用微粉化的加重材料降低磨蚀性的制作方法

专利名称：用微粉化的加重材料降低磨蚀性的制作方法
用微粉化的加重材料降低磨蚀性对相关申请的交叉引用本申请是共同未决美国专利申请11/737，284和11/737，303的部分继续，所述共 同未决美国专利申请11/737, 284和11/737，303分别为美国专利申请10/610,499的继 续申请和分案申请，所述美国专利申请10/610，499为美国申请09/230，302的部分继续， 所述美国申请09Λ30，302是于1997年7月16日提交的PCT国际申请PCT/EP97/003802 在35U. S. C. § 371之下的美国国家阶段申请，所述PCT国际申请PCT/EP97/003802又在巴 黎公约之下要求了于1996年7月24日提交的英国专利申请9615549.4的优先权。本申 请还是共同未决美国专利申请11/617，576的部分继续申请，所述共同未决美国专利申请 11/617，576是美国专利申请11/145，054的继续申请，所述美国专利申请11/145，054现在 为美国专利7，176，165，所述美国专利申请11/145，054要求美国临时专利申请60/576，420 的优先权。本申请还是共同未决美国专利申请11/617，031的部分继续申请，所述共同未 决美国专利申请11/617,031是美国专利申请11/145,053的继续申请，所述美国专利申请 11/145，053现在为美国专利7，169，738，所述美国专利申请11/145，053要求美国临时专利 申请60/576，420的优先权。本申请还是美国专利申请11/741，199的部分继续申请，所述 美国专利申请11/741，199要求美国临时专利申请60/825，156的优先权。以上列出的优先 权文件中的每一个都通过引用结合在此。
背景技术：
公开领域在本文中公开的实施方案总体上涉及在井下作业中使用的井眼流体。特别地，在 本文中公开的实施方案涉及具有降低磨蚀性的井眼流体。
背景技术：
在对自然资源如油和气的勘探中，使用钻井钻具组合钻入具有各种硬度的地层。 钻井钻具组合典型地包括安装在钻柱下端的钻地钻头，通过在地表旋转钻柱或通过启动井 下马达或涡轮，或者通过所述两种方法使所述钻地钻头旋转。当向钻柱施加重量时，旋转的 钻头嵌入地层并且前进以沿着朝向目标区域的预定路线形成钻孔。嵌入地层的机理取决于 在钻具组合中使用的钻头类型，并且可以为剪切、破碎、刮削或磨蚀机理中的任何一种。因 此这些井下工具在嵌入地层的同时不断地经受侵蚀力。钻井液被泵送到钻柱并且穿过钻头的表面，在那里其冷却并清洁钻头表面。在钻 井或完井时使用各种流体，并且可以出于多种理由而使用流体。井液的一般用途包括在普 通钻井或钻入(即，钻入目标含油地层)时润滑和冷却钻头切削表面；将“切屑”(由于钻头 上的齿的切削作用而移除的地层片)运输到地表上；控制地层流体压力以防止喷出；保持 井稳定性；将固体悬浮于井中；将正在通过其钻井的地层中的滤失最小化且使正在通过其 钻井的地层稳定；将井附近的地层压裂；用另一种流体置换井内的流体；将井进行清洗；对 井进行测试；将水马力传递到钻头上；将流体用于安置封隔器，废弃井或者准备废弃井，以 及另外用于对井或地层进行处理。
用于移除岩石切屑并冷却切削工具的暴露表面的井眼流体的适当运动，对于这些 切削工具的适当功能和性能而言是重要的。例如，孕镶金刚石钻头的切削面典型地包括意 为促进从钻头的中央充气部分(plenum)到外周的均勻流动的凹陷流路(fluid path)的设 置。流路通常将磨蚀层划分成不同的凸棱(raised rib)，其中金刚石暴露于所述棱的顶部。 流体对暴露的金刚石提供冷却并形成具有岩石切屑或钻屑的浆液。浆液在重新进入流路之 前必须穿越棱的顶部，这促使了支撑材料的磨损。通常，钻井液应当在压力下可泵送，通过钻管柱，然后通过并到达深入地层的钻头 头部周围，然后通过在钻杆外部与井壁或套管之间的环状空间返回到地表。除了提供钻井 润滑性和效率以及减缓磨损以外，钻井液还应当使固体粒子悬浮并向地表输送固体粒子以 进行分离和处置。