专利名称：使用亚微米尺寸粒子作为加重剂的高性能钻井液的制作方法
使用亚微米尺寸粒子作为加重剂的高性能钻井液背景本发明涉及用于在地下地层中钻探井眼的组合物和方法。更具体地，在某些实施方案中，本发明涉及使用包含亚微米沉淀重晶石的加重剂的钻井液。位于地下地层的自然资源如油或气可以通过钻探穿透地层的井眼而回收。在井眼的钻探过程中，钻井液可以用于冷却钻头，润滑旋转的钻柱以防止其粘附至井眼壁上，通过对通往地层流体的井眼起着静水压头的作用而防止井喷，以及从井眼移除钻屑，等。钻井液可以向下循环通过钻杆和钻头，然后向上通过井眼达到地表。为了防止地层流体进入井眼，在井眼中的钻井液柱的静水压力应当大于地层流体的压力。钻井液柱的静水压力是钻井液的密度和井眼的深度的函数。因此，密度是钻井液的用于防止地层流体不适宜流动至井眼中的重要性能。为了提供增加的密度，加重剂通常包含于钻井液中。加重剂典型地为高比重的磨碎的固体材料。如本文中提及的，术语“高比重”是指比重大于约2. 6的材料。适合加重剂的实例包括但不限于重晶石，赤铁矿，钛铁矿，四氧化三锰，方铅矿和碳酸钙。随着井眼被钻探更深，地层流体的压力增加。为了抵消这种压力增加并且防止地层流体的不适宜流入，可以在钻井液中包含更高浓度的加重剂。然而，加重剂的浓度增加可能是有问题的。例如，随着加重剂的浓度增加，可能发生粒子沉降的问题(通常称为“下陷”)等。其中，粒子沉降可能导致粘管或塞环。在定向钻井技术如水平钻井中粒子沉降可能特别有问题。除粒子沉降以外，例如，增加加重剂的浓度也可能不适宜地增加钻井液的粘度。尽管可能需要增粘钻井液以使其中的钻屑和加重剂悬浮，但是过大的粘度可能对等效循环密度产生不利的影响。例如，等效循环密度的不适宜的增加可能导致对于井眼中的钻井液的循环不适宜的泵送需求增加。几种技术已经用于防止不需要的粒子沉降，同时为钻井液提供适宜的流变性。例如，降低加重剂的粒度将产生更细的粒子，从而降低粒子沉降的倾向。然而，包含太多粒度减小的粒子典型地导致不适宜的粘度增加。因此，典型地避免低于10微米的粒度的使用。 这由作为钻井液添加剂的重晶石的API技术规格来证明，该技术规格将低于6微米的粒子的％ w/w限制为30% w/w最大值以最小化粘度增加。—种降低粒度同时保持适宜的流变性的方法包括使用降低尺寸的粒子，同时避免太多过细(低于约1微米)的粒子。例如，使用筛过的加重剂，其粒度分布使得总体积的至少90%的所测的粒度直径大致在4微米至20微米之间，而重均粒径(“d5(l”)大致在1微米至6微米之间。然而，过筛方法不适宜地增加与过筛的加重剂相关的材料和能量成本。另一种降低粒度的同时保持适宜的流变性的方法包括在分散剂的存在下粉碎加重剂以产生包覆有分散剂的粒子。粉碎加重剂使其具有低于2微米至10微米的d5(l。据报道，对粉碎的粒子的包覆防止预期的从尺寸降低的粒子的使用产生的不需要的粘度增加。然而，包覆和粉碎方法对加重剂的利用增加不适宜的复杂性和材料及能量成本。概述本发明涉及用于在地下地层中钻探井眼的组合物和方法。更具体地，在某些实施方案中，本发明涉及使用包含亚微米沉淀重晶石的加重剂的钻井液。本发明的一个实施方案提供一种方法，所述方法包括使钻井液在井眼中循环，其中所述钻井液包含携带液和加重剂，所述加重剂包含重均粒径低于约1微米的亚微米沉淀
重晶石。在另一个实施方案中，本发明提供一种方法，所述方法包括使逆乳化钻井液经过钻头在井眼中循环，其中所述逆乳化钻井液包含加重剂，所述加重剂包含重均粒径低于约1 微米的亚微米沉淀重晶石。在又一个实施方案中，本发明提供一种钻井液，所述钻井液包含携带液和加重剂， 所述加重剂包含重均粒径低于约1微米的亚微米沉淀重晶石。本发明的特征和优点对于本领域技术人员是明显的。尽管本领域技术人员可以进行许多变化，但是这些变化均在本发明的范围内。附图简述现在参考附图，在附图中
