括步骤：
将水流体和具有小于大约50微米的微粒尺寸d₉₀的微粉化的增重剂相混合，以形成水基井筒流体；
提供钻井组件，该组件包括；
作为钻柱的至少一部分的套管；和
连接到所述钻柱的远端的钻头；以及
使用所述水基井筒流体用所述钻井组件钻所述地下孔。

18.  根据权利要求17所述的方法，其中，所述水性流体从由淡水、海水、盐水、水和可溶于水的有机化合物的混合物以及它们的混合物中的至少一种构成的组中选择。

19.  根据权利要求17所述的方法，其中，所述微粉化的增重剂是从重晶石、碳酸钙、白云石、钛铁矿、赤铁矿、橄榄石、菱铁矿、黑锰矿以及硫酸锶中选择的至少一种。

20.  根据权利要求17所述的方法，其中，所述微粉化的增重剂具有小于大约10微米的微粒尺寸d₉₀。

21.  根据权利要求20所述的方法，其中，所述微粉化的增重剂具有小于大约5微米的微粒尺寸d₉₀。

用于套管钻井的井筒流体
本申请要求2007年1月12日提交的美国专利申请No.60/884,841的优先权，其通过引用全部结合于此。
技术领域
这里公开的实施例总体上涉及在套管钻井应用中使用的井筒流体。
背景技术
在油井和气井的钻井过程中，利用通常安装在较小直径的油管的柱端部或者钻柱端部的钻头来在大地中形成钻孔。在形成预定长度的钻孔之后，从井中去除钻头和钻柱，较大直径的套管柱被插入以形成井筒。套管用来衬钻孔壁，并且套管的外表面和钻孔之间的环形区域填充有水泥以帮助加强井筒并有助于隔离用于碳氢化合物产物的井筒的截面。
为了便于钻井，流体通过钻柱、到钻头外部、并在钻柱和钻孔壁之间的环形区域向上循环。井流体的公知用途包括：在正常钻井或钻进(即，在目标含油地层中钻井)的同时润滑和冷却钻头切割表面，将“切屑”(由于钻头上的齿的切割运动而驱离的地层的片状物)运送到表面，控制地层流体压力以防止井喷，保持井稳定性，悬浮井中的固体，使流体损失最小化并稳定正被钻井的地层，压裂井附近的地层，用另一流体代替井中的流体，清洗井，测试井，将液压马力传递到钻头，用于安置封隔器的流体，弃井或准备弃井，以及处理井或地层。
利用套管钻井(“套管钻井”)是一种利用连接到将衬钻孔的管状柱(套管)的同一管状柱的钻头来形成钻孔的特殊的方法。也就是说，不是将钻头安装在较小直径的钻柱上，而是使用较大直径的管或套管作为钻柱，从而同时钻孔并套衬孔。因为不需要单独地钻入井筒来安置套管，所以钻井时间可以被减少多至百分之三十，消除了钻柱的钻入以及相关问题。因此，套管钻井在特定情况下是特别有用的，所述特定情况指操作者想尽快地钻出并衬套钻孔，以使钻孔处于未被衬套而易坍陷或受到压力异常的影响的时间最小化。例如，在US专利No.6705413和7044241中描述了套管钻井操作。
虽然利用套管钻井可以实现钻井效率，但是与钻柱和钻孔之间的间隙相比，该方法通常提供窄得多的套管和钻孔之间的间隙，因此限制了井筒流体通过其返回表面的环。小的环空间通常导致摩擦力和压力增加，这又会导致当量循环密度(ECD)提高。如果钻井流体的ECD超过地层的抗注入能力，则通常导致流体损失。然而，由于套管钻井操作中小的环，几乎没有空间留给传统的ECD减小装置，因此必须通过修整钻井流体的流变学特性来控制ECD。
