专利名称：纳米颗粒致密化的完井液的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及油田钻井和完井，并具体地涉及通过纳米颗粒致密化使完井液比重最优化的组合物、方法和系统。
背景技术：
完井液是用于与地下井有关的完井操作的流体；这类操作通常是在钻井操作停止后，但是紧接着井生产开始之前进行的那些操作。这些完井液存在的目的是在有关井下装置出故障的情况下给地下井提供保护性控制措施。因此这类流体(fluid)促成了保护地层和井内各种完井组件(element)的系统。在它们的保护作用中，完井液通过减轻对生产区中井结构的损伤来改善井(例如 油井或气井)的生产率。另外，完井液有助于在最后完井阶段期间修复和清洗(clean out)井眼的过程。完井液通常是盐水或盐水混合物(即金属氯化物、溴化物、甲酸盐或它们的混合物的水基溶液)，其中盐水的金属盐组分提高完井液相对于水的比重或密度。无论该流体的组成如何，其应当与井的储藏地层化学相容，以及与井下所用的组分相容。完井液在引入井中之前通常进行严格过滤，以便排除固体的引入。关于完井液的更多背景技术，参见例如1985年9月17日颁发的Block的美国专利No. 4，541，485 ;1985年3月5日颁发的Shell的美国专利No. 4，502，969 ;和1984年4月24日颁发的Walker等的美国专利No. 4，444，668。金属盐作为完井液中增重剂的用途几乎都表明(完井液组合物的)基液是水。另夕卜，环境顾虑会限制作为增重剂使用的金属盐的类型。考虑到这些限制，显然需要采取更加灵活和或许更加环境无害的完井液钻井平台(platform)。本发明简述本发明涉及完井液组合物及其制备方法。这类完井液的独特之处在于它们包含纳米颗粒，而且使用这类纳米颗粒作为增重剂并依赖它们来提高所述流体的比重(或密度)。实际上，纳米颗粒增重剂的迁移影响完井液技术中的范式转移(paradigm shift)。这类纳米颗粒增重剂，取决于它们的性能，可以极大地拓宽用于完井液的基液类型，从而允许使用非水基液和甚至烃基液。还预期这类纳米颗粒致密化的完井液将提供降低的环境风险，并且其中所使用的纳米颗粒增重剂可以更容易地从它们分散于其中的基液(based fluid)回收。在一些实施方案中，本发明涉及一种或多种可操作地用于涉及地下井的完井操作的完井液组合物，其中所述组合物包含(a)基液；和(b)大量纳米颗粒，其中所述纳米颗粒(i)与所述基液相容；(ii)通常与完井操作相容；(iii)在至少两个维度中具有约Inm-约IOOnm的平均直径；(iv)可分散于或可悬浮于所述基液中；以及(V)可操作地使所得完井液组合物致密化；其中所产生的所述组合物重量是纳米颗粒的尺寸、纳米颗粒的量和纳米颗粒的比重的函数。在一些这类实施方案中，完井液组合物还包含一定量的至少一种选自以下的添加剂类型(i’ )缓蚀剂，(ii’)02清除剂，(iii’ )杀细菌剂，(iv’)pH调节剂，(V’ )增粘剂，(Vi’ )盐，(vii’ )表面活性剂，(viii’ )分散剂和(ix’ )消泡剂。在一些实施方案中，本发明涉及制备可结合与地下井有关的完井操作使用的完井液的一种或多种方法，所述方法包括以下步骤(a)按照具体应用的相应要求，基于纳米颗粒的比重和惰性选择一定量的纳米颗粒；以及(b)将所述量的纳米颗粒加入到一定量的基液中以提供纳米颗粒增重的完井液，其中所述纳米颗粒(i)与基液和至少一种添加剂类型相容；( )通常与完井操作相容；(iii)在至少两个维度中具有约Inm-约IOOnm的平均直径；(iv)可分散于或可悬浮于所述基液中；以及(V)可操作地使所得完井液组合物致密化；其中所产生的所述组合物重量是纳米颗粒的尺寸、纳米颗粒的量和纳米颗粒的比重的函数(function)。