此外，该钻井液应当能够使添加的加重剂(为了增加泥浆的比重)悬浮， 并且输送粘土和能够粘附到并包覆井眼表面的其它物质，所述加重剂通常为磨细的重晶石 (硫酸钡)。钻井液通常的特征在于是触变性流体体系。即，当被剪切时，例如当处于循环时， 它们表现出低的粘度(在泵送或与移动钻头接触过程中出现的)。然而，当停止剪切作用 时，该钻井液应当能够悬浮其所含的固体以防止重力分离。另外，当钻井液处于剪切条件下 并且接近自由流动的液体时，它必须保持足够高的粘度，以将来自井眼底部的所有多余的 粒状物质带到地表上。在传送到地表后，钻井液配剂还应当允许将切屑和其它多余的粒状 材料与液体部分分离。越来越需要具有能够使井，特别是深井或水平井的钻井更容易的流变剖面 (profile)的钻井液。具有定制的流变性的钻井液确保从井眼中尽可能有效率和有效地移 除切屑，以避免在井中形成切屑床，这可能导致钻柱被卡住，以及其它的问题。出于钻井液 水力学特别是关于当量循环密度的观点，还需要降低循环所述钻井液所需的压力。这有助 于避免将地层暴露于可能压裂地层，从而导致所述钻井液损失并且可能导致井损失的过度 压力下。另外，改善的剖面必需防止流体中的加重剂的沉降或流挂，如果这种情况发生，可 能导致循环流体体系中的不均勻密度剖面，这可能导致井控的丧失，如归因于气体/流体 注入，和井眼稳定性问题，如坍塌/裂缝。满足这些挑战所需的流体特性包括例如，流体必须容易泵送，因此需要最小量的 压力以迫使该流体穿过循环流体体系中的限制部分(restriction)，例如钻头喷嘴或井下 工具。换言之，在高剪切条件下，流体应当具有最低的可能粘度。相反，在其中流动面积大的 井的区域中，流体速度低，在此存在低剪切条件，或当流体静止时，流体粘度应当尽可能高， 以防止沉降、以悬浮并且以输送加重材料和钻出的切屑。然而，还应当指出，流体的粘度不 应当在静态条件下继续增加至不可接受的水平。另外，当复得流体循环时，这可能导致可以 压裂地层的过度压力，或者备选地，如果要求得到完全循环流体体系的力超过泵的限度，它 可能导致损失时间。井眼流体还必须对井眼的稳定性有贡献，并且控制来自地层孔隙的气体、油或水 的流动，以防止例如地层流体的流出或井喷，或加压的地层的倒塌。井眼内的液柱施加与井 眼的深度和流体的密度成正比的静压。高压地层可能需要比重为3.0以上的流体。如此， 对用于钻井液的加重剂主要基于它们为了保持井眼稳定性而提供的密度进行选择。此外，当钻头在钻井眼时磨坏或损坏时，有必要撤回钻柱以更换钻头。更换钻头和将钻柱返回到功能使用所需时间的量基本上从钻井作业中损失。此时间可能成为用于完井 的总时间的主要部分，特别是当井深度巨大时。因此归因于磨蚀的过度磨损还导致增加维 护和产量削减。井下设备的磨料磨损可能招致巨大损失。减少井下工具的磨料磨损可以减少用于维修的停工时间。这将延长用于钻井所耗 的时间并因此而提高钻井作业的效率和成本效益。因此，对于使井下工具的使用寿命最大 化存在日益增长的需求。发明概述一方面，本文中公开的实施方案涉及一种延长井下工具的平均使用期限的方法， 所述方法包括使井眼流体循环通过井眼，所述井眼流体包含微粉化的加重剂与分散剂包 覆的加重剂中的至少一种和基液；其中所述井眼流体的特征在于，与包含基液和API级重 晶石加重剂的基准井眼流体相比，其具有相等的重量、相等或更低的沉降速率、和相等或更 低的流挂(sag)中的至少一项；并且其中与使用基准井眼流体钻井相比，所述井眼流体减 少了井下工具的磨料磨损。另一方面，本文中公开的实施方案涉及一种润滑井下工具的方法，所述方法包括 使井眼流体循环通过井眼，所述井眼流体包含微粉化的加重剂与分散剂包覆的加重剂中的 至少一种和基液；其中所述井眼流体的特征在于，与包含基液和API级重晶石加重剂的基 准井眼流体相比，其具有相等的重量、相等或更低的沉降速率和相等或更低的流挂中的至 少一项，其中所述井眼流体包覆所述井下工具；并且其中与使用基准井眼流体钻井相比，所 述井眼流体减少了井下工具的磨料磨损。本发明的其它方面和优点将从以下说明和后附权利要求变得明显。附图简述

