钻井和固井的方法

专利名称：钻井和固井的方法
技术领域：
本发明论述油气井的钻井和固井问题。
油井或气井的井眼通常是垂直钻的。然而，有时需要钻倾斜井眼。例如，含油层位于建筑物地区下面或河流等自然障碍物之下时。近些年来，由于大量的海上钻井，不能为每一口井建一座独立平台，这就使钻倾斜井更加重要。
钻垂直井眼，钻井过程一般是用旋转钻井方法进行的。
旋转钻井是用包括安装在钻柱下端的钻头的旋转钻井设备完成的。负荷加在旋转着的钻头上，钻入地层。钻柱是空心的，在井眼钻深时，把钻杆加到钻柱上，增加它的长度。旋转钻井时，用旋转钻柱转动和/或驱动安装在钻柱下端的井下马达旋转钻头。
这种旋转钻井方法形成严重的摩擦力，而发热和生成地层碎屑，必须从井眼中清除掉碎屑，和冷却钻头以延长其使用寿命。这两种需要是用钻井液通过钻柱向再经钻柱与井壁间的空间还回地面的循环方法实现的。这样做的过程中，会在井壁上沉积上薄层，通称为泥饼。泥饼是由钻井液中的固体物质和被钻地层及井眼中的流体压差的综合因素形成的。因为钻井过程中井眼中液柱产生的静压力最好略微高于到大大高于地层的孔隙压力。这就使泥浆液相具有向地层渗漏的趋势，当这种情况发生时，由于固体物质通常粒径较大不能渗入地层，它们就沉淀在井壁上。
一旦井眼钻到预定深度，能把井眼穿透的地层，层段或井段独立分开是最理想的。为了从地层中采出流体，应从地面向井眼下套管，其它管柱安装在套管内。
据此，需要用某种材料充填套管与井壁或套管与衬管间的环形空间，这种材料能封堵环形空间并支撑固定套管或衬管，通常把这种工艺叫做固井。
钻一口广义的倾斜井井眼是非常昂贵的，其中部分原因就是因固井作业难度大。在倾斜井中，要使套管准确的处于井眼的中心，这是根本不可能的，这就产生了两个问题首先，排出环形空间更窄一侧井壁上的流体更加困难;其次，清除环形空间狭窄和井壁上的泥饼更加困难。因为泥饼一般不能与水泥牢固粘结，使后一个问题更为重要，这可能使冲替钻井泥浆的流体造成沟道和/或者在环形空间留下大量未排出的、不能相容的泥浆而造成固井沟道，在最后的固井作业中，产生各种各样的空洞。
本发明的一个目的是用水泥固结广义的倾斜生产井。
本发明的第二个目的是防止生产井固井作业中形成空洞。
本发明的第三个目的是防止生产井环形空间狭窄部分残存的水泥和泥饼间的不相容难题。
为了达到上述目的，根据本发明的钻井和固井方法包括用钻柱和钻头组成的旋转钻井组件，和含有高炉的矿渣和水的钻井液钻一口广义的倾斜生产井。
钻井液经钻柱向下面经钻柱与井壁之间的环形空间向上进行循环，因此，在钻井过程中井壁上形成泥饼;
起出钻柱组件，下套管;
向钻井液加入活化剂，生成有粘结性的水泥浆;及具有粘结性的水泥浆通过套管向下，上返进入套管与井壁形成的环形空间进行循环。
已经发现，利用钻井液中的高炉矿渣，在井壁上形成可相容的泥饼，因此，环形空间狭窄处井壁的泥饼变成有利因素而不是缺点。此外，正如将在下面详细讨论的那样，未替换出的泥浆转化成坚硬的致密填料。
文中术语“广义井”意指包括有时叫做钻斜井，水平钻井或定向钻井的那些技术。本发明适用于那种井-与垂向偏差小至1%，即使这么小的井身偏差也会给套管居中造成困难。其它极端的情况该属水平井了，这很少见。本发明对下述这类井特别有价值偏差1°-90°，最好是10°-90°之间，最佳30°-80°之间。本发明对钻偏斜角至少为30°的那类井特别有利。