在一些这类实施方案中，所述方法还包括在所得纳米颗粒增重的完井液中引入一定量的至少一种添加剂类型的步骤，所述添加剂类型选自(i’ )缓蚀剂，(ii’ )02清除剂，(iii’ )杀细菌剂，(iv’)pH调节剂，(V’ )增粘剂，(vi’ )盐，(vii’ )表面活性剂，(viii’ )分散剂和(ix’ )消泡剂。前文相当宽泛地概述了本发明的特征以便可以更好地理解接下来的本发明详细 描述。下文将描述形成本发明权利要求主题的本发明的其它特征和优点。发明详述I.引言如前述章节所提及的，本发明涉及完井液组合物和其制造或制备的方法。这类完井液的独特之处在于它们包含在流体中胶体悬浮的纳米颗粒，而且依赖这类纳米颗粒来提高所述流体的比重(或密度)。纳米颗粒增重剂在完井液组合物中的用途与现有技术相比提供了相当大的优势(应注意，术语“增重”和“致密化”在本文中可互换使用)。这类纳米颗粒增重剂，取决于它们的性能，可极大地拓宽用于完井液的基液类型，从而允许使用非水基液和甚至烃基液。还预期这类纳米颗粒致密化的完井液将提供降低的环境风险，并且其中所使用的纳米颗粒增重剂可以更容易地从它们分散于其中的基液回收。2.定义某些术语在本说明书通篇中按它们首次使用所定义，而用于本说明书的某些其它术语定义如下本文所定义的术语“完井液”是指在完井操作期间所使用的流体，所述完井操作例如但不限于产层钻井和/或管下扩眼钻、射孔、砾石充填、化学处理、水力压裂、洗井、压井、产层选择性操作以及管道和装置更换。就本文而言，这类“完井液”包括“封隔液”在内。本文所定义的术语“纳米级”是指100nm(10_9m)或更小的尺寸属性。本文所定义的“纳米颗粒”是具有非胶束性质的三维物体，其中所述维度中至少两个是纳米级，但是其没有维度大于2μπι (微米)。术语“纳米颗粒”和“纳米微粒”在本文中可互换使用。3.组合物在一些实施方案中，本发明涉及包含纳米微粒的完井液组合物，其中所述纳米微粒分散在基液内以便形成操作稳定的胶体悬浮液，并且其中所述纳米微粒足够小以穿过通常用于从完井液除去微粒的过滤器。另外，典型地对这类纳米颗粒进行选择以便通常对于地层和完井操作呈操作良性。术语“操作性”是指暗示着特定属性在其中一些方面所被进行描述的总体方法的操作参数内是有效的。如上所述，在一些实施方案中，本发明涉及至少一种可操作地用于涉及地下井的完井操作的完井液组合物，其中所述组合物包含(a)基液；和(b)大量纳米颗粒，其中所述纳米颗粒(i)与所述基液相容；(ii)通常与完井操作相容；(iii)在至少两个维度中具有约Inm-约IOOnm的平均直径；(iv)可分散于或可悬浮于所述基液中；以及(V)可操作地使所得完井液组合物致密化；其中所产生的所述组合物重量是纳米颗粒的尺寸、纳米颗粒的量和纳米颗粒的比重的函数。在一些这样的上述组合物实施方案中，完井液组合物还包含一定量的至少一种选自以下的添加剂类型(i’ )缓蚀剂，(ii’)02清除剂，(iii’ )杀细菌剂，(iv’)pH调节剂，(V’ )增粘剂，(vi’ )盐，(vii’ )表面活性剂，(viii’ )分散剂和(ix’ )消泡剂。这类添加剂可以是目前、以前或所预期使用的添加剂中的任意一种或多种。