图1显示API耐磨试验的结果。发明详述在一方面，本文中公开的实施方案涉及使用井眼流体对地层进行钻井和完井。在 其它方面，本文中公开的实施方案涉及在对地层进行钻井和完井时通过使用包含基液和微 粉化的加重剂的井眼流体减少磨蚀。在其它方面，本文中公开的实施方案涉及在对地层进 行钻井和完井时通过使用包含基液和分散剂包覆的微粉化的加重剂的井眼流体减少磨蚀。 本文中公开的包含微粉化的和/或分散剂包覆的微粉化的加重剂的井眼流体，与典型的由 API级重晶石形成的井眼流体相比，提供了降低的磨蚀性。本文中公开的实施方案中使用的流体可以包含微粉化的加重剂。在一些实施方 案中，所述微粉化的加重剂可以是未包覆的。在其它实施方案中，所述微粉化的加重剂可 以包覆有分散剂。例如，在本文中公开的一些实施方案中使用的流体可以包含分散剂包 覆的微粉化的加重剂。包覆的加重剂可以通过干包覆法或湿包覆法形成。适用于本文中 公开的其它实施方案中的加重剂可以包括美国专利申请公布20040127366、20050101493、 20060188651，美国专利6，586，372和7，176，165以及美国临时申请60/825，156中公开的 那些，所述申请和专利的每一篇都通过弓I用结合在本文中。在本文中公开的一些实施方案中使用的微粉化的加重剂可以包括本领域技术人 员周知的多种化合物。在一个具体的实施方案中，加重剂可以选自以下材料中的一种或多 种，所述材料包括，例如，硫酸钡(重晶石)、碳酸钙(方解石)、白云石、钛铁矿、赤铁矿或其它铁矿石、橄榄石、菱铁矿、氧化锰和硫酸锶。本领域普通技术人员将意识到的是，对具体材 料的选择可以极大地取决于材料的密度，因为典型地，在任何具体密度的最低井眼流体粘 度是通过使用最高密度粒子获得的。然而，其它考虑可能影响对产品的选择，如成本、当地 可获得性、研磨所需功率、以及残留的固体或滤饼是否可以容易地从井中移除。在一个实施方案中，微粉化的加重剂可以具有在1至25微米范围内的d9(1和在0. 5 至10微米范围内的d50。在另一个实施方案中，微粉化的加重剂包含具有在2至8微米范 围内的d9(l和在0. 5至5微米范围内的d5(l的粒子。本领域普通技术人员将意识到的是，取 决于分级技术，加重剂可以具有不同于单峰分布的粒度分布。即，在各个实施方案中，加重 剂的粒度分布可以为高斯或非高斯的单峰的、双峰的或多峰的。已经发现的是，太细(即低于约1微米)的粒子占优势导致高流变糊料的形成。因 而出乎意料地发现了加重剂粒子必需足够小以避免流挂问题，而不能小到对流变有不利地 影响。因此，可以在没有不利地影响井眼流体的流变性质的情况下，使用符合本文中公开的 粒度分布标准的加重剂(重晶石)粒子。在一个实施方案中，将微粉化的加重剂分级使得 直径小于1微米的粒子为0至15体积直径在1微米至4微米之间的粒子为15至40体 积％ ；直径在4微米至8微米之间的粒子为15至30体积％ ；直径在8微米至12微米之间 的粒子为5至15体积％ ；直径在12微米至16微米之间的粒子为3至7体积％ ；直径在16 微米至20微米之间的粒子为0至10体积％;直径大于20微米的粒子为0至5体积％。在 另一个实施方案中，将微粉化的加重剂分级，使得累积体积分布为小于10%的粒子小于1 微米；小于25%在1微米至3微米的范围内；小于50%在2微米至6微米的范围内；小于 75%在6微米至10微米的范围内；以及小于90%在10微米至24微米的范围内。微粉化的加重剂的使用已经公开在美国专利申请公布20050277553中，该美国专 利申请公布20050277553转让给本申请的受让人并且通过引用结合在本文中。具有这些尺 寸分布的粒子可以通过几种手段获得。例如，可以商购分级的粒子，比如，具有如本文中公 开的类似粒度分布的合适的重晶石产品。可以获得粗磨的合适材料，并且可以通过已知技 术将所述材料进一步研磨至适宜的粒度。这样的技术包括喷射研磨，高性能干式研磨技术， 或本领域已知通常用于研磨粉末产品的任何其它技术。在一个实施方案中，可以从常规重 晶石研磨装置的产品流中有选择地移除适当分级的重晶石粒子，这可以包括从常规API级 重晶石研磨操作中有选择地移除细粉料。细粉料常常被视为研磨过程的副产品，并且常规 地将这些材料与较粗糙的材料共混以获得API级重晶石。