图1显示适用于本发明的沉淀重晶石的SEM图像和粒度分布。优选实施方案描述本发明涉及用于在地下地层中钻探井眼的组合物和方法。更具体地，在某些实施方案中，本发明涉及使用包含亚微米沉淀重晶石的加重剂的钻井液。本发明的方法和组合物可以有几个潜在的优点。令人惊奇地，根据本发明的实施方案，包含亚微米沉淀重晶石的加重剂的使用可以提供具有所需的密度而没有不需要的粘度增加的钻井液。例如，包含含有亚微米沉淀重晶石的加重剂可以抑制粒子沉降，同时流体配方的适当调节降低乃至消除了对于粘度或流体损失控制的不适宜的影响，而这种影响将典型地从细粒的使用预期到的。另一个潜在的优点在于包含含有亚微米沉淀重晶石的加重剂可以提高某些钻井液的乳液稳定性。另一个潜在的优点在于除用作加重剂以外，亚微米沉淀重晶石还可以被用作增粘剂，从而降低或消除对于钻井液中的增粘剂的需要。根据本发明的实施方案，钻井液可以包含携带液和加重剂，所述加重剂包含亚微米沉淀重晶石。任选地，钻井液还可以包含桥堵剂和表面活性剂。通常，钻井液可以具有适合特定用途的密度。举例来说，钻井液可以具有大于约9磅/加仑(“lb/gal”) (1. 08kg/l)的密度。在某些实施方案中，钻井液可以具有约91b/gal(1.08kg/l)至约121b/ gal(1.44kg/l)的密度。在某些实施方案中，钻井液可以具有约161b/gal(l.^kg/l)至约 221b/gal (2. 64kg/l)的密度。适用于钻井液的携带液可以包括适合用于钻井液中的各种流体中的任何一种。适合的携带液的实例包括但不限于，水性基液(例如，水，水包油乳液)，油脂性基液(例如，逆乳液)。在某些实施方案中，水性流体可以发泡，例如，含有发泡剂和夹带气体。在某些实施方案中，水性基液包括水性液体。可以包含在油脂性基液中的适合的油脂性流体的实例包括但不限于，α -烯烃，内烯烃，烷烃，芳族溶剂，环烷烃，液化石油气，煤油，柴油，原油，气油，燃料油，石蜡油，矿物油，低毒性矿物油，烯烃，酯，酰胺，合成油(例如，聚烯烃)，聚二有机硅氧烷，硅氧烷，有机硅氧烷，醚，缩醛，碳酸二烷基酯，烃，以及它们的组合。在某些实施方案中，油性流体可以包括油性液体。通常，携带液可以以足以形成可泵送钻井液的量存在。举例来说，携带液可以以在钻井液的体积的约20%至约99. 99%范围内的量存在于钻井液中。受益于本公开的本领域普通技术人员应认识到在本发明的钻井液中包含适量携带液以提供用于特定用途的钻井液。根据本发明的实施方案，除携带液以外，加重剂也可以包含于钻井液中。加重剂可以以足以用于特定用途的量存在于钻井液中。例如，加重剂可以包含于钻井液中以提供特定的密度。在某些实施方案中，加重剂可以以占钻井液的体积的至多约70% (v%)的量(例如，约5%，约15%，约20%，约25%，约30%，约35%，约40%，约45%，约50%，约 55%，约60%，约65%等)存在于钻井液中。在某些实施方案中，加重剂可以以10v%至约 40v%的量存在于钻井液中。根据本发明的实施方案，加重剂可以包含亚微米沉淀重晶石。通过扫描电子显微镜(“SEM”)观察，与API重晶石相比，亚微米沉淀重晶石通常更接近球形并且带的角更少。 沉淀重晶石可以根据任何适合的方法形成。例如，可以通过添加稀硫酸钠溶液而从热的酸性稀氯化钡溶液沉淀硫酸钡。用于制备沉淀重晶石的其它技术也可以是适合的。亚微米沉淀重晶石通常具有低于约1微米的d5(l。在某些实施方案中，亚微米沉淀重晶石的粒度分布是这样的至少90%的粒子具有低于约1微米的直径(“d9CI”)。在某些实施方案中，亚微米沉淀重晶石的粒度分布是这样的至少10%的粒子具有低于约0. 2微米的直径(“d1(l”)， 50%的粒子具有低于约0.3微米的直径(“d5(l”)，且90%的粒子具有低于约0.5微米的直径(“d9CI”)。从代表性SEM图像统计分析亚微米沉淀重晶石的粒度分布。在某些实施方案中，亚微米沉淀重晶石具有在图1中公开的粒度分布。适合的亚微米沉淀重晶石的实例为可获自 Guangxi Xiangzhou Lianzhuang Chemical Co. LTD 的“沉淀硫酸钡”。因为亚微米沉淀重晶石的粒度小于典型地用作加重剂的粒子的粒度，因此沉淀重晶石应当更耐沉降，因此允许在钻井液中具有更高的浓度。