在一些这样的上述组合物实施方案中，纳米颗粒选自金属、合金、聚合物、陶瓷、混合基质组合物、纳米球、纳米管、纳米棒、纳米壳以及它们的涂覆和未涂覆组合物。可能的纳米颗粒组合物包括但不限于氧化铁(Fe2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化镧(La2O3)、氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)、硫酸钡(BaSO4)、二氧化硅(SiO2)、铝硅酸盐、粘土(例如蒙脱石)、它们的组合物等。应注意，这类纳米颗粒的制备不受特定限制，并且许多纳米颗粒可商购以及用各种技术制造。在一些这样的上述组合物实施方案中，纳米颗粒由于它们的纳米级尺寸而可以具有独特的物理和/或化学性能。例如，当颗粒的尺寸下降到低于它们的波尔激子半径时可产生量子限制。在一些这样的上述组合物实施方案中，至少一些纳米颗粒被化学官能化。在一些这类实施方案中，该化学官能化通过至少一些纳米颗粒在它们的表面用官能部分进行化学改性来提供。例如纳米颗粒的化学官能化，参见Mahal ingam等的“Directed Self-Assembly ofFunctionalized Silica Nanoparticles on MolecularPrintboardsthrough Multivalent Supramolecular Interactions, ^Langmuir,vol.20,pp. 11756-11762, 2004 ；和 McNamara 等的“AcetylacetonateAnchors for RobustFunctionalization of TiO2 Nanoparticles withMn (II)—Terpyridine Complexes,，，vol.130, pp. 14329-14338，2008。请注意，化学官能化可用来改善纳米颗粒可分散性和/或可悬浮性，使纳米颗粒呈化学惰性，并且调节纳米颗粒的物理和/或化学性能。在一些这样的上述组合物实施方案中，所述组合物是可增粘的(viscosifible)。在一些这类实施方案中，将所述组合物与增粘剂进行增粘。在其它这类实施方案中，纳米颗粒的化学改性(见上文)可赋予提高的粘度。在仍其它这类实施方案中，为此目的使用增粘剂和纳米颗粒的化学改性的组合。增粘剂、组合物和系统的实例描述于1998年7月28日颁发的Vollmer等的美国专利No. 5，785，747中。在一些这样的上述组合物实施方案中，所述组合物是可交联的。可交联完井液组合物的实例可在例如2002年I月29日颁发的Chang等的美国专利No. 6，342，467中找到。在一些这样的上述组合物实施方案中，虽然具有上述可增粘和可交联性属性，但是所述组合物并入(embody)、包含降滤失处理剂(fluid_loss pill)或者与降滤失处理剂组合使用。参见例如2003年10约14日颁发的Vollmer等的美国专利No. 6，632，779。
在一些这样的上述组合物实施方案中，所述组合物是可过滤的。其指的是可将主题(纳米颗粒-致密化的)完井液进行过滤以除去可能对一个或多个完井操作具有有害作用的较大颗粒(典型地>2 μ m或微米)，但是其中这种过滤使纳米颗粒保持存在于组合物中。如果需要，这类纳米颗粒可通过包括但不限于纳滤和离心分离的另外操作除去。对于更多关于这类较大颗粒的过滤，参见例如1987年5月12日颁发的Bergh的美国专利No. 4，664，798。 在一些这样的上述组合物实施方案中，基液是水基的。这类水基基液的实例包括各种盐水，以及基本上纯粹的水。在使用盐水时，盐水中固有的盐也可有效充当完井液组合物中的增重剂(除纳米颗粒外)。金属盐作为增重剂或致密化剂使用典型地需要它们溶解于极性基液(例如水)中。