本文中用的“钻井液”术语意指水基或油基液体，它含有水，高炉矿渣，和至少一种其它添加剂(如增粘剂，降粘剂，溶解盐，岩屑微粒，增加液体密度的固体增重剂，防止钻井液和地层相互有害作用的地层稳定剂，及提高钻井液润滑性能的添加剂。
在优选的实例中，其中加入高炉矿渣和催化剂活化钻井液，(详情下面讨论)，使钻井液和水泥浆的流变学特性都成最优化状态。最后，按本发明配制的钻井液和水泥浆具有耐盐水特性，而且还受益于海水。由于使用广义井的主要领域是海上钻井，这里当然会有海水，所以这种方法就更有意义。因为本发明中使用的钻井液，要成为水泥浆的一部分，所以这种钻井液可叫做通用液，即在钻井和固井中都可使用。一般来说，初始钻井液可以是含有高炉矿渣的已知任何类型的钻井液之一种。较合适的钻井液包括那些本领域中已知的水基泥浆，清水泥浆，海水泥匀浆，盐水泥浆，卤水泥浆，石灰泥浆，石膏泥浆，聚醇类泥浆和水包油乳化液。USA专利No.5，058，679中公布了一组适用的钻井液。此外，含油也含水的泥浆也可使用，如低含水油基泥浆和反油乳化液泥浆。不管是那种情况，泥浆必须含有高炉矿渣，一般来说矿渣含量为2.8-285kg/m3最后的钻井液、较好的是28-228kg/m3，最好是57-143kg/m3。
可加入粘性材料制成通用钻井液的典型钻井液配方如下10-20重量%盐，23-28kg/m3
土，11-17kg/m3羧甲基淀粉(防失水剂，Milpark Drilling Fluids公司以商标名“NEWDRIL”销售)，1-3kg/m3部分水解的聚丙烯酰胺(PHPA)(这是一种页岩稳定剂，Milpark Drilling Fluids公司以商标名“NEWDRIL”销售)，3-4kg/m3CMC(Milpark Drilling Fluids公司以商标名“BIOLOSE”销售)，85-200kg/m3钻屑，0-715kg/m3重晶石。
因为钻井液要成为最后具有粘结性的泥浆的一部分，所以，要处理的废泥浆的数量就大大减少了。
本发明的另一实施例方案中，钻井液的多数组分或全部组分都要经过选择，以便这些组分也能在粘性材料中起作用。下面表1和表2说明了这种钻井液配方和粘结性泥浆配方的特点。
表1钻井液中添加剂的作用添加剂 主要作用 次要作用合成聚合物1防失水淀粉2防失水控制粘度生物聚合物3粘度硅酸盐 粘度 页岩稳定剂碳水化合物 反絮凝剂聚合物4重晶石5控制密度
土6防失水粘土/石英粉7- -矿渣8岩屑稳定剂 -石灰9页岩稳定剂调节碱度
PECP10岩屑/井眼稳定剂防失水NaCl 页岩稳定剂油 润滑剂 防泥包钻具表2 粘结性泥浆中添加剂的作用添加剂 主要作用 次要作用合成聚合物1防失水缓凝剂淀粉2防失水缓凝剂生物聚合物3粘度缓凝剂硅酸盐 促凝剂碳水化合物 缓凝 反絮凝剂聚合物4重晶石5调节比重
土6防失水调节钻屑浓度粘土/石英粉7调节钻屑浓度矿渣8调节粘结性调节钻屑浓度石灰9速凝剂调节钻屑浓度PECP10缓凝剂控制流变性NaCl - -油 - -
1.如SKW化学公司制造的合成聚合物，商品名为“POLYDRILL”。
2.如Milpark公司生产的淀粉，商品名为“PERMALOSE”。
3.如Kelco oil Field集团公司制的生物聚合物，商品名为“BIOZAN”。
4.如Grain processing公司制造的水溶性碳水化合物聚合物，商品名为“MOR-REX”。
5.重晶石，即BaSO4，钻井液增重剂。
6.