通常，钻井流体应该在压力下可被泵送向下通过钻井管的杆柱或者在套管钻井中的套管，然后通过并围绕深入在大地中的钻头头部，然后通过钻柱或套管柱的外侧和孔壁之间的环返回到地表。除了提供钻井润滑和效率以及抑制磨损之外，钻井流体应该悬浮固体颗粒并将固体颗粒运输到表面，以筛除和处理。此外，流体应该能够悬浮添加的增重剂(以增加特定的泥浆引力)、总体精细的重晶石(硫酸钡矿石)，以及运输粘土和能够粘附到并涂覆钻孔表面的其它物质。
钻井流体的总体特征为触变性流体系统。即，当受剪切时，例如当处于循环(如在泵送或与运动的钻头接触期间出现的那样)时，它们呈现低粘性。而当剪切动作停止时，流体应该能够悬浮它所包含的固体以防止重力分离。此外，当钻井流体在剪切条件下并近似液体自由流动时，它必须保持充分高的足以将所有不期望的微粒物质从井筒的底部携载到表面的粘性。钻井流体配方还应该允许切屑和其它不期望的微粒物质能够从液体部分中去除或者沉淀出来。
对具有使得能够通过套管钻井更容易地钻井的流变性特性的钻井流体的需求增加。具有修整的流变性特性的钻井流体确保了尽可能有效且高效地从井筒去除切屑，以避免切屑的形成物堆积在井中，这会导致套管柱被粘住以及其它问题。也需要降低使流体循环所需的压力的钻井流体液压前景(当量循环密度)，这有助于避免将地层暴露于过渡的力下，所述过渡的力特别是在套管钻井操作中会压裂地层并可能压裂井，导致流体损失。此外，增大的轮廓是必需的，以防止出现在流体中的任何增重剂的沉降或下沉，即固体没有悬浮。如果沉降或下沉发生，则循环流体系统内出现不均匀的密度，因而会导致井控制(气体/流体流入)问题和井筒稳定性问题(坍塌/压裂)。
为了获得满足这些挑战所需的流体特性，流体必须易于泵送，使得只需小量的压力来使流体通过循环流体系统中的约束，例如钻头喷嘴、向下钻进工具、或窄的井筒环。换言之，流体在高剪切情况下必须具有尽可能低的粘性。相反，在井的流体流动面积大且流体的速度低或者存在低剪切情况的区域中，流体的粘性需要足够大，以悬浮并传输所钻的切屑。对足够粘性的需求也适用于当流体静止于孔中的时间段，此时切屑和增重材料都需要被保持悬浮以防止沉降。然而，在静止情况下，流体的粘性不应持续增加到不可接受的程度。反之，当流体需要再次循环时，如果恢复整个循环流体系统所需的力超过泵的极限，则过度的压力会导致压裂地层或钻井时间会有损失。
钻井流体内的微粒增重剂的沉积或沉降在以垂直大角度钻的井筒中变得更加关键，其中例如一英寸(2.54cm)可能沿着井筒壁的上部分导致一列连续的减小密度的流体。为了接通例如储油罐的远端部分，经常在大距离上钻这样的大角度井。在这种情况下，重要的是，使钻井流体的塑粘性最小化，以减小整个井筒长度上的压力损失。同时，也应该保持足够高的流体密度，以平衡井筒井筒流体进入和/或井控制意外事件(井喷)。此外，沉降问题变得越来越重要，以避免微粒增重剂在井筒的底侧沉淀出以及有差别地粘住套管。
在需要高密度井筒流体的深的高压井中，也能够配制具有高密度和低塑粘性的钻孔流体是重要的。高粘性会导致在泵送情况向下钻进底部压力增加。如上所述，ECD增加会导致地层开裂，以及井筒流体严重损失到开裂的地层中。此外，为了保持液压头以避免井喷，悬浮的稳定性也是重要的。具有低粘性并且增重材料的沉降最小的高密度流体的目标也一直是一项挑战。
因此，这些井筒流体配制的一个要求在于其中的添加剂形成稳定的悬浮物并且不易沉淀出来。第二个要求是悬浮物呈现修整的粘性和受控的ECD，以有利于泵送并使高压的产生最小化，同时也防止沉淀或沉降。最后，井筒流体浆还应该呈现低流体损失。