然而，根据本公开内容，可以将这 些副产品细粉料经由空气分级器进一步加工以获得本文中公开的粒度分布。在又另一个实 施方案中，可以通过化学沉淀形成微粉化的加重剂。这样的沉淀产品可以单独使用或与机 械研磨的产品结合使用。在一些实施方案中，微粉化的加重剂包括固体胶态粒子，所述固体胶态粒子具有 包覆在粒子表面上的反絮凝剂或分散剂。此外，本领域普通技术人员将理解的是，术语“胶 态”是指粒子的悬浮液，并且不给予任何具体的尺寸限制。相反，本公开内容的微粉化的加 重剂的尺寸可以在范围内变化并且仅由本申请的权利要求限制。微粉化的粒度产生显示出 降低的沉降或流挂趋势的高密度悬浮液或浆液，同时粒子表面上的分散剂控制粒子间相互 作用，从而导致较低的流变剖面。因此通过用分散剂表面包覆粒子结合高密度、细粒度和胶 体相互作用的控制，使得高密度、较低的粘度和最小流挂的目标协调。
在一些实施方案中，可以在粉碎(研磨)过程中将分散剂包覆到粒状加重添加剂 上。也就是说，在相对高浓度的分散剂的存在下研磨粗糙的加重剂，以使新形成的细粒表面 暴露于分散剂并因而被分散剂包覆。推测这允许分散剂在粒子表面上找到了可接受的构象 (conformation)并从而包覆该表面。备选地，推测因为相对较高浓度的分散剂在研磨流体 中，这在钻井液中的分散剂相反，所述分散剂更有可能被吸附(物理地或化学地)到粒子 表面。如该术语在本文中所使用的，“表面的包覆”意在表示足够数目的分散剂分子被吸附 (物理地或化学地)或另外与粒子的表面紧密地缔合，使得材料的细粒不导致在现有技术 中观察到的粘度的快速上升。通过使用这样的定义，本领域的技术人员应当理解并认识到 分散剂分子实际上可能没有完全覆盖粒子表面，并且分子数目的量化是极困难的。因此，根 据需要，依赖于结果导向的定义。作为该方法的结果，人们可以通过在加入到井眼流体中之 前用分散剂包覆粒子而控制细粒的胶体相互作用。通过这样做，除了提高流体的滤失(过 滤)性能以外，还可以系统地控制包含在添加剂中的流体的流变性，以及对流体中的污染 物的耐受性。在一些实施方案中，加重剂包括包覆有聚合物反絮凝剂或分散剂的、重均粒子直 径(d5(l)小于10微米的分散的固体胶态粒子。在其它实施方案中，加重剂包括包覆有聚合 物反絮凝剂或分散剂的、重均粒子直径(d5(l)小于8微米的分散的固体胶态粒子；在其它实 施方案中，重均粒子直径(d5(l)小于6微米；在其它实施方案中，重均粒子直径(d5(l)小于4 微米；并且在另外的其它实施方案中，重均粒子直径(d5(l)小于2微米。细的粒度将产生将 表现出沉降或流挂趋势降低的悬浮液或浆液，并且在粒子表面上的聚合物分散剂可以控制 粒子之间的相互作用，因而将产生较低的流变剖面。细的粒度和对胶体相互作用的控制的 结合使得较低的粘度和最小流挂两个目标协调。另外，分散剂在粉碎过程中的存在产生了 能够形成更有效压紧的滤饼的离散粒子，从而有利地降低过滤速率。还可以在干混方法中进行用分散剂对微粉化的加重剂的包覆，使得该方法基本上 没有溶剂。所述方法包括将加重剂和分散剂以所需比率共混，以形成共混的材料。在一个实 施方案中，加重剂开始可以是未分级的并且取决于共混方法将粒子研磨至如上公开的所需 尺寸范围。备选地，可以用分级的加重剂开始所述方法。然后可以将共混的材料进料至热 交换系统，如热脱附系统。可以使用混合器如螺旋输送器使混合物前进通过热交换器。通 过冷却，聚合物可以保持与加重剂缔合。然后可以将聚合物/加重剂混合物分离为聚合物 包覆的加重剂、未缔合的聚合物、和可能已经形成的任何团聚体。如果需要，可以任选地将 未缔合的聚合物再循环到该方法的开始处。在另一个实施方案中，在不加热的情况下，单独 的干混方法可以用来包覆加重剂。备选地，在没有干混处理的情况下，可以通过如上所述的热吸附包覆分级的加重 剂。在此实施方案中，用于制备被包覆的底物(substrate)的方法可以包括将分级的加重 剂加热至足以使单体分散剂反应到加重剂上的温度以形成聚合物包覆的分级的加重剂，以 及回收聚合物包覆的加重剂。在另一个实施方案中，人们可以使用催化方法，以在分级的加 重剂的存在下形成聚合物。在又另一个实施方案中，聚合物可以预先形成，并可以被热吸附 到分级的加重剂上。