可对纳米颗粒致密化剂(即纳米颗粒)进行设计(engineer)以具有在各种基液中可悬浮的表面能。因此，在一些这样的上述组合物实施方案中，基液是烃基液。在一些这类实施方案中，这类相容表面能的设计通过纳米颗粒表面的化学改性(见上文)来提供。在一些这样的上述组合物实施方案中，通过使用纳米颗粒(和任选的金属盐)，使所述组合物增重(致密化)到至少约7. 5磅/加仑(ppg),最多约22ppg。在一些这类实施方案中，使所述组合物增重到至少9ppg,在一些实施方案中增重到至少IOppg,在一些实施方案中增重到至少llppg,在一些实施方案中增重到至少12ppg。在一些这样的上述组合物实施方案中，所述完井液组合物还包含可操作地使纳米颗粒分散在基液中的分散剂(dispersal agent)。在一些这类实施方案中，分散剂是选自离子表面活性剂(例如十二烷基硫酸钠和鲸蜡基三甲基溴化铵)，非离子表面活性剂(例如TritonX-100 ,Pluronics*)和它们的组合的表面活性齐 。这类分散剂还可以用于使纳米颗粒保持悬浮在流体中，例如作为稳定悬浮体。例如可如何将表面活性剂用于辅助纳米颗粒的分散，参见Li等的“EmergentNanostructures: Water-InducedMesoscale Transformation ofSurfactant-Stabilized Amorphous Calcium CarbonateNanoparticlesin Reverse Microemulsions, ”Advanced Functional Materials,12 卷(11-12)，773-779 页，2002。在一些这样的上述组合物实施方案中，纳米颗粒占组合物的至少约O. Iwt. %和组合物的最多约60wt. %。在一些或其它实施方案中，纳米颗粒占组合物的至少约O. Iwt. %和组合物的最多约4 O w t. %。在一些或仍其它实施方案中，纳米颗粒占组合物的至少约
O.5wt. %和组合物的最多约30wt. %。除上文所描述(或以其它方式意指)的选择标准外，对合适纳米颗粒的选择还可以受经济考虑因素的影响。安全(例如毒性)和环境因素在用于上述组合物实施方案的纳米颗粒的选择中也可以起显著作用。4.方法通常，本发明的方法涉及在完井操作中使用上述完井液组合物，和制备这样组合物的方法。在一些实施方案中，本发明涉及制备可结合与地下井(例如油和/或气井)有关的完井操作使用的完井液的一种或多种方法，所述方法包括以下步骤(a)按照具体应用的相应要求，基于纳米颗粒的比重和惰性选择一定量的纳米颗粒；以及(b)将所述量的纳米颗粒加入到一定量的基液中以提供纳米颗粒增重的完井液，其中所述纳米颗粒(i)与基液和至少一种添加剂类型相容；(ii)通常与完井操作相容；(iii)在至少两个维度中具有约Inm-约IOOnm的平均直径；(iv)可分散于或可悬浮于所述基液中；以及(V)可操作地使所得完井液组合物致密化；其中所产生的所述组合物重量是纳米颗粒的尺寸、纳米颗粒的量和纳米颗粒的比重的函数。在一些这样的上述方法实施方案中，所述方法还包括在所得纳米颗粒增重的完井液中引入一定量的至少一种添加剂类型的步骤，该添加剂类型选自(i’ )缓蚀剂，(ii’ )02清除剂，(iii’ )杀细菌剂，(iv’)pH调节剂，(V’ )增粘剂，(vi’ )盐，(vii’ )表面活性剂，(viii’ )分散剂和(ix’ )消泡剂。在一些这样的上述方法实施方案中，基液选自水基基液、烃基基液和它们的组合。如上所述，根据本文提出的一些实施方案，使用纳米颗粒作为增重剂有助于非水性(例如烃)基液在配制完井液组合物中的使用。 在一些这样的上述方法实施方案中，使纳米颗粒增重的完井液致密化到至少约