因此，对在提供改进的悬浮稳定性并使流体损失和粘性增加都最小化的同时控制流体密度的井筒流体，特别是对可以用于套管钻井操作中的流体，存在持续的需求。
发明内容
一方面，这里公开的实施例涉及一种钻地下孔的方法，该方法包括：将基本流体和具有小于大约50微米的微粒尺寸d₉₀的微粉化的增重剂相混合，以形成井筒流体；提供钻井组件，该组件包括作为钻柱的至少一部分的套管和连接到所述钻柱的远端的钻头；以及使用所述井筒流体用所述钻井组件钻所述地下孔。
另一方面，这里公开的实施例涉及一种钻地下孔的方法，该方法包括：将油质流体、非油质流体和具有小于大约50微米的微粒尺寸d₉₀的微粉化的增重剂相混合，以形成反相乳液钻井流体；提供钻井组件，该组件包括作为钻柱的至少一部分的套管和连接到所述钻柱的远端的钻头；以及使用所述反相乳液钻井流体用所述钻井组件钻所述地下孔。
又一方面，这里公开的实施例涉及一种钻地下孔的方法，该方法包括：将水性流体和具有小于大约50微米的微粒尺寸d₉₀的微粉化的增重剂相混合，以形成水基井筒流体；提供钻井组件，该组件包括作为钻柱的至少一部分的套管和连接到所述钻柱的远端的钻头；以及使用所述水基井筒流体用所述钻井组件钻所述地下孔。
从下面的描述和权利要求中，本发明的其它方面和优点将变得明显。
附图说明
图1A-B示出了传统的钻井系统的示意图；
图2示出了根据本发明一个实施例的套管钻井系统的示意图。
优选实施方式
在一方面，这里公开的实施例涉及在套管钻井操作中使用的井筒流体中微粉化增重剂的使用。
参照图1A-B，示出了传统的钻井系统。在钻井系统100中，通过连接到钻柱103的端部的钻头102形成钻孔101。泥浆循环系统105泵送井筒流体104通过钻柱103和钻头102中的出口。流体104通过钻柱103和井筒101的壁之间的环106载有钻井切屑返回。
参照图2，示出了本发明的井筒钻井操作。如图2所示，图1中的钻柱103的至少一部分被套管柱203代替。也就是说，由连接到套管柱203的端部的钻头(未示出)形成钻孔201。井筒流体204泵送通过套管柱203并通过套管柱203和钻孔201的壁之间的环206载有钻井切屑返回。与钻柱103相比，套管柱203的较大直径使得在套管203和钻孔201的壁之间形成的环的宽度变窄，井筒流体204通过所述环流向表面。
根据各个实施例，本发明的井筒流体可以使用在套管钻井操作中，这里，在形成钻孔的过程中，套管柱用作“钻柱”的至少一部分。在一个实施例中，井筒流体可以包括基本流体和微粉化的增重剂。
微粉化的增重剂
在这里公开的实施例中使用的增重剂可以包括本领域技术人员所公知的各种化合物。在具体的实施例中，增重剂可以从包括例如硫酸钡(重晶石)、碳酸钙、白云石、钛铁矿、赤铁矿、橄榄石、菱铁矿、硫酸锶、黑锰矿以及其它矿石如其它金属碳酸盐和氧化物的材料中选择。在一些实施例中，这些增重剂可以被化学改性。因为通常通过使用最高密度的微粒来获得任何特定密度的最低井筒流体粘性，所以本领域普通技术人员将明白可以主要根据材料的密度来选择特定的材料。然而，其它的考虑会影响产品的选择，例如成本、本地可获得性、研磨所需的功率、以及残余固体或过滤块是否可以容易地从井中去除。
