专利名称：含有定尺寸粘土材料的井筒流体及其使用方法
含有定尺寸粘土材料的井筒流体及其使用方法发明背景 发明领域本文中公开的实施方案基本上涉及其中具有粘土材料的井筒流体。具体地，本文 中公开的实施方案基本上涉及含有定尺寸粘土材料(size clay material)的井筒流体及 其使用方法。
背景技术：
当在地层中钻井或完井时，为了各种原因而典型地将各种流体用于井中。用于井 液的普通方法包括在一般的钻井或钻入(即，钻入到目标含油地层中)的同时润滑并冷却 钻头切割表面；将“切屑”(通过钻头上的齿的切割作用而移去的地层碎片)运送至地面； 控制地层流体压力以防止喷出；保持井稳定性；悬浮井中的固体；将滤失最小化并且稳定 正在进行钻井的地层；使在井附近的地层破裂；用另一种流体置换井内的流体；清洗井；测 试井；将水力马力传送至钻头、用于安放封隔器的流体；报废井或预备报废井；和以其它方 式处理井或地层。上述目的之一包括在悬浮钻井作业过程中，除防止钻进切削和加重材料沉降到 井眼的下侧或底部以外，将切屑运输到地面。此防止固体在井筒流体内沉降的现象归因于 流体的触变性质。本领域普通技术人员应当理解，在没有这种触变性质的情况下，固体在流 体内的沉降可以导致固体在钻头上沉积，钻头可能被“卡住(struck) ”，或井筒流体密度的 降低可能导致油层“井涌(kick) ”，或在极端的情况下，可能出现“喷出” 一油层流体灾难性 地、失控地流入到井筒中。井筒流体，如果适当地保持，可以提供充分的悬浮能力以抗衡固 体沉降。井筒流体在获得这些功能方面的关键性质是粘度，或剪切应力与剪切应变的比 率。井筒流体必须具有充分的粘度以将切屑提升到地面。将切屑从井筒中移除的速率是井 筒流体的载运能力的函数，其直接取决于几个因素，这些因素包括井筒流体的密度，井筒 流体的粘度，速度分布，钻柱的扭矩，固体粒子的尺寸和形状，钻柱的旋转，以及固体与井筒 流体的比重的比率。为了增加井筒流体的提升能力(以悬浮切屑和加重材料)，可以增加井筒流体的 凝胶强度。为了获得凝胶强度的这种增加，存在多种方法。一种方法包括加入胶凝剂如膨 润土(钠蒙托石)，绿坡缕石或海泡石，以有目的地对水基流体赋予流变性质。除粘土以外， 还可以加入可溶性聚合物如黄原酸胶，瓜尔胶，羧甲基纤维素，羟乙基纤维素，或合成聚合 物以增强流体粘度。另一种方法是将在粘土质的(含粘土)地层的钻井过程中遇到的天然 粘土结合到井筒流体中。经常地，将各种类型的粘土加入到流体地层中以提供粘度并且增强流体的流变性 质。粘土具有二氧化硅-氧化铝晶格的结构，其以多层布置，有时具有其它物种，例如结合 到晶格中的镁或钙。水分子进入到晶格结构中并且与活性部位结合，从而导致层溶胀或最终分散到各个粒子中。粘土的分散增加表面积，这进而引起粘土-水部位溶胀以及粘土-水 悬浮体变稠。因而经常将粘土称为胶凝剂，并且将其用于提供粘度，密度，密封和触变性质 以帮助井眼的稳定性。膨润土是最广泛使用的天然产生的粘土，并且很多年来已经被用作钻井液中的胶 凝剂。钻井级膨润土通常从含钠蒙脱石的沉积物生产，或者来自单一来源，或者通过将来自 几种来源的材料共混而产生。它可以含有除蒙脱石以外的另外材料，并且因而在颜色上从 浅灰色至米色至灰白色变化。美国石油研究所(American Petroleum Institute) (API)已 经发布了地下膨润土必须符合的国际标准并且其可以在API说明书13A中找到。现有技术中已知的是，在钻井过程中，膨润土或其它类似粘土材料的水合和分散 状态决定水基流体的流变性质。重要的流变性质是粘度(表观的、塑性的和有效的)，凝胶 强度和屈服应力，其可以通过旋转粘度计(流变仪)测量。然而，在下列方面之间存在平衡 加入足够量的胶凝剂以增加流体的悬浮，而且还不将流体粘度增加到使流体的可泵送性降 低的点。