7.5ppg和最多约22ppg。在一些这类上述方法实施方案中，使(纳米颗粒致密化的)完井液组合物致密化(增重)到9ppg或更多。在一些或其它实施方案中，使完井液组合物致密化到IOppg或更多。在一些或其它实施方案中，使完井液组合物致密化到IIppg或更多。在一些或仍其它实施方案中，使完井液组合物致密化到12ppg或更多。取决于所需完井液的密度/重量，可加入纳米颗粒以便占如此制备的完井液组合物的至少约O. Iwt. %和该组合物的最多约60wt. %。在一些或其它实施方案中，可加入纳米颗粒以便占组合物的至少约O. Iwt. %和组合物的最多约40wt. %。在一些或仍其它实施方案中，可加入纳米颗粒以便占组合物的至少约O. 5wt. %和组合物的最多约30wt. %。在一些这样的上述方法实施方案中，所述方法还可以包括使纳米颗粒增重的完井液增粘的步骤。参见前文关于增粘和增粘剂/提粘剂的另外描述和参考文献章节(上文章节3)。在一些这样的上述方法实施方案中，这样的方法还可包括使纳米颗粒增重的完井液交联的步骤。参见前文关于使如此制备的完井液交联的另外描述和参考文献章节(上文章节3)。在一些这样的上述方法实施方案中，这样的方法还可包括将纳米颗粒增重的完井液过滤的步骤。如上所述，进行过滤以除去尺寸/直径超过2μπι (微米)的微粒，但是其允许完井液保留纳米颗粒，所述纳米颗粒在至少两个维度中小很多。在一些这类方法实施方案中，过滤步骤使用选自以下类型的过滤器来完成硅藻土过滤器、滤袋式过滤器、金属网过滤器、编织过滤器和它们的组合。在一些这样的上述方法实施方案中，至少一些纳米颗粒在它们的表面用官能部分进行化学改性。如上所述，纳米颗粒表面的这种化学改性可用于改变它们的表面能，且因此改变它们在特定基液中分散能力。另外，这种化学改性可参与到完井液的交联中(见上文)。参见前文关于纳米颗粒化学改性的另外描述和参考文献章节(上文章节3)。5.概述如前述章节中所述，本发明主要涉及完井液组合物及其制备方法。这类完井液的独特之处在于它们包含纳米颗粒，而且使用这些纳米颗粒作为增重(致密化)剂并依赖它们来提高完井液的比重(或密度)。以这种方式使用纳米颗粒代表完井液技术中的范式转移。取决于所述性能，可对这类纳米颗粒进行设计以具有所述性能，这类纳米颗粒增重剂可以极大地拓宽用于完井液的基液类型，从而允许使用非水基液和甚至烃基液。这类纳米颗粒致密化的完井液还可提供降低的环境风险，并且其中所使用的纳米颗粒增重剂可以更容易地从它们分散于其中的基液回收。这里引用的所有专利和出版物都通过引用并入本文，其引用程度为不与本文相抵 触。可以理解，上文描述的实施方案的某些上述结构、功能和操作并不是实施本发明所必需的，并且将它们包含在说明书内，只是简单地为了示例性的一个或多个实施方案的完整性。此外，应该理解，在上述引用的专利和出版物中列举的特定结构、功能和操作可与本发明一起实施，但它们对本发明的实施并不是必要的。因此，应该认识到，可以以不同于具体说明的方式来实施本发明而不实际脱离由所附权利要求书定义的本发明的精神和范围。
权利要求
1.可操作地用于涉及地下井的完井操作的完井液组合物，其中所述组合物包含 (a)基液；和 (b)大量纳米颗粒，其中所述纳米颗粒(i)与所述基液相容；(ii)通常与完井操作相容；(iii)在至少两个维度中具有约Inm-约IOOnm的平均直径；(iv)可分散于或可悬浮于所述基液中；以及(V)可操作地使所得完井液组合物致密化；其中所产生的所述组合物重量是纳米颗粒的尺寸、纳米颗粒的量和纳米颗粒的比重的函数。