在一个实施例中，增重剂可以是具有1微米至25微米范围内的d₉₀的微粉化的增重剂，而在其它实施例中，可以是具有0.5微米至10微米范围内的d₅₀的微粉化的增重剂。在另一实施例中，微粉化的增重剂包括具有2微米至8微米范围内的d₉₀的微粒和0.5微米至4微米范围内的d₅₀的微粒。在各种其它实施例中，微粉化的增重剂包括大约50微米或更小、25微米或更小、15微米或更小、10微米或更小、或者5微米或更小的d₉₀的微粒。可以使用激光衍射法或者本领域公知的其它方法来执行包括微粒尺寸d₉₀和d₅₀的微粒尺寸测量。d₅₀(d₉₀)是这样的分布值，即50％(90％)的微粒的微粒尺寸等于该值或小于该值。
本领域技术人员应该明白，根据定径(sizing)技术，增重剂可以具有不同于单峰分布的微粒尺寸分布。也就是说，在各个实施例中，增重剂可以具有可以是或者可以不是高斯分布的单峰分布、双峰分布或多峰分布。
在转让给当前申请的受让人的US专利申请公布No.20050277553中已经公开了一定大小的增重剂的使用，其通过引用结合于此。可以通过多种装置获得具有这些尺寸分布的微粒。例如，一定大小的微粒(如具有与这里所公开的相似的微粒尺寸分布的合适的重晶石产品)可以从市场上买到。可以获得粗糙粉材料，并且该材料可以通过任何公知的技术进一步研磨成期望的微粒尺寸。这样的技术包括喷射研磨、高性能干研磨技术、或者本领域公知的通常用于研磨粉末产品的任何其它技术。在一个实施例中，合适大小的重晶石微粒可以从传统的重晶石研磨车间的产品流中选择性地去除，这包括从传统的API重晶石研磨操作中选择性地去除细料(fine)。细料通常被认为是研磨工艺的副产品，并且通常这些材料与粗料掺合，从而获得API等级重晶石。然而，根据本发明，这些副产品细料可以通过空气分级机进一步处理，以获得这里公开的微粒尺寸分布。在又一实施例中，可以通过化学沉淀来形成微粉化的增重剂。这种化学沉淀的产品可以单独使用或者与机械研磨产品结合使用。
在一个实施例中，增重剂可以是涂覆的增重剂。在一些实施例中，增重剂可以通过湿涂覆工艺或干涂覆工艺涂覆。在一些实施例中，涂覆的增重剂可以通过干掺合工艺涂覆有分散剂，例如在2006年9月11日提交的美国专利申请No.60/825156中所公开的，该申请转让给本申请的受让人并通过引用结合与此。所得的涂覆的增重剂可以添加在新的钻井流体配方中或者添加到现有的配方中。术语“干掺合”指在没有溶剂的情况下将增重剂混合并涂有分散剂的工艺。在其它实施例中，所涂的增重剂可以在有产生乳化液涂覆微粒的溶剂的情况下被涂有分散剂，例如在美国专利申请No.20040127366中所公开的那样，该申请转让给本申请的受让人并通过引用结合于此。如这里所使用的，“微粉化的增重剂”指微粒尺寸分布减小到传统的API规定的分布之下增重剂。最后，本领域技术人员将明白例如增重剂可以在粉碎工艺(例如研磨)中或通过其它手段如热解吸附而与分散剂混合。
井筒流体配制
根据一个实施例，微粉化的增重剂可以使用在井筒流体配制中。井筒流体可以使水基流体、反相乳液、或者油基流体。