在井筒流体中使用这种粘土添加剂的另外的关心所在是用于流体屈服所需的时间 的量，以使得流体可以具有用于携带或悬浮其中的固体的必需触变性质。因此，对开发具有有利触变性质的流体体系存在持续的需求。发明概述在一个方面中，本文中公开的实施方案涉及一种井筒流体，所述井筒流体包含基 液；和定尺寸的非水合性粘土。在一个方面中，本文中公开的实施方案涉及一种井筒流体，所述井筒流体包含水 性流体；定尺寸的绿坡缕石粘土 ；和碱金属或碱土金属的盐，其中所述井筒流体基本上不 含水合粘土。在另一个方面中，本文中公开的实施方案涉及一种钻制地下井的方法，所述方法 包括将定尺寸的非水合性粘土加入到基液中以形成钻井液；和用所述钻井液钻制所述 井。在又另一个方面中，本文中公开的实施方案涉及一种用于无导管钻井(drilling riserless)的方法，所述方法包括对用于在海底钻制井眼的钻井组件提供钻井液，所述 钻井组件包括钻柱和井底组件，并且其中所述钻井液包含盐水；和定尺寸的非水合性粘 土 ；和将所述钻井液和切屑通过由所述钻柱和所述井眼形成的环状空间流到海水中。本发明的其它方面和优点将从下列描述和后附权利要求变得显然。附图简述
图1显示在海水中30ppb的各种绿坡缕石样品随着时间的屈服。图2显示在海水中35ppb的各种绿坡缕石样品随着时间的屈服。图3绘制了关于绿坡缕石样品所得到的最大屈服与粒度的函数关系。图4显示定子头(stator head)对在海水中30ppb的EZ凝胶(EZ Gel)的屈服的影响。图5显示定子头对在海水中30ppb的凝胶MS (Gel MS)的屈服的影响。图6显示定子头对在海水中30ppb的Basco凝胶(Basco Gel)的屈服的影响。图7显示定子头对在海水中30ppb的M-I盐凝胶(M_I Salt Gel)的影响。详细描述
在一个方面中，本文中公开的实施方案涉及定尺寸粘土材料在配制井筒流体中的 使用及其使用方法。具体地，本文中公开的实施方案涉及定尺寸的非水合性粘土在井筒流 体中的使用。通常，将两种类型的粘土用于配制水基井筒流体膨润土和绿坡缕石。膨润土，一 种三层铝-硅酸盐矿物，是被最广泛地使用的粘土。然而，膨润土的下列能力负面地受到存 在的溶解在水中的盐影响其通过水与其活性部位的结合而水合，从而致使粘土粒子溶胀 并分散，这进而导致粘度增大。因而，膨润土在离岸应用中的使用被典型地认为是不实际 的，在所述离岸应用中，海水与淡水相比更容易获得用作连续相。另一方面，绿坡缕石(或其它非水合性粘土)形成在高电解质溶液如海水中稳定 的胶体，并且因此在离岸应用(或其中限制提供淡水的其它应用)中是经常优选的。绿坡 缕石是含水的镁铝硅酸盐，其与蒙脱石粘土如膨润土的层状结构相反近似为球形。此结构 导致粘稠化而非水合。更确切地说，绿坡缕石浆液的粘稠化由将粘土粒子拉伸成更多地为 针状或纺锤体(lathe)形状的剪切所致，这是在文献中关于粘土所典型描述的。当悬浮在 液体中时，这些纺锤体一起结合成在电子显微镜下具有干草堆(haystack)外观的束。此粘 土在与水接触时不溶胀，因此其增加粘度的能力取决于胶体被剪切的程度。因而，本文中公开的井筒流体可以含有非水合性粘土，例如具有针状或链状结构 的粘土，其通过剪切导致粘稠化。在各种其它的实施方案中，非水合性粘土可以选自绿坡缕 石和海泡石粘土中的至少一种。尽管非水合性粘土在淡水或盐水中基本上不溶胀，但是它 们仍对增稠的盐溶液起作用。这种增稠可以归因于据认为是带电荷的胶体粘土粒子在分散 介质中的独特取向，而非实际的“水合”。关于术语“非水合性”，是指粘土在盐水存在下的缺乏溶胀(即，可测量的体积增 大)的特征，给定粘土在海水中的可溶胀性可以通过K. Norrish的以“蒙脱石的溶胀(The swelling of Montmori 1 lonite) ”，Disc. Faraday Soc.第 18 卷，1954，第 120-134 页出版 的文章中所述的程序测试。