在一些实施方案中，沉淀的加重剂可以由比重为至少2. 3的材料组成的粒子形 成；在其它实施方案中，比重为至少2. 4 ；在其它实施方案中，比重为至少2. 5 ；在其它实施方案中，比重为至少2. 6 ；并且在另外的其它实施方案中，比重为至少2. 68。例如，由比重为 至少2. 68的粒子形成的加重剂可以允许将井眼流体配制为满足大部分密度要求，而仍具 有低得足以使流体可泵送的微粒体积分数。如上所述，微粒化的加重剂的实施方案可以包括反絮凝剂或分散剂。在一个实施 方案中，分散剂可以选自分子量为至少150道尔顿的羧酸，如油酸和多元脂肪酸、烷基苯磺 酸、链烷磺酸、直链α-烯烃磺酸、磷脂如卵磷脂，包括它们的盐并包括它们的混合物。例 如,还可以使用合成聚合物,例如 HYPERMER OM-I (Imperial Chemical Industries，PLC，英 国伦敦)或聚丙烯酸酯。此类聚丙烯酸酯可以包括甲基丙烯酸十八酯和/或丙烯酸丁酯的 聚合物。在另一个实施方案中，可以使用相应的酸，即甲基丙烯酸和/或丙烯酸。本领域的 技术人员应认识到可以使用其它丙烯酸酯或其它不饱和羧酸单体(或其酯)，以获得与在 本文中公开的基本上相同的结果。当要将分散剂包覆的微粒化的加重剂用于水基液中时，在一个具体实施方案中， 可以使用分子量为至少2000道尔顿的水溶性聚合物。此类水溶性聚合物的实例可以包 括选自以下单体中的任何单体的均聚物或共聚物丙烯酸、衣康酸、马来酸或马来酸酐、 丙烯酸羟丙酯乙烯基磺酸、丙烯酰胺基2-丙磺酸、丙烯酰胺、苯乙烯磺酸、丙烯酸磷酸酯 (acrylic phosphate ester)、甲基乙烯基醚和乙酸乙烯酯、或它们的盐。在一个实施方案中，聚合物分散剂可以具有约10，000道尔顿至约300，000道尔顿 的平均分子量，在另一个实施方案中，可以具有约17，000道尔顿至约40，000道尔顿的平均 分子量，在又一实施方案中，可以具有约200，000-300, 000道尔顿的平均分子量。本领域的 普通技术人员应认识到，当在研磨处理的过程中将分散剂加入到加重剂中时，可以使用中 间分子量聚合物(10，000-300，000道尔顿)。此外，特别在本文中公开的实施方案的范围内的是，在本文中公开的干混方法之 前或与同时将聚合物分散剂聚合。此类聚合可以包括例如，热聚合、催化聚合、引发聚合或 其组合。在给定在本文中公开的微粉化的加重剂和分散剂包覆的微粉化的加重剂的粒状 性质的情况下，本领域的技术人员应当认识到可以将其它的组分与加重剂混合以改变各种 宏观性质。例如，可以包括抗结块剂、润滑剂、和用于减轻水分积聚的试剂。备选地，可以将 增强润滑性或帮助控制滤失的固体材料加到在本文中公开的加重剂和钻井液中。在一个说 明性实例中，加入细粉末的天然石墨、石油焦、石墨化炭、或这些的混合物，以改善钻井液的 润滑性、穿透速率、和滤失性以及其它性质。另一个说明性的实施方案利用磨细的聚合物材 料以给予钻井液各种特性。在加入此类材料的情况下，重要的是注意加入材料的量不应当 对钻井液的性质和性能具有显著的不利影响。在一个说明性的实施方案中，加入占小于5 重量％的聚合物滤失材料以增强钻井液的性能。备选地，加入小于5重量％的适当分级的 石墨和石油焦以改善流体的润滑性和滤失性能。最后，在另一个说明性的实施方案中，加入 小于5重量％的常规抗结块剂，从而有助于加重材料的散装储存。可以被包含在本文中公开的井眼流体中的其它添加剂包括例如，湿润剂、亲有机 性粘土、增粘剂、滤失控制剂、表面活性剂、分散剂、界面张力降低剂、PH缓冲剂、互溶剂、稀 释剂、降粘剂和清洁剂。对于配制钻井液和泥浆的领域中的普通技术人员，这样的试剂的加 入应当是熟知的。