土，即粘土或叫胶质粘土，增粘剂。
7.如Milwhite公司制造的粘土/石英粉，商标名为“REVDUST”。
8.Blue Circle Cement公司制造的高炉矿渣，商标名为“NEWCEM”的最适用。
9.CaO10.多环聚醚多元醇，USA专利No.5，058，679中曾描述过。
所谓“高炉矿渣”指的是高炉中熔化金属还原矿石排出的水凝性废料，USA专利No.5，058，679中曾有说明，该说明在此并入本发明。所说的“磷盐”系指膦酸盐，磷酸盐或聚磷酸盐，下面将详细说明。
适用的高炉矿渣是指粘结性泥浆中唯一的水凝组分。
本发明中使用的优选高炉矿渣，是玻璃质含量高的矿渣，它是温度为1400℃-1600℃的矿渣熔流与大量的水充分接触急剧冷却生成的。骤冷把矿渣熔流转变成具有水凝性的玻璃状材质。这时，它通常是粒状物质，很容易磨成要求的粒度。矿渣中的化学成分有二氧化硅，氧化铝，氧化铁，氧化钙，氧化镁，氧化钠，氧化钾和硫。本发明中使用的高炉矿渣最好应具有特定的粒度，使其比面积在2000cm2/g-15000cm2/g，再好一些的是3000cm2/g-15000cm2/g，更好点的是4000cm2/g-9000cm2/g，最好的是4000cm2/g-8500cm2/g，各例中，比表面积或表面积是伯努尼(Blaine)比表面积。完全具备这些条件的高炉矿渣可以买到。Bloue circle cement公司生产的商品名为“NEWCEM”。矿渣可从马里兰州Sparrows point市的Bethlehem钢铁公司得到。
常用的高炉矿渣组分的重量百分比为SiO2，30-40;Al2O3，8-18;CaO，35-50;MgO，0-15;氧化铁，0-1;S，0-2;氧化锰，0-2。典型的例子是SiO2，36.4;Al2O3，16.0;CaO，43.3;MgO，3.5;氧化铁，0.3;S，0.5;氧化锰，＜0.1。
具有较小粒径的高炉矿渣常常是合乎需要的，因为它的强度大，在许多情况下把高强度特赋予最后的水泥浆。涉及到确定粒径时，术语“细粒”是用来描述比表面积为4000-7000cm2/g的颗粒，相应的粒径为16-31微米;“微细粒”是用来描述那种比面积为7000-10000cm2/g的颗粒，相应的粒径为56-16微米，“超细粒”是用来描述比表面积大于10000cm2/g的颗粒，相应的粒径为5.5微米或更小。小粒径高炉矿渣从奥柯拉荷马州，吐尔萨市的Blue circle Cement公司购买，商品名为“WELL-CEM”，和Geochem公司的产品，商品名为“MICROFINE MC100”。
但是，把矿渣研磨成上述那种粒径，是非耗费时间的。从一定意义上讲，不可能把矿渣磨成一种粒径的颗粒。因此，不论何种研磨方法只能得到杂散的多种粒径。粒径与具有该粒径的颗粒的百分比图，得出一条显示粒径分布的曲线。
根据本发明优选的实施方案中，具有杂散的多种粒径分布高炉矿渣，在粒径与具有该粒径的颗粒百分比图上呈现出的至少两个节点是有用的。发现如果仅有部分颗粒是超微粒级，那么，其余的，也是占多数的矿渣可研磨得更粗些，而且基本上仍能得到与花更多的钱把全部矿渣磨成超微所得结果相同。因此，至少能使5%的颗粒其粒径为1.9-5.5微米的研磨工艺在经济与效果方面提供了突出的优点，更好一些的是6-25重量%的颗粒处于粒径为1.9-5.5微米之间。获得这类组分的最简便方法是只把少量高炉矿渣研磨成超细粒并把这种粉末与不太严格条件下磨制的矿渣粉相混合。即使在不太严格的条件，也有些颗粒是细粒，微细粒或超细粒级的。因此，只有少量矿渣，如4重量%，较好的是5-10重量%可磨成超细粒级，其余的按常规方法研磨，得到的颗粒粒径一般大于11微米，大多数粒径在11-31微米之间。
如上所述，淡水的和盐水的两种泥浆都可使用，但是，以含0.1-26%重量(NaCl)的钻井液为好，更好的是含3-10%重量(NaCl)的钻井液为好，更好的是含3-10%重量(NaCl)的钻井液。一个可用的来源是直接用海水或类似海水的卤水溶液。与设想的结果相反，卤水实际上提高了水泥的最终强度。