然而，如上所述，在钻井液中包含太多的细粒被预期对流体粘度具有不适宜的影响。令人惊奇地，根据本发明的实施方案， 使用包含亚微米沉淀重晶石的加重剂可以提供具有所需的密度而没有不适宜的粘度增加的钻井液。例如，在加重剂中包含亚微米沉淀重晶石，同时适当地调节流体配方，这可以改善粒子沉降，而没有典型地从细粒的使用预期的对于粘度或滤失控制不适宜的影响。另外， 沉淀重晶石可以提高某些钻井液的乳液稳定性。例如，某些加重剂组分(如四氧化三锰) 可以不适宜地影响油包水乳液的稳定性。然而，包含沉淀重晶石可以抵消这种乳液去稳定化，从而形成更稳定的长期乳液。据认为，沉淀重晶石通过在用于油基钻井液的逆乳液中形成密集分布的超细乳液液滴而改善乳液稳定性。此外，在某些实施方案中，除用作加重剂以外，亚微米沉淀重晶石可以被用作增粘剂，从而降低或消除对于钻井液中的增粘剂的需要。 因为常规的增粘剂如亲有机性粘土可能在极高压高温(“HPHT”)环境下对流体稳定性具有不适宜的影响，因此它们的消除可以产生更稳定的流体。亚微米沉淀重晶石可以以足以用于特定用途的量存在于加重剂中。举例来说，亚微米沉淀重晶石可以以按重量计约10%至约100%的量(例如，约20^3430^3440%, 约50 %，约60 %，约70 %，约80 %，约90 %，等)存在于加重剂中。包含在加重剂中的亚微米沉淀重晶石的量取决于许多因素，包括所需的粒子沉降速率、流体粘度、密度、滤失控制和经济因素。在某些实施方案中，加重剂也可以任选地包括比重大于约2. 6的粒子。在某些实施方案中，粒子可以具有大于约4的比重。高比重粒子可以包括各种适合增加钻井液的密度的粒子的任何一种。例如，高比重粒子可以包括重晶石，赤铁矿，钛铁矿，四氧化三锰，方铅矿和碳酸钙。也可以使用这些粒子的组合。在一个实施方案中，高比重粒子以大于粒子重量的90%的量包括四氧化三锰。包含四氧化三锰的高比重粒子的实例包括可获自Elkem Materials Inc 的 MICR0MAX 和 MICROMAX FF 加重材料。比重大于约2. 6的粒子可以以足以用于特定用途的量存在于加重剂中。举例来说，高比重粒子重晶石可以以按重量计约0 %至约90 %的量(例如，约10 %，约20 %，约 30 %，约40 %，约50 %，约60 %，约70 %，约80 %，等)存在于加重剂中。在加重剂中包含的高比重粒子的量取决于许多因素，包括所需的粒子沉降速率，流体粘度，密度，滤失控制和经济因素。在加重剂中所包含的亚微米沉淀重晶石与高比重粒子的比率格外取决于成本、所需的钻井液性能等。在某些实施方案中，亚微米沉淀重晶石与高比重粒子的比率可以为约 10 90 至约 100 0(例如，约 20 80，约 30 70，约 40 60，约 50 50，约 40 60， 约 30 70，约 80 20，约 90 10，等)。另外，根据本发明的实施方案，钻井液还可以包含增粘剂。如本文中使用的，术语 “增粘剂”是指增加流体的粘度的任何试剂。举例来说，增粘剂可以在钻井液中使用以对钻井液赋予足够的携带能力和/或触变性，从而使钻井液能够传输钻屑和/或加重材料，防止钻屑和/或加重材料的不适宜沉降。如上所述，根据本发明的实施方案，亚微米沉淀重晶石可以代替增粘剂。然而，在某些实施方案中，亚微米沉淀重晶石可以与增粘剂结合使用。在存在的情况下，可以使用适合用于钻井液的各种不同的增粘剂。适合的增粘剂的实例包括但不限于粘土和粘土衍生物，聚合物添加剂，硅藻土和多糖如淀粉。增粘剂的组合也可以是适合的。所用的特定增粘剂取决于许多因素，包括所需的粘度，与在井眼的地层中使用的其它流体的化学相容性以及其它的井眼设计问题。另外，根据本发明的实施方案，在钻井液中还可以包含桥堵剂。桥堵剂可以以足以用于特定用途的量存在于钻井液中。例如，可以在钻井液中包含桥堵剂以提供所需程度的滤失控制。在某些实施方案中，桥堵剂可以以至多约2001bAbl的量存在于钻井液中。通常，桥堵剂可以具有在约1微米至约200微米的范围内的粒度。优选地，桥堵粒度在约1至约100微米的范围内，但是可以根据地层而变化。