可以将在本文中所描述的粒状材料(S卩，包覆的和/或未包覆的微粉化的加重剂) 以干燥形式加入钻井液中作为加重剂，或浓缩为水性介质中的浆液或有机液体的形式。如 已知的，有机液体应当具有油基钻井液的添加剂所要求的必需的环境特性。考虑到这一点， 油质流体可以具有在40°C小于10厘沲(10mm2/S)的运动粘度，并且出于安全原因，具有高 于60°C的闪点。合适的油质流体为例如，柴油、矿物油或凝析油、正烷烃或合成油如α-烯 烃油、酯油、这些流体的混合物、以及钻井领域技术人员已知的其它类似流体或其它井眼流 体制剂。在一个实施方案中，通过较粗糙的材料在适宜的载液中的湿磨获得所需粒度分布。上述分级的粒子(即，包覆的和/或未包覆的微粉化的加重剂)可以用于任何井 眼流体如钻井液、固井液、完井液、充填液、修井(维修)液、增产液、压井液、隔离液，和其 它用途的高密度流体，如在高粘(dense)介质分离液中或在船舶或其它交通工具的压舱液 中。本发明的流体的此类备选用途以及其它用途对于在知道本公开内容情况下的本领域技 术人员应当是明显的。依照一个实施方案，加重剂可以用于井眼流体制剂。井眼流体可以 是水基液、正乳液(direct emulsion)、逆乳液、或油基液。水基井眼流体可以具有作为基础液体(base liquid)的水性流体并且具有微粉化 的加重剂与分散剂包覆的微粉化的加重剂中的至少一种。水性流体可以包括淡水、海水、盐 水，水和水溶性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，可以用所需 的盐在淡水中的混合物配制水性流体。这样的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。在本文中公开的钻井液的各种实施方案中，所述盐水可以包括海水、其中 盐浓度低于海水的盐浓度的水溶液，或其中盐浓度高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，钠、钙、铝、镁、钾、锶和锂，以及氯化物、溴化物、碳酸盐、碘化 物、氯酸盐、溴酸盐、甲酸盐、硫酸盐、硅酸盐、磷酸盐、硝酸盐、氧化物和氟化物的盐。可以被 结合在盐水中的盐包括，存在于天然海水中的那些盐或任何其它的有机或无机溶解盐中的 任意一种或多种。另外，可以用于本文中公开的钻井液的盐水可以是天然的或合成的，其中 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(至多饱和)来控制。在一个具体实施方案中，盐水可以包括金属例如铯、钾、钙、 锌和/或钠的一价或二价阳离子的卤化物或羧酸盐。油基/逆乳液井眼流体可以包含油质连续相、非油质不连续相并且包括微粉化的 加重剂与分散剂包覆的微粉化的加重剂中的至少一种。本领域的普通技术人员应认识到， 可以根据所需应用将上述分散剂包覆的加重剂改性。例如，改性可以包括分散剂的亲水/ 疏水性。油质流体可以是液体，如天然的或合成的油，并且在一些实施方案中所述油质流 体选自包括下列的组中柴油；矿物油；合成油，如包括聚烯烃、直链和支链烯烃等的氢化 和非氢化烯烃、聚二有机硅氧烷、硅氧烷、或有机硅氧烷、脂肪酸酯、特别是脂肪酸的直链、 支链和环状烷基醚、它们的混合物和本领域技术人员已知的类似化合物；以及它们的混合 物。油质流体的浓度应当足够，使得逆乳液形成，并且可以少于逆乳液的约99体积％。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 逆乳液流体的约40体积％至约90体积％。在一个实施方案中，油质流体可以包括至少5 体积％的选自包括下列的组中的材料酯、醚、缩醛、碳酸二烷基酯、烃及它们的组合。在本文中公开的逆乳液流体的制剂中所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的组中海水、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及它们的组合。非油质流体的量典型 地小于用于形成逆乳液所需的理论极限。因此，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％。流体相可以包含水性流体或油质流体，或它们的 混合物。在一个具体实施方案中，可以将包覆的重晶石或其它加重剂包括在包含水性流体 的井眼流体中，所述水性流体包括淡水、海水、盐水、及它们的组合中的至少一种。本文中公开的井眼流体尤其可用于地下油井和气井的钻井、完井以及修本发明中 公开。特别地，本文中公开的流体可以在配制允许容易并且迅速移除滤饼的钻井泥浆和完 井液中找到应用。