各种盐类，最好是无机盐，是适用于本发明所用钻井液的，这些盐类包括但不限于NaCl，NaBr，KCl，CaCl2，NaNO3，NaC2H3O2，KC2H4O2，NaCHO2，和KCHO2，如上所述，其中以NaCl为最好。广义上讲，这些盐类都能用，如果愿意用的话，在不高于其饱和度的条件下使用。
本发明的另一特点，是能把钻井液和最终水泥浆的流变学特性满足特殊井眼的条件。由于使用矿渣作水凝材料得出的最终的粘结性水泥浆，这种水泥浆不会象加入波特兰矿渣水泥那样，在泥浆比较稀释时降低其性能。另一方面，加入矿渣并没有把极高的粘度赋予水泥浆。因此，如果愿意的话，可以使用高浓度的水凝材质。
然而，在本发明优选的方法中，使用钻井液，此后，在加高炉矿渣之前或在加的过程中再把钻井液稀释。稀释液可以是和制钻井液时用的液体相同，或者，也可用其它液体。一般来说，是卤水，如果钻井液是用卤水配帛的，更应用卤水作稀释液。也可用更浓的卤水，多数情况下，稀释液和配制初始钻井液用的液体都应优先选用海水。这对在海上钻井是特别有利的，用海上淡水不容易得到而海水是很容易取得的。相应的有利条件是从海上平台钻偏离垂向至少30°的井。
因此，作业工艺得到明显的改进。这是因为首先能选择钻井液密度，使其足以防止因地层压力而使地层流体进入井眼，但又要使钻井液不能破坏井壁而促使钻井液进入地层。利用稀释，其后再加矿渣的办法，粘结性水泥浆也能具有与钻井液一样适合特殊作业的密度。
可用两种方法中任一方法进行稀释。首先，把装钻井液的容器关闭，加入预定的水量或预定的稀释液量。然而，在优先选择的实施方案中，钻井液是以流动状态通过混合带，在“流动中”把稀释液加入流动着的液流中，其后，再加入高炉矿渣。这就避免了高粘度粘结性水泥浆的形成，因而可用泵通过管道输送，泵是因井装置上的，无需专门设计泵水泥浆的泵。在有些领域使用本发明就特别有价值，如海上钻机，再运送额外的泵水泥设备是极不方便的。根据要求，可把粘结性水泥浆的最终密度调制成钻井液初始密度30%不到和70%多之间任何值，较好的是15%不到和50%多，最好是基本相同，即变化不大于重量的±5%。
完钻之后，活化钻井液。加入活化剂(下面详细讨论)，再加入矿渣或两者同时加可做到这一点。较优先选择的是加矿渣和催化促凝剂。含水凝材料(而不是矿渣)的粘结性水泥浆也属本发明的范围，例如，火山灰和其它水凝材料。所说的“水凝材料”系指那种与水或其它活化剂接触就变硬或固化的材料。在粘结性水泥浆中的粘结材料的总量一般在57kg/m3-1712kg/m3之间，较好的是285-1430kg/m3，最好是428-1000kg/m3。多数优先选择的实施方案中，水凝材料完全或基本上是由矿渣制成的，而不加其它水凝材料。
在本发明的另一实施方案中，钻井作业时用普通钻井液，其后，<p>准函数名称的位置总是在类型符的内侧，即在第2或第4码位。
(2)函数类型符函数类型符0、1、2、3、4、6、7、8、9用于表征边角字。函数类型符“”(冒号)和“‘”(单引号)用于表征偏正字。其中“”用于表征左右型字(例如25型和85型);“‘”用于表征上下型字(例如45型和65型)。
2)函数码演示(1)边角字编码O型。假设有一汉字“
”并设“口”的代码为K。
则其编码为KOabc又设一汉字为“
”，并设“衣”的代码为I。
则其编码为IOabc再设一汉字为“
”，并设“行”的代码为X。
则其编码为XOabc1型。假设有一汉字“
”，并设“广”的代码为G。
则其编码为Glabc2型。假设有一汉字“
”，并设“匚”的代码为J。
则其编码为J2abc3型正式。假设有一汉字“
”，并设“走”的代码为Z。
D代表二价金属离子;以及d表示D离子数量(0-4之间);
T代表三价金属离子;
A代表除OH-外的化合价n的一价或多价阴离子，a是A阴离子数量，(m+2d+3+na)等于或大于3。
更详细的描述可在USA专利No.4，664，843中找到。
钻井液中的混合金属氢氧化物与炉渣相结合有助于在较短时间内，即约半小时，38℃的低温下生成强度相当大的水泥，在某些应用方面这可能是个重要优点。