此测试包括将粘土在去离子水和相对于每体积盐溶液为约4重 量％的氯化钠的溶液中浸渍约2小时。类似地，给定粘土在淡水中的可溶胀性可以通过其 中排除了氯化钠的类似程序测试。“非水合性1 土在一个实施方案中被定义为是在此测试 中与其干燥体积相比溶胀小于8倍体积的粘土。在另一个实施方案中，非水合性粘土表现 出小于2倍的数量级的溶胀；在另一个实施方案中，小于0. 3倍；并且在又另一个实施方案 中，小于0.2倍。在另外的实施方案中，本文中公开的钻井液可以基本上不含水合粘土。如本文中 所使用的，“水合粘土”被定义为在淡水或盐水中可感知地溶胀的那些粘土(即，它们的体积 增大至少约8倍的量)，而“基本上不含”被定义为不显著影响可分散性的量。水合粘土可 以包括与淡水接触时可感知地溶胀，但是当与盐水接触时不溶胀的那些粘土，包括例如，含 有钠蒙脱石的粘土，例如膨润土。如上所述，许多水合粘土具有片状或板状结构，这导致它 们在与水接触时溶胀。绿坡缕石(或其它非水合性粘土)的使用在现有技术中是已知的。例如，当将盐 水或其它含盐的水用作加入粘土的井筒流体的连续相时，经常将这种粘土代替膨润土作为 “开钻泥浆”使用来钻制离岸井的顶段。此外，如上所述，这种流体制剂的粘稠化通过下列方 法获得将流体剪切，使得粘土粒子的聚集体分散在针状粒子的个体(或更小的束)中，这进而形成能够捕集水分子的无规晶格。本发明人还认为，剪切还可以破碎晶体的边缘，从而 在电荷方面产生对所形成的破碎键的吸引力，这进而吸引水。然而，对于流体达到所需粘度 而言，剪切需要相当多的时间和相当大的在钻机上耗费的能量。由于泥浆泵速率(在钻机上)快于用于足够剪切水平所需的时间，因此典型使用 较高浓度的粘土来保证达到所需粘度。然而，本申请的发明人已经有利地发现，比常规商业 产品更小粒度的绿坡缕石(或其它非水合性粘土)可以更快速地分散，从而能够更快速地 并且以较小的剪切能达到粘度(屈服)，而没有塑性粘度的显著增大。在不受任何具体机理 束缚的情况下，建议的是，当剪切流体时，粘土粒子被有效研磨。因而，理论上，通过使用更 细小的粘土粒子源，可以减少(或消除)剪切过程中的有效研磨，并且流体可以更快速地达 到其屈服应力(yield point)。另外，通过使用减少流体屈服的时间量的定尺寸粒子，通过 在与泥浆泵速率的时间量相当的剪切可以达到屈服应力，从而在得到更好性能的同时允许 更低的粘土浓度。因而，根据本公开内容的实施方案，可以将定尺寸或微粉化的非水合性粘土提供 用于井筒流体制剂中。本公开内容的发明人采取各种常规绿坡缕石粘土样品的粒度分布并 且确定来源在平均尺寸的范围内(即，64至161微米的d5(l)；然而，必须指出，当将绿坡缕 石结合到井筒流体制剂中时，这样的尺寸确定/选择不容易被考虑。如在本文中使用的， 术语“定尺寸粘土”是指已经按照尺寸被分类为所需的d5(1范围的粘土聚集体。除非另外 指出，所有的粒度范围是指剪切前的值。例如，使用分级设备，可以将粘土源按尺寸进行分 级，以分离出平均粒度小于50微米的粘土聚集体，然后将它们结合到井筒流体中并且进行 任何剪切。因而，在不同的实施方案中，本公开内容的定尺寸的非水合性粘土可以具有小于 约50微米的d5(l，在另一个实施方案中，小于约20微米，并且在又一个实施方案中，小于约 10微米。本领域普通技术人员应当理解，粒度分布(即，从例如，小于50，40，30，20，10微米 的d5(l，或任何其它d5(l值)的选择可以取决于下列因素，例如可用剪切设备的类型(和精确 度)，粘土浓度，泥浆泵速率，所需的屈服应力，等等。例如，本发明人确定的是，不仅通过使 用定尺寸的非水合性粘土可以获得缩短的剪切时间，而且通过使用这种定尺寸的非水合性 粘土可以获得增大的屈服应力。