这样的泥浆和流体尤其可用于水平井进入含烃地层中的钻井。可以使用常规方法以与通常用于制备常规的水基和油基钻井液的方式类似的方 式制备本文中公开的钻井液。在一个实施方案中，将所需量的水基液和适量的微粉化的加 重剂和分散剂包覆的微粉化的加重剂中的至少一种混合在一起，并且在连续混合的情况下 依次加入钻井液的其余组分。在另一个实施方案中，将所需量的油质流体如基础油、非油质 流体和适量的一种或多种微粉化的和/或分散剂包覆的微粉化的加重剂混合到一起，并且 在连续混合的情况下依次加入其余的组分。逆乳液可以通过剧烈搅拌、混合或剪切油质流 体和非油质流体而形成。本文中公开的井眼流体的性质可以允许井眼流体满足在包括水平钻井的钻井过 程中的低流挂，以及当井眼流体静止时钻屑和加重剂的低沉降的要求。在一些实施方案中， 还发现了本文中公开的井眼流体在钻井时还可以提供降低的磨蚀性。可以将磨蚀性定义为材料通过摩擦将物质从另一种表面移除的性质。加重的井眼 流体由于悬浮在其中的加重剂而在性质是磨料。在泵送这些井眼流体通过钻井钻具组合 时，加重剂冲刷并磨损所有与其接触的表面。悬浮在流体中的钻屑也磨损所有与其接触的 表面。这些表面包括，例如，钻管、井下工具和泵。通过循环流体的连续磨蚀导致钻井钻具组 合的侵蚀磨损。如上所述，这种磨损可以导致钻头或钻井钻具组合的其它部件的故障。可 能中断钻井活动以更换磨损的部件。此停工时间可能在损失时间和损失生产率两方面而言 证明是昂贵的。可以通过利用耐磨试验来量化井眼流体的磨蚀性。例如，艾勒内尔法和API法可 以用于确定流体的磨蚀。典型地，耐磨试验测量特定形状的不锈钢混合器叶片在试验样品 中以11，OOOrpm运转20分钟后的重量损失。磨蚀性由失重速率量化并且以mg/min为单位 报告。矿物硬度、粒子尺寸和形状是影响加重材料的磨蚀性的组要因素。在一个实施方案中，如由艾勒内尔试验测量的，本公开的井眼流体可以具有小于 0. 3的磨蚀性。在另一个实施方案中，如由艾勒内尔试验测量的，本公开的井眼流体可以具 有小于0. 2的磨蚀性。在又另一个实施方案中，本公开的井眼流体可以具有小于0. 1的磨 蚀性。本公开的加重剂的微粉化的尺寸可以导致减少的摩擦系数(μ )。摩擦系数，也被 称为摩擦的系数，是描述两个物体之间的摩擦力与将它们压合在一起的力的比率的无量纲 标量值。摩擦系数取决于所用材料的性质，例如，光滑度和粘附性，并且可以在接近0至大 于1的值的范围内。本公开的井眼流体包含微米分级的加重剂，其可以倾向于降低摩擦系数。作为结果，所述井眼流体的磨蚀性可以小于含有更大更不规则粒子的常规井眼流体的 磨蚀性。在一个实施方案中，本公开的井眼流体可以具有比基准钻井液小至少30%的摩擦 系数。在另一个实施方案中，本公开的井眼流体可以具有比基准钻井液小至少20%的摩擦 系数。在又另一个实施方案中，本公开的井眼流体可以具有比基准钻井液小至少10%的摩 擦系数。如本文中所述的具有低流变剖面的井眼流体可以因此允许操作者获得更长的井 下工具使用寿命，并因此提高井的运行效率。本申请人令人惊讶地发现了在本文中公开的 流体的实施方案具有比常规井眼流体小的磨蚀性。使用如本发明中所述的井眼流体可以因 此而延长钻井钻具组合的各种部件的使用寿命。
实施例以下实施例用于示例本公开的井眼流体的性质和性能，尽管本发明不限于在这些 实施例中所示的具体实施方案。实施例I以下实施例包括示例性的井眼流体，以及显示它们的流变性质和它们的磨蚀性的 实验数据。如下表1中所示配制两种流体，一种含有分散剂包覆的微粉化的加重剂，如本文 中所述的流体(包覆的)，以及一种含有API级重晶石(API)。如下表1中所示用磅/桶(ppb)表示各个组分的量(EMUL HT 和TRUVUS 各自可 获自德克萨斯州休斯顿的M-I LLC)。表 权利要求