钻井液中的适用的防失水添加剂包括
土粘土，羧甲基化淀粉，淀粉，羧甲基纤维素，SKW化学公司合成的树脂“POLYDRILL”，碘化褐煤，褐煤，木质素或鞣酸化合物。增重材料包括如重晶石，碳酸钙盐，赤铁矿和MgO。钻井液中使用的页岩稳定剂包括水解聚丙烯腈，部分水解的聚丙烯酰胺，盐类有NaCl，KCl，甲酸钠或钾，甲酸钠或醋酸钾，聚醚，多环醇和/或聚醇。增粘添加剂可用生物聚合物，淀粉，坡缕石和海泡石。添加剂也用来降低扭矩。适用的降粘剂如无铬和铬磺化木质素，磺化苯乙烯顺丁烯酐和聚丙烯酸酯，根据泥浆类型和比重，都可使用。润滑剂包括非离子去垢剂和油(柴油，矿物油，植物油，合成油)。控制碱度可用KOH，NaOH，或CaO。此外，其它添加剂有防腐剂，坚果壳等也能在普通钻井液中见到。当然，钻屑固相如石英矿物和粘土矿物(蒙脱石，尹利石，线泥石，高岭石等)也可在普通泥浆中见到。
钻井液中存在的其它添加剂包括低造浆粘土和中造浆粘土，羧甲基纤维素，聚丙烯腈，天然胶，分子脱水的磷酸酯，鞣酸化合物，坚木，矿采的木质素，磺化木质素类，云母，甘蔗纤维，和粒状矿物。除
土外，非晶的和结晶的粘土如高岭石，埃洛石，蒙脱石，微晶高岭土，尹利石，滑石，蛭石，绿泥石，绿坡缕石，海泡石，坡缕石和漂白土，可用于与混合金属氢氧化物结合。
活化剂或多种活化剂，在加矿渣之前与要用的其它组分一起加入，可与矿渣一起加入，也可在加矿渣之后再加入。
在某些情况下，可能需要把起缓凝作用的材料与活化剂一起使用，这是因为需要缓凝剂产生别的效应。例如，铬盐可与活化剂一起用作降粘剂。虽然它也起缓凝作用。
如上所述，活化剂无非是附加的高炉矿渣其浓度高到足以形成粘结性水泥浆。矿渣最终将水解并形成水泥，尤其是在高温环境或向井眼加热，都会加快凝固速度。
然而，最优先选用的是矿渣(在粘结性组成中数量上占优势，即钻井液中的矿渣和为形成粘结性水泥浆而加入的矿渣总量占大多数)和化学活化剂结合使用。适用的化学活化剂包括硅酸钠，氟化钠，氟硅酸钠，氟硅酸镁，氟硅酸锌，碳酸钠，碳酸钾，氢氧化钠，氢氧化钾，氢氧化钙，硫酸钠及它们的混合物。优先选用苛性钠(氢氧化钠)和苏打粉(碳酸钠)的混合物，这是因为它们的效果好而且容易购得。在使用苛性钠和苏打粉混合物时，因为它们均起促凝剂作用，所以其比值变化大，优选的是约2.8-57kg/m43的苛性钠、更为优选的是5-17kg/m3的苛性钠与5-143kg/m3、优选的是5-57kg/m3的苏打粉一起使用。“kg/m3”是指最终的粘结性水泥浆的每m3中的重量kg。
本发明的另一实施方案中，如前所述，钻井过程是用通用钻井液进行的，穿透许多地层钻一个井眼，并在井壁上形成泥饼。固井作业前，使活化剂与泥饼接触，例如，活化剂经钻柱向下，经钻柱与泥饼间的环形空间向上进行循环，或者，起出钻柱下套管，活化剂经套管向下，经环形空间向上进行循环。关于钻柱或套管使用的“向下”一词，是指向井的最远端的方向，虽然极少情况下井眼是水平状。同样的“向上”一词是指回返到井口的方向。优先利用钻柱进行循环，这是利用本方案的优点，泥饼“稳定着”，封堵气层，防止失水，或叫防井漏，为了保持井眼原状不必要起出钻柱而另下套管柱。也可用来稳定容易冲蚀的地层(如盐层，其盐可溶于水)或其它不稳定的地层。钻井完成之后，稀释钻井液，起出钻柱，再按前述方法进行固井。这项作业可用循环含有活化剂的独立流体完成，或把前述的碱类活化剂加入钻井液来完成。
本发明还论述海上钻井、固井方法，它包括用包括钻井柱和钻头的旋转钻井组件钻一口井，其中井的下部至少偏离垂向30°。
使用含57-143kg/m3矿渣、粘土、淀粉、部分水解的聚丙烯酰胺和重晶石的钻井液;
钻井液向下经钻柱，向上经钻柱与井壁间的环形空间进行循环，并在井壁上形成泥饼;
起出钻具组件，下套管;
向钻井液加入高炉矿渣，木质素磺酸盐降粘剂，和含苛性钠和苏打粉混合物的活化剂，调制成矿渣总含量为285-1430kg/m3的粘结性泥浆;
使粘结性水泥浆通过套管向下，进入并经套管与井壁形成的环形空间向上回返。