因而，如果期望具体的屈服应力，并且必须使用具有稍微更 低的剪切速率的特殊类型的设备，则可以从其选择处于较低浓度的稍微更细粘土粒子或处 于较大浓度的稍微更大粒子的组合。此外，本领域普通技术人员应当理解，尽管d5(1 < 50或20微米尺寸范围对于某 些制剂而言可以是适宜的，但是在本公开内容的流体和方法中还可以使用其它的尺寸范围 (和分布)。因而，备选尺寸分布的实例可以包括具有d1(1 < 9微米，d25 < 26微米，和d5(1 < 64微米的非水合性粘土。其它的示例性实施方案可以包括具有在M-68微米范围内的 d9(l，在10-30微米范围内的d5(l，和在3-6微米范围内的d1(l (在剪切之前)的非水合性粘土 材料。此外，一旦将这些粒子结合到井筒流体中并且对其进行剪切，分布可以变窄。因而， 本公开内容的实施方案可以包括具有在12-M微米范围内的d9Q，在3. 7-12微米范围内的 d5(l，和在0.6-1.4微米范围内的(11(|(在剪切之后)的非水合性粘土材料。然而，本领域普通 技术人员将意识到，研磨粘土材料的尺寸变化可以根据某种井筒流体和/或钻井作业的需 要而变化。如上所述，定尺寸的非水合性粘土的使用可以允许改进屈服应力性质。屈服应力是在流动状态下的电化学或吸引力的量度，其指示了井筒流体将切屑携带出井筒的能力， 因而取决于流体固体的表面性质。这些电化学或吸引力是位于粒子表面上或附近的负电荷 和正电荷的结果，其可以例如在剪切过程中产生。根据本公开内容的实施方案，定尺寸的非 水合性粘土的使用可以允许在30ppb的浓度获得至少约501b/100ft2的屈服应力。此外， 可以在35ppb浓度的非水合性粘土的情况下，获得至少约601b/100ft2的屈服应力。而且， 当使用剪切速率为6，522，OOOs—1的具有圆孔乳液筛定子头(round hole emulsion screen stator head)的Silverson混合机时，可以以小于30min的剪切时间达到这样的屈服应力。 示例性浓度可以在20ppb至50ppb的范围内；然而，本领域技术人员将理解，可以使用其它 浓度，因为浓度的选择可以取决于关于具体钻井作业所需的屈服应力。此外，本领域技术人员将理解，典型地，钻井液根据它们的基本材料而分类。在一 个具体实施方案中，非水合性粘土可以用于增稠水基井筒流体，具体地，使其中膨润土和其 它水合性粘土可能令人不满意的盐水基流体增稠。然而，本发明不受限制，相反，设想的是 定尺寸的非水合性粘土还可以在淡水中使用。在本公开内容的实施方案中使用的盐水可以包括海水，其中盐浓度小于海水盐浓 度的水溶液，或其中盐浓度大于海水盐浓度的水溶液。海水的盐度可以在基于海水总体积 的约1重量％至约4.2重量％的盐的范围内。在海水中可以发现的盐包括但不限于硫酸 盐，磷酸盐，硅酸盐，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 物和氟化物中的钠，钙，铝，镁，钾，锶和锂盐。可以结合到给定盐水中的盐包括在天然海水 中存在的那些盐或任何其它的有机或无机溶解盐中的任何一种或多种。另外，可以在本文 中公开的钻井液中使用的盐水可以是天然的或合成的，并且合成盐水在组成上趋于简单得 多。在一个实施方案中，钻井液的密度可以通过增加盐水中的盐浓度(至多到饱和)来控 制。在一个特别的实施方案中，盐水可以包括一价或二价金属阳离子如铯，钾，钙，锌和/或 钠的卤化物盐或羧酸盐。在一个实施方案中，钻井液可以配制具有每加仑约9至14磅的密度范围。钻井液 可以最初配制成具有所需配方(formulation)。备选地，钻井液可以从浓缩的泥浆，如16磅 /加仑的泥浆，或更重泥浆形成，然后在将其以所需配方使用之前与盐水共混。本领域普通 技术人员将理解可以根据需要使用其它密度。当从泥浆和盐水共混时，泥浆可以任选含有 盐，例如碱金属或碱土金属的盐。在一个实施方案中，钻井液可以具有大于约6的pH。