1.一种延长井下工具的平均使用期限的方法，所述方法包括使井眼流体循环通过井眼，所述井眼流体包含微粉化的加重剂与分散剂包覆的加重剂 中的至少一种和基液；其中所述井眼流体的特征在于，与包含基液和API级重晶石加重剂的基准井眼流体相 比，其具有相等的重量、相等或更低的沉降速率和相等或更低的流挂中的至少一项；并且 其中与使用所述基准井眼流体钻井相比，所述井眼流体减少了所述井下工具的磨料磨损。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述井眼流体与所述基准井眼流体相比拥有小于 0. 3的磨蚀性。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述井眼流体与所述基准井眼流体相比拥有小于 0. 2的磨蚀性。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述井眼流体与所述基准井眼流体相比拥有小于 0. 1的磨蚀性。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述井眼流体的摩擦系数比所述基准井眼流体的 摩擦系数小至少30%。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述井眼流体的摩擦系数比所述基准井眼流体的 摩擦系数小至少20%。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述井眼流体的摩擦系数比所述基准井眼流体的 摩擦系数小至少10%。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述井眼流体包含加重剂，所述加重剂是选自以 下各种中的至少一种重晶石、碳酸钙、白云石、钛铁矿、赤铁矿、橄榄石、菱铁矿和硫酸锶。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述加重剂包覆有分散剂，其制备方法包括将微 粉化的加重剂与分散剂干混以形成被所述分散剂包覆的微粉化的加重剂。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述加重剂包含其上有包覆层的胶态粒子。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述包覆层包含选自下列各种中的至少一种 油酸、多元脂肪酸、烷基苯磺酸、链烷磺酸、直链α烯烃磺酸、它们的碱土金属盐，聚丙烯酸 酯，以及磷脂。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述微粉化的加重剂具有小于约20微米的粒度d90O
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述微粉化的加重剂具有小于约10微米的粒度d90O
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述微粉化的加重剂具有小于约5微米的粒度d90O
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述基液为油质流体和非油质流体中的至少一种。
16.一种润滑井下工具的方法，所述方法包括使井眼流体循环通过井眼，所述井眼流体包含微粉化的加重剂与分散剂包覆的加重剂 中的至少一种和基液；其中所述井眼流体的特征在于，与包含基液和API级重晶石加重剂的基准井眼流体相比，其具有相等的重量、相等或更低的沉降速率和相等或更低的流挂中的至少一项； 其中所述井眼流体包覆所述井下工具；并且其中与使用所述基准井眼流体钻井相比,所述井眼流体减少了所述井下工具的磨料磨损。
全文摘要
本发明公开了一种延长井下工具的平均使用期限的方法，所述方法包括将包含微粉化的加重剂与分散剂包覆的加重剂中的至少一种和基液的井眼流体循环通过井眼；其中井眼流体的特征在于与包含基液和API级重晶石加重剂的基准井眼流体相比，其具有相等的重量、相等或更低的沉降速率、相等或更低的流挂中的至少一项；并且其中与使用基准井眼流体钻井相比，所述井眼流体减少了井下工具的磨料磨损。
文档编号C09K8/03GK102119204SQ200980131418
公开日2011年7月6日 申请日期2009年8月13日 优先权日2008年8月13日
发明者安德鲁·布雷德伯里, 贾罗德·马萨姆 申请人:M-I钻井液英国有限公司