本发明还论述钻井和固井方法，它包括使用含水和矿渣的钻井液，用包括钻柱和钻头的旋转钻井组件钻和固一口倾斜井;
钻井过程中，经钻柱向下，经钻柱和井壁间的环形空间向上循环钻井液，从而得到用过了的钻井液;
起出钻具组件，下套管;
把旧钻井液与再加入的矿渣和活化剂结合，配制成粘结性水泥浆;
粘结性水泥浆经井眼向下并进入井壁与套管形成的环形空间向上返，把它作为替换液置换含水和矿渣的钻井液;
继续置换，直到替换液充满套管和环形空间的底部为止。
在上述顺序中也可用常规隔离液，此外，也可用备用液和/或隔离液从井眼中置换出含活化剂的废液，储存为下次使用或进行处理。
泥饼“稳固”的实例中，活化剂可用前述的碱性活化剂，如氢氧化钠和碳酸钠混合物。
现在参照下述试验通过实施例详细论述本发明。
用1677kg/m3下述组成的钻井液制备1665kg/m3通用钻井液20重量%盐(140000mg/L)、23-28kg/m3
土、11-17kg/m3羧甲基淀粉(Milpark公司销售的商品名为“BIOLOSE”)、1.4-2.8kg/m3部分水解的聚丙烯酰胺(PHPA)(Milpark公司的销售商品名为“NEWDRILL”)、2.8-3.6kg/m3CMC(Milpark公司的销售商品名为“MILPAC”)、86-200kg/m3钻屑、0-700kg/m3重晶石和114kg/m3高炉矿渣(Blue circle水泥公司的销售商品名为“NEWCEM”)。
通用钻井液设计成能在49℃-71℃温度下用的钻井液，并能产生稳固的泥饼较好地封隔油层，保护地层。用原尺寸的水平井模型测试通用泥浆的凝固作用。测试的通用钻井液表明在井下形成了泥饼。
通过模型循环这种1665kg/m3通用钻井液，而且形成了泥饼。然后加入前述的矿渣和活化剂，部分通用钻井液转变成1845kg/m3的粘结性水泥浆，并用来置换井眼模型中的通用钻井液，井眼模型加热93℃老化3周。该试验的最重要目的是在模拟的冲蚀段沉淀通用钻井液，并说明未置换的通用钻井液也可以尽可能差的物理条件下，形成封隔。
试验的目的是1)说明为消除试验模型中的未凝液体和泥饼，在井眼条件下未置换的1665kg/m3通用钻井液能够形成封隔;2)说明1665kg/m3通用钻井液能转变成令人满意的粘结性水泥浆并具有水泥的特性;3)说明通用钻井液/粘结性水泥浆作业能改进封隔油层(模型试验中提高了切力和水凝水泥胶结作用)并建立了侧向套管支撑。
试验条件用改变人造井眼模型的方法，专门造成三处冲蚀段(2.54，5.08和15.24cm宽)，改进模型上的置换试验是建立在下述现场条件上通用钻井液条件-钻一口直径27cm的倾斜井，井眼循环温度(BHCT)49℃-71℃。
水泥浆条件-井眼静态温度(BHST)93℃(5486m)。
置换模型-外径(OD)12.7cm，长4.6m的钢套管插入内径(ID)16.5cm的人造岩心中，模拟具有三处冲蚀段的地层，水平段用下述试验条件1)慢置换速度(159l/min)，以便不冲掉泥饼并保存已冲蚀段的未置换掉的通用钻井液，2)100%套管平衡(居中心位置)。
人造岩心(代表地层)在模型的内圆周上，具有渗透性的砂-环氧树脂混合物，厚4.45cm，(模型的钢套管-27.3cm OD，25.4cmID)。三处冲蚀段(无过渡带，边缘整齐)是在把总长度4.57m钢套管焊接前去掉部分砂-环氧树脂人造地层造成的，三处冲蚀段(2.54，5.08和15.24cm宽)的顶端，从井眼模型的底部起，分别位于1.5m，2.1m和3m处。如前所述，外径(OD)12.7cm的钢套管放在井眼模型内的中心位置，留下理论上的环形空间间隙为1.9cm，冲蚀段间隙6.35cm。
1.9cm的环空间隙模拟小井眼的窄环形空间。
沉积泥饼前述1665kg/m3通用钻井液，以速度447-636 l/min在饱和水的井眼模型中循环2小时。关闭井眼模型，用电加热到60℃并增压。在压差0.69MPa条件下收集滤液，在岩心上形成的泥饼约0.32cm厚。