在另 一个实施方案中，钻井液可以具有约7. 5至12范围内的pH。如本领域技术人员意识到的， 钻井液的PH可以通过加入酸性或碱性添加剂而定制。例如，苛性碱和柠檬酸可以分别用于 提高或降低流体的PH。此外，除水基流体以外，还设想该定尺寸的非水合性粘土可以用于油基流体中。油 基/逆乳液井筒流体可以包括油质连续相，非油质不连续相，和微米化的增重剂。本领域普 通技术人员将理解，上述粘土可以根据所需应用而改性。例如，改性可以包括结合如现有技 术中所知的油-润湿剂，以使得添加剂更适用于油基流体。油质流体可以是液体，更优选是天然或合成油，并且更优选地，油质流体选自包括 下列各项的组柴油；矿物油；合成油，例如氢化和未氢化的烯烃，包括聚α烯烃，直链和支 链烯烃等；聚二有机硅氧烷；硅氧烷，或有机硅氧烷；脂肪酸的酯，具体地，脂肪酸的直链， 支链和环状烷基酯；本领域技术人员已知的类似化合物；和它们的混合物。油质流体的浓度应当足以使得形成逆乳液并且可以小于约99体积％的逆乳液。在一个实施方案中，油质 流体的量为逆乳液流体的约30体积％至约95体积％，并且更优选为约40体积％至约90 体积％。在一个实施方案中，油质流体可以包含至少5体积％的选自包括下列各项的组的 材料酯，醚，缩醛，碳酸二烷基酯(dialkylcarbonates)，烃，和它们的组合。在本文中公开的逆乳液流体的配方中使用的非油质流体是液体并且可以是水性 液体。在一个实施方案中，非油质液体可以选自包括下列各项的组海水，含有有机和/或 无机溶解盐的盐水，含有水混溶性有机化合物的液体，和它们的组合。非油质流体的量典型 地小于用于形成逆乳液所需要的理论极限。因而，在一个实施方案中，非油质流体的量小于 约70体积％，并且优选为约1体积％至约70体积％。在另一个实施方案中，非油质流体优 选为逆乳液流体的约5体积％至约60体积％。流体相可以包括水性流体或油质流体，或它 们的混合物。在一个特别的实施方案中，在具有包含淡水、海水、盐水和它们的组合中的至 少一种的水性流体的井筒流体中，可以包含经涂布的重晶石或微米化的增重剂。可以以与通常用于制备常规水和油基井筒流体的那些方法类似的方式，使用常规 方法来制备本文中所公开的钻井液。在一个实施方案中，将如上所述的，所需量的水基流体 和适当量的定尺寸的非水合性粘土混合在一起，并且在连续搅拌的同时顺次加入井筒流体 的任何剩余组分。在另一个实施方案中，将所需量的油质流体如基油，非油质流体，和适当 量的定尺寸的非水合性粘土(任选地，被改性)混合在一起，并且在连续搅拌的同时顺次加 入任何剩余的组分。通过将油质流体和非油质流体剧烈搅动，混合或剪切可以形成逆乳液。可以包含在本文中公开的井筒流体中的其它添加剂包括例如润湿剂，亲有机物质 的粘土，增粘剂，滤失控制剂，表面活性剂，分散剂，界面张力降低剂，PH缓冲液，互溶溶剂， 稀释剂，冲淡剂，和清洁剂。这些试剂的加入对于配制钻井液和泥浆的本领域普通技术人员 而言是熟知的。此外，如上所述，本公开内容的流体可以特别用作“开钻泥浆”，即一种用于从地面 至浅层深度钻井的水基泥浆。在这样的情况下，通常进行无导管钻井，凭借其在流动通过钻 头时，流体通过钻柱和井眼之间的环状空间而流到海水中。无导管钻井的进一步讨论可以 在美国专利公布2007/0M6221中找到，该美国专利转让给本受让人并且通过引用整个结 合在此。然而，本公开内容不受此限制。相反，定尺寸的非水合性粘土可以用于常规使用粘 土和/或期望将其粘稠化的任何流体，或用于钻制任何其它井段。
实施例下列实施例用于测试本文中公开的钻井液在获得屈服应力的能力和效率方面的 效力。测试不同级别的研磨的绿坡缕石粘土的来自Zemex Industrial Materials (Atlanta, GA)或 M-I LLC (Houston, TX)的 6 个粘土样品。关于每一个样品的粒 度分布在表1中给出。表 权利要求