2.权利要求I的完井液组合物，该完井液组合物还包含一定量的至少一种选自以下的添加剂类型(i’ )缓蚀剂，(ii’)02清除剂，(iii’ )杀细菌剂，(iv’)pH调节剂，(V’ )增粘剂，(vi’ )盐，(vii’ )表面活性剂，(viii’ )分散剂和(ix’ )消泡剂。
3.权利要求I的完井液组合物，其中所述组合物的特征在于如下中的一种(a)可增粘，(b)可交联，(c)可过滤，或⑷它们的组合。
4.权利要求I的完井液组合物，其中所述基液的特征在于为水基基液或烃基基液。
5.权利要求I的完井液组合物，其中所述纳米颗粒选自金属、合金、聚合物、陶瓷、混合基质组合物、纳米球、纳米管、纳米棒、纳米壳以及它们的涂覆和未涂覆组合。
6.权利要求I的完井液组合物，其中至少一些纳米颗粒在它们的表面用官能部分进行化学改性。
7.权利要求6的完井液组合物，其中所述官能部分增强纳米颗粒在完井液中的可悬浮性。
8.权利要求I的组合物,其中所述组合物增重到至少约 .5ppg和最多约22ppg。
9.制备可结合与地下井有关的完井操作使用的完井液的方法，所述方法包括以下步骤 (a)按照具体应用的相应要求，基于纳米颗粒的比重和惰性选择一定量的纳米颗粒；以及 (b)将所述量的纳米颗粒加入到一定量的基液中以提供纳米颗粒增重的完井液， 其中所述纳米颗粒(i)与基液和至少一种添加剂类型相容；(ii)通常与完井操作相容；(iii)在至少两个维度中具有约Inm-约IOOnm的平均直径；(iv)可分散于或可悬浮于所述基液中；以及(V)可操作地使所得完井液组合物致密化；其中所产生的所述组合物重量是纳米颗粒的尺寸、纳米颗粒的量和纳米颗粒的比重的函数。
10.权利要求9的方法，该方法还包括在所得纳米颗粒增重的完井液中引入一定量的至少一种添加剂类型的步骤，所述添加剂类型选自(i’ )缓蚀剂，(ii’)02清除剂，(iii’ )杀细菌剂，(iv’)pH调节剂，(V’ )增粘剂，(vi’ )盐，(vii’ )表面活性剂，(viii’ )分散剂和(ix’ )消泡剂。
11.权利要求9的方法，其中所述基液选自水基基液、烃基基液和它们的组合。
12.权利要求9的方法，其中使所述纳米颗粒增重的完井液致密化到至少约7.5ppg和最多约22ppg。
13.权利要求12的方法，该方法还包括以下步骤中的至少一个(a)使纳米颗粒增重的完井液增粘的步骤，(b)使纳米颗粒增重的完井液交联的步骤，或(C)将纳米颗粒增重的完井液过滤的步骤。
14.权利要求12的方法，该方法还包括将纳米颗粒增重的完井液过滤的步骤，其中该过滤步骤使用选自以下类型的过滤器来完成硅藻土过滤器、滤袋式过滤器、金属网过滤器、编织过滤器和它们的组合。
15.权利要求的12方法，其中至少一些纳米颗粒在它们的表面用官能部分进行化学改性。
全文摘要
本发明涉及完井液组合物及其制备方法。这类完井液的独特之处在于它们利用纳米颗粒作为增重(致密化)剂提高所述增重(致密化)剂分散于其中的流体的比重(或密度)。取决于它们的性能，这类纳米颗粒增重剂可以极大地拓宽用于完井液的基液类型，从而允许使用非水基液和甚至烃基液。另外，这类纳米颗粒致密化的完井液可提供降低的环境风险，并且其中所使用的纳米颗粒增重剂可以更容易地从它们分散于其中的基液回收。
文档编号C09K8/52GK102869744SQ201180021935
公开日2013年1月9日 申请日期2011年3月11日 优先权日2010年3月25日
发明者H·M·科尼特, C·加德纳, B·布洛伊斯, E·科拉德罗维奇, T·G·科比特, H·伯格隆 申请人:雪佛龙美国公司