水基井筒流体可以具有作为基本流体的水性流体和微粉化的增重剂。水性流体可以包括淡水、海水、盐水、水和可溶于水的有机化合物的混合物、以及它们的混合物中的至少一种。例如，可以在淡水中混有期望的盐来配制水性流体。这种盐可以包括但不限于例如碱金属氯化物、氢氧化物或羧酸盐。在这里公开的钻井流体的各个实施例中，盐水可以包括海水、盐浓度小于海水的盐浓度的水溶液、或者盐浓度大于海水的盐浓度的水溶液。可以在海水中发现的盐包括但不限于氯化物、溴化物、碳酸盐、碘化物、氯酸盐、溴酸盐、甲酸盐、硝酸盐、氧化物和氟化物的钠、钙、硫、铝、镁、钾、锶、硅、锂以及磷盐。可以结合在盐水中的盐包括存在于天然海水中的盐中的任何一种或多种或者任何其它有机或无机可溶解的盐。另外，在这里公开的钻井流体中可以使用的盐水可以是天然的或合成的，其中，合成的海水趋于构造更简单。在一个实施例中，可以通过增加盐水中的盐浓度(最多至饱和)来控制钻井流体的密度。在特定的实施例中，盐水可以包括单价或二价阳离子金属例如铯、钾、钙、锌和/或钠的卤化物或羧酸盐。
油基/反相乳液井筒流体可以包括油质连续相、非油质间断相、和微粉化的增重剂。本领域普通技术人员将明白上面描述的微粉化的增重剂可以根据期望的应用而改性。例如，改性可以包括分散剂的亲水/疏水特性。
油质流体可以是液体，更优选天然油或合成油，更加优选的是，油质流体从包括柴油；矿物油；合成油，例如包括聚α烯烃、线性和支化烯烃等的氢化和非氢化烯烃、聚二有机硅氧烷、硅氧烷或有机硅氧烷、脂肪酸的酯、脂肪酸的特定直链、支化和环状烷基醚；本领域技术人员公知的类似化合物；以及它们的混合物的组中选择。油质流体的浓度应该足够使得反相乳液形成并可以小于反相乳液的体积的大约99％。在一个实施例中，油质流体的量为反相乳液流体的体积的大约30％到大约95％，更优选的为大约40％到大约90％。在一个实施例中，油质流体可以包括至少体积5％的从包括酯、醚、缩醛、二烷基碳酸酯、烃以及它们的组合的组中选择的材料。
在这里公开的反相乳液流体的配制中使用的非油质流体是液体，并且可以是水液体。在一个实施例中，非油质流体可以从包括海水、含有机和/或无机溶解盐的盐水、含易混溶于水的有机化合物的液体、以及它们的组合的组中选择。非油质流体的量通常小于用于形成反相乳液所需的理论极限。因此，在一个实施例中，非油质流体的量按体积小于大约70％，优选地按体积大约1％到大约70％。在另一实施例中，非油质流体优选按体积占反相乳液流体的大约5％到大约60％。流体相可以包括水性流体或油质流体或者它们的混合物。在特定的实施例中，涂覆的重晶石或者其它微粉化的增重剂可以包括在具有水性流体的井筒流体中，所述水性流体包括淡水、海水、盐水和它们的组合中的至少一种。
可以使用传统的方法以类似于正常的用来制备传统的水基和油基钻井流体的方式来制备这里公开的钻井流体。在一个实施例中，如上所述，期望量的水基流体和适量的一种或多种微粉化的增重剂被混合到一起，并且在连续混合的同时顺次添加钻井流体的剩余组分。在另一实施例中，期望量的油质流体例如基油、非油质流体和适量的一种或多种微粉化的增重剂被混合到一起，并且在连续混合的同时顺次添加剩余成分。可以通过剧烈地搅拌、混合、或者剪切油质流体和非油质流体来形成反相乳液。
可以包括在这里公开的井筒流体中的其它添加剂包括例如变湿剂、亲有机物的粘土、增粘剂、流体损失控制剂、表面活性剂、分散剂、界面张力减小剂、pH缓冲剂、互溶剂、冲淡剂、稀释剂和清洁剂。这些制剂的添加对配制钻井流体和泥浆的领域内的普通技术人员是公知的。
例子
这种反相乳液钻井流体用于套管钻井应用的一个现场(field)例子包括d₉₀小于5微米的重晶石增重剂。
下面的表1示出了流体配方。
表1