所用粒度决定于地层的孔喉尺寸。根据本发明的一些实施方案，桥堵剂优选在适合的清洗溶液(例如，互溶剂，7jC， 酸溶液等)中自降解或可降解。当选用特定桥堵剂时，应当注意桥堵剂在应用的温度范围内的性能。适合的桥堵剂的实例包括但不必限于柠檬酸镁，柠檬酸钙，琥珀酸钙，马来酸钙，酒石酸钙，酒石酸镁，柠檬酸铋，碳酸钙，氯化钠和其它盐，以及它们的水合物。可降解桥堵剂的实例可以包括但不必限于包含可降解材料如可降解聚合物的桥堵剂。术语“降解” 或“可降解”是指可降解材料可以经历例如不均勻(或本体腐蚀)和均勻(或表面腐蚀) 的水解降解的两种相对极端的情况，以及这两者之间的任何降解阶段。这种降解可以由尤其是化学或热反应或由辐射引起的反应产生。如本文中使用的术语“聚合物”或“多种聚合物”不表示任何特定的聚合度；例如，低聚物包括在该定义中。如果当在适合的应用中例如在井眼中使用时聚合物能够经历不可逆降解，则在本文中它被认为是“可降解的”。如本文中使用的术语“不可逆”是指可降解材料应当原位降解，而不应当在降解后原位再结晶或再固结。可以根据本发明使用的可降解聚合物的适合实例包括但不限于在 A. C. Albertsson 编辑的题目为“可降解脂族聚酯(Degradable Aliphatic Polyester) Advances in Polymer Science，第157卷，第1_138页的出版物中所述的那些。具体实例包括均聚物，无规、嵌段、接枝和星型-和超-支化聚酯。这些适合的聚合物可以通过缩聚反应，开环聚合，自由基聚合，阴离子聚合，碳阳离子聚合，配位开环聚合制备以及通过任何其它适合的方法制备。可以与本发明的方法结合使用的适合的可降解聚合物的实例包括但不限于脂族聚酯；聚(丙交酯)；聚(乙交酯)；聚(ε-己内酯)；聚(羟基酯醚)；聚(羟基丁酸酯)；聚(酐)；聚碳酸酯 ’聚(原酯) ’聚(氨基酸)；聚(环氧乙烷)；聚(磷腈)； 聚醚酯，聚酯酰胺，聚酰胺和这些可降解聚合物中任何一种的共聚物或共混物，以及这些可降解聚合物的衍生物。如本文中使用的术语“共聚物”不限于两种聚合物的组合，而包括聚合物例如三元共聚物等的任何组合。如本文中提及的，术语“衍生物”在本文中被定义为包括例如由所列化合物中一种通过用另一个原子或原子团取代母体化合物中的一个原子的形式所形成的任何化合物。在这些适合的聚合物中，优选脂族聚酯如聚(乳酸)，聚(酐)， 聚(原酯)和聚(丙交酯)_共聚-聚(乙交酯)共聚物。特别优选聚(乳酸)。还可以优选聚(原酯)。经过水解降解的其它可降解聚合物也可以是适合的。技术人员的选择可以依赖于特定的应用或用途和所涉及的条件。其它要考虑的指导方针包括产生的降解产物， 必需的降解度所需要的时间，以及所需的降解结果(例如，空隙)。适合的脂族聚酯具有下面所示的重复单元的通式其中η为介于75至10，000之间的整数，且R选自氢，烷基，芳基，烷基芳基，乙酰基，杂原子以及它们的混合物。在其中使用脂族聚酯的本发明的某些实施方案中，脂族聚酯可以是聚(丙交酯)。聚(丙交酯)通过缩合反应由乳酸合成，或更通常通过环状丙交酯单体的开环聚合合成。因为乳酸和丙交酯可以获得相同的重复单元，因此如本文中使用的通用术语聚(乳酸)是指式I的形式，而不对如何制备聚合物(例如，由丙交酯、乳酸或低聚物制备)进行任何限定，并且不涉及聚合度或塑化水平。丙交酯单体通常以三种不同的形式存在两种立体异构体(L-和D-丙交酯)和外消旋D，L-丙交酯(内消旋丙交酯)。乳酸的低聚物和丙交酯的低聚物由下式限定
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权利要求
1.一种钻井液，所述钻井液包含携带液；和加重剂，所述加重剂包含重均粒径低于约1微米的亚微米沉淀重晶石。
2.根据权利要求1所述的钻井液，其中所述钻井液具有约9磅/加仑(l.(^kg/l)至约 22磅/加仑(2. 64kg/l)的密度。
3.根据权利要求1或2所述的钻井液，其中所述携带液包括选自由水性基液和油脂性基液组成的组中的至少一种流体。