置换在温度60℃条件下渗滤24小时后，以速率159l/min通过井眼模型循环通用钻井液，同时收集附加的滤液。在循环过程中，从普通钻井液中批量分出795l，加入457kg/m3NEWCEM牌矿渣，活化剂和缓凝剂把它转变成570kg/m3粘结性水泥浆，然后，加7kg/m3红色氧化铁给粘结性水泥浆染色。活化剂系统用11kg/m3苛性钠，40kg/m3苏打粉和17kg/m3SPERSENE CF”(MI Drilling Flrids公司生产的无铬磺化木质素)配制。用着色的粘性水泥浆，速率159-318l/min置换井眼模型中的普通钻井液，直到未染水泥浆的初始部分记录至为止。为了在模型中留下大量未置换的普通钻井液，采用慢速置换法。然后，以速率159-318l/min通过井眼模型循环粘结性水泥浆20分钟。
评价岩心在温度93℃条件下老化三星期之后，把井眼模型冷却至室温，然后拆卸模型并锯成三节。再把这三节锯成较小的节做进一步的剪切和水泥胶结性试验。
为了评价置换效率，把全部可用的截面都拍成照片。根据绘成的平面图，置换效率为55%，大斜度井眼模型清楚地反映出较低的置换效率。虽然把套管居中放置，但完全的处于中心位置是做不到的，在环形空间的狭窄处大量通用钻井液不能置换出来。
所说的置换效率是指被置换出的泥浆体积除以环形空间的体积乘100，置换为百分比。
因此，该例子说明了本发明在狭窄环形空间中使用的价值，从而推断出广义钻井的价值。
未置换出的通用钻井液的存在很明显的，从起始端到终端都有，尤其是在底部更明显。
虽然如此，发现通用钻井液泥饼和未置换出的通用钻井液封块都是非常坚硬的。用手持式穿透计测试说明通用钻井液泥饼和粘结性水泥浆具有大于5.1MPa的抗压强度(最大读数)。实际上尽管泵速低，高角度(90°)井和有三处冲蚀段，还是达到了优秀的固井作业。如果不用这种通用钻井液和粘结性水泥浆，置换效率55%，固井作业应该是很糟的。
锯开模型冲蚀部分并进一步评价。用纵向金刚石锯齿切成厚3-4cm的平行面薄片，这些薄片显示出地层，环形空间，冲蚀处以及变硬的通用泥浆，通用泥浆泥饼和粘结性水泥浆的新断面。
变硬的通用泥浆和它的泥饼，在2.54cm冲蚀处，5.08cm冲蚀处底部和15.24cm冲蚀处底部都可见到。冲蚀处渗透性地层面附近的高硬度是因失水通用泥浆浓缩造成的。变硬的通用泥浆显示的抗压强度约3.14-10.5MPa。虽然试样中有许多层理，但环形空间和冲蚀面都充分被固结了，整个层带的封隔是很好的。
另外，在置换过程中，取了8个矿渣粘结性水泥浆样品，在93℃温度下，做5cm见方的水泥模块硬化试验一星期，得到平均抗压强度13MPa，标准偏差1MPa。
水凝水泥胶结试验结果顶部(1.4m长)切成二小段，用荧光染色水在这些岩心上(0.7m长)进行原状水凝水泥胶结试验。二个孔眼(前、后)钻至岩心的套管，用环氧树酯装上接口，用液压泵通过接口泵入染色的水，记录下最大破裂压力作为水凝水泥的强度。测试结果如下岩心/测压孔 水凝水泥强度，MPaH-1 前 12.4H-1 后 2.7H-2 前 3.8H-2 后 5.2
剪固结力测试结果模型(1.4m长)的二底端切成5块作剪固结力试验。有冲蚀的样块不做剪固结力试验。剪固结力用水压机压出套管的方法测量，测量结果如下试样 管长(cm) 力(KN) 剪固结力(MPa)S-1 25 18 0.18S-2 23 86 0.93S-3 22 7.6 0.88*S-4 27 45 0.42S-5 27 24 0.22S-6 27 22 0.22S-7 27 7.0 0.06*S-8 22 8.9 0.10*＊锯岩心时受过损坏的试样。
此外，在置换过程中，取了四个矿渣粘结性水泥浆试样并在实验室剪固结力模块中固化〔模块钢管长10cm，外径3.8cm〕，温度93℃，固化一周。平均剪固结力0.32MPa。