1.一种井筒流体，所述井筒流体包含 基液；和定尺寸的非水合性粘土。
2.根据权利要求1所述的流体，其中所述非水合性粘土包括绿坡缕石和海泡石粘土中 的至少一种。
3.根据权利要求1所述的流体，其中所述非水合性粘土包含小于约20微米的d50。
4.根据权利要求1所述的流体，其中所述非水合性粘土包含在10至30微米范围内的d50。
5.根据权利要求1所述的流体，其中所述非水合性粘土以在20至50ppb范围内的量存在。
6.根据权利要求1所述的流体，其中所述基液是包含碱金属或碱土金属的盐的水性流体。
7.根据权利要求1所述的流体，所述流体还包含 增重剂，抗絮凝剂，滤失控制剂和它们的组合中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的流体，其中所述基液是油质基流体。
9.一种井筒流体，所述井筒流体包含 水性流体；定尺寸的绿坡缕石粘土 ；和碱金属或碱土金属的盐，其中所述井筒流体基本上不含水合粘土。
10.根据权利要求9所述的流体，其中所述非水合性粘土包含小于约20微米的d50。
11.根据权利要求10所述的流体，其中所述非水合性粘土包含在6至12微米范围内的d50。
12.根据权利要求9所述的流体，其中所述非水合性粘土以在20至50ppb范围内的量存在。
13.—种钻制地下井的方法，所述方法包括将定尺寸的非水合性粘土加入到基液中以形成钻井液；和 用所述钻井液钻制所述井。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述非水合性粘土包括绿坡缕石和海泡石粘土 中的至少一种。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述非水合性粘土包含小于约20微米的d5(l。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述非水合性粘土包含在10至30微米范围内的 d50。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述非水合性粘土以在20至50ppb范围内的量存在。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述基液是包含碱金属或碱土金属的盐的水性 流体。
19.一种用于无导管钻井的方法，所述方法包括 对用于在海底钻制井眼的钻井组件提供钻井液，所述钻井组件包括钻柱和井底组件，并且其中所述钻井液包含盐水；和定尺寸的非水合性粘土 ；和将所述钻井液和切屑通过由所述钻柱和所述井眼形成的环状空间流到海水中。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述非水合性粘土包括绿坡缕石和海泡石粘土 中的至少一种。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述非水合性粘土包含小于约20微米的d50。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述非水合性粘土包含在10至30微米范围内的 d50。
23.根据权利要求19所述的方法，其中所述非水合性粘土以在20至50ppb范围内的量存在。
全文摘要
本发明公开一种井筒流体，其包含基液；和定尺寸的非水合性粘土。所述基液可以是水基流体或油基流体。本发明还公开了使用包含基液和定尺寸的非水合性粘土的这样的井筒流体钻井的方法。
文档编号C09K8/04GK102083936SQ200880130232
公开日2011年6月1日 申请日期2008年5月9日 优先权日2008年5月9日
发明者姆凯什·卡皮拉, 尼尔·布朗 申请人:M-I有限公司