4.根据权利要求1，2或3所述的钻井液，其中所述加重剂以占所述钻井液的体积的至多约70%的量存在于所述钻井液中。
5.根据任一项在前权利要求所述的钻井液，其中所述亚微米沉淀重晶石具有以下粒度分布所述亚微米沉淀重晶石中至少约90%的粒子具有低于约1微米的直径。
6.根据任一项在前权利要求所述的钻井液，其中所述亚微米沉淀重晶石具有以下粒度分布所述亚微米沉淀重晶石中至少10%的粒子具有低于约0. 2微米的直径，所述亚微米沉淀重晶石中至少50%的粒子具有低于约0. 3微米的直径，且所述亚微米沉淀重晶石中至少90%的粒子具有低于约0. 5微米的直径。
7.根据任一项在前权利要求所述的钻井液，其中所述亚微米沉淀重晶石以占所述加重剂的重量的约10%至约90%的量存在于所述加重剂中。
8.根据任一项在前权利要求所述的钻井液，其中所述钻井液基本上不含增粘剂。
9.根据任一项在前权利要求所述的钻井液，其中所述加重剂还包含比重大于约2.6的粒子。
10.根据权利要求9所述的钻井液，其中所述比重大于约2.6的粒子包含选自由以下各项组成的组中的至少一种组分重晶石、赤铁矿、钛铁矿、四氧化三锰、方铅矿和碳酸钙。
11.一种方法，所述方法包括使在前权利要求中任一项所述的钻井液在井眼中循环。
12.一种方法，所述方法包括使逆乳化钻井液经过钻头在井眼中循环，其中所述逆乳化钻井液包含加重剂，所述加重剂包含重均粒径低于约1微米的亚微米沉淀重晶石。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述钻井液具有约9磅/加仑(l.(^kg/l)至约 22磅/加仑(2. 64kg/l)的密度。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述亚微米沉淀重晶石具有以下粒度分布所述亚微米沉淀重晶石中至少10%的粒子具有低于约0. 2微米的直径，所述亚微米沉淀重晶石中至少50%的粒子具有低于约0. 3微米的直径，且所述亚微米沉淀重晶石中至少 90%的粒子具有低于约0. 5微米的直径。
15.根据权利要求12，13或14所述的方法，其中所述亚微米沉淀重晶石以占所述加重剂的重量的约10%至约90%的量存在于所述加重剂中。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，其中所述钻井液基本上不含增粘剂。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其中所述加重剂还包含比重大于约 2.6的粒子。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述比重大于约2.6的粒子包括占所述粒子的重量的多于约90%的量的四氧化三锰。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其中在所述加重剂中所述亚微米沉淀重晶石与所述比重大于约2. 6的粒子的比率为约10 90至约90 10。
20.根据权利要求17，18或19所述的方法，其中在所述加重剂中所述亚微米沉淀重晶石与所述比重大于约2. 6的粒子的比率为约30 70至约70 30。
全文摘要
使用包含重均粒径低于约1微米的亚微米沉淀重晶石的钻井液的方法和组合物。所公开的方法包括使钻井液在井眼中循环的方法，其中所述钻井液包含携带液；和加重剂，所述加重剂包含重均粒径低于约1微米的亚微米沉淀重晶石。在一些实施方案中，钻井液可以包括逆乳液。在一些实施方案中，亚微米沉淀重晶石具有以下粒度分布亚微米沉淀重晶石中至少10％的粒子具有低于约0.2微米的直径，亚微米沉淀重晶石中至少50％的粒子具有低于约0.3微米的直径，且亚微米沉淀重晶石中至少90％的粒子具有低于约0.5微米的直径。
文档编号C09K8/36GK102428155SQ201080021501
公开日2012年4月25日 申请日期2010年3月16日 优先权日2009年3月23日
发明者张莹 申请人:哈利伯顿能源服务公司