由上述试验可得出下述结论。具有三处冲蚀的井段模拟试验说明用1665kg/m3通用钻井液是成功的。未置换的通用钻井液封隔层抗压强度在3.4-10MPa之间，得到了非常好的水凝水泥数据。虽然有变化，但剪固结力数据也是好的，这说明(1)即使在狭窄环形空间中除掉未凝固的钻井液封隔层，矿渣通用水泥就能达到100%的置换效果，(2)除掉未凝固的材质，高炉矿渣通用钻井液能提高套管的侧向支撑，并因其它未凝固部分的固化作用而产生附加强度，(3)矿渣通用钻井液，因提高了剪切力和水凝水泥胶结强度而提高了层带的封隔作用，(4)高密度矿渣通用粘井液能按配方制造，并可在高温下使用。
权利要求
1.一种钻井和固井方法，该方法包括用包括钻柱和钻头的旋转钻井组件和含高炉矿渣和水的钻井液钻一口广义井；钻井液经钻柱向下，经钻柱与井壁形成的环形空间向上进行循环，因此，钻井过程中在井壁上沉积成泥饼；起出钻具组件并下套管；向钻井液加入活化剂，生成粘结性水泥浆；粘结性水泥浆经套管向下，经套管与井壁形成的环形空间向上进行循环。
2.权利要求1所述的方法，其中，活化剂是额外的高炉矿渣和碱性剂。
3.权利要求2中所述方法，其中，碱性剂是苛性钠和苏打粉的混合物。
4.权利要求3所述的方法，其中，钻井液还含有磺化木质素降粘剂。
5.权利要求2所述的方法，其中，钻井液含57和143kg/m3高炉矿渣，其中再额外加入足够数量的高炉矿渣，以便形成粘结性水泥浆中粘结性材料的总量在285和1430kg/m3之间的粘结性水泥浆。
6.权利要求5所述的方法，其中，高炉矿渣是粘结性水泥浆中唯一的水凝组分。
7.权利要求2所述的方法，其中，钻井液的矿渣和活化剂的矿渣都是5-25重量%超细粒矿渣粉和80-95重量%细粒或微细粒矿渣粉的混合物。
8.权利要求1所述方法，其中，水含有溶解盐。
9.权利要求8所述方法，其中，溶解盐包括氯化钠。
10.权利要求9所述方法，其中，氯化钠的含量在0.2-5之间。
11.权利要求8所述方法，其中，水包括海水。
12.权利要求1所述方法，其中，钻井液还含有多环聚醚多元醇。
13.权利要求1所述方法，其中，井眼是从海上平台钻的油井，角度至少偏离垂向30°。
14.权利要求1所述方法，其中，钻井液含有粘土和混合的金属氢氧化物触变剂。
15.权利要求14所述的方法，其中，粘土是
土，混合的金属氢氧化物是MgAl(OH)4.7Cl0.3;其中磺化木质素降粘剂在加活化剂之前加入;其中活化剂包括额外加入的高炉矿渣和碱性剂。
16.权利要求1所述方法，其中包括起出钻具组件之前，活化剂经钻柱向下，然后上返与泥饼接触，因此使泥饼固结;此后进行另外的钻井作业。
17.一种海上钻井和固井作业的方法，该方法包括用包括钻柱和钻头的旋转钻井设备钻井眼，其中至少是井眼下部偏离垂向至少30°;使用含57-143kg/m3高炉矿渣、粘土、淀粉、部分水解的聚丙烯酰胺和重晶石的钻井液;钻井液经钻柱向下，经钻柱与井壁间的环形空间向上进行循环，因而在井壁上形成泥饼;起出钻具组件，下套管;向钻井液中加入高炉矿渣、磺化木质素降粘剂和含有苛性钾和苏打粉混合物的活化剂，生成粘结性水泥浆，其中矿渣总量在285-1430kg/m3之间;使粘结性水泥浆经套管向下，并上返进入套管和井壁形成的环形空间。
18.一种钻井和固井方法，该方法包括用包括钻柱和钻头的旋转钻井设备和含有水和高炉矿渣的钻井液钻、固一口倾斜井;钻井液经钻柱向下，经钻柱和井壁间的环形空间向上进行循环，因而生成用过的钻井液;起出钻具组件，下套管;把用过的钻井液与另外加入的高炉矿渣和活化剂相混合，生成粘结性水泥浆;把粘结性水泥浆经井眼向下，上返进入井壁和套管形成的环形空间，把它作为置换液替换含水和矿渣的钻井液;继续置换，直到置换液充满套管和环形空间底部为止。
全文摘要
广义钻井，有代表性的是从海上平台钻的各种倾斜井，这类井是用含水和高炉矿渣的钻井液钻的，在钻井过程中循环这种钻井液，在井壁上形成泥饼。此后，加入活化剂，一般是碱性材料和额外加入的高炉矿渣，生成粘结性水泥浆，这种水泥浆经套管向下，再上返进入环形空间，完成首次固井作业。
文档编号C09K8/20GK1086286SQ9311931
公开日1994年5月4日 申请日期1993年10月21日 优先权日1992年10月22日
发明者K·M·科万, A·H·哈尔 申请人:国际壳牌研究有限公司