专利名称：含细泡沫的水性钻井和维护流体的制作方法
本专利申请是US专利申请No.08/800,727(02/13/97申请)和PCT国际专利申请No.PCT/US98/02566(02/10/98申请)的部分延续申请；在此要求了它们每一个的优先权。
这些生产区也受到随流体携带至开口的固体的损害。钻井液和滤液运动经过这些开口也引起在地层中适当位置的固体的移位和迁移。这些固体能够限制和阻断所生产的烃类的运动。
侵袭是由一般大于地层压力的静液柱差压引起的，尤其在低压力区或贫化区。侵袭也归因于在岩石中的开口和流体流过岩石的能力、该区的孔隙度与渗透率。
因为这一差压，钻孔机长期以来使用滤液控制机理来控制钻井液和滤液运动到和穿过地层开口。这一机理涉及将颗粒加入到钻井液中，它们然后在循环和钻井的同时沉积到钻孔壁上。这些颗粒通常是膨润土、淀粉、木质素、聚合物、重晶石和钻屑的一些混合物。它们因为粒度和形状方面的原因而用于堵塞和密封钻孔，一些控制也归因于当使用水溶性聚合物时滤液的粘度。虽然这一孔壁泥饼形成了半透性阻隔层，在孔壁泥饼形成之前和之后一些滤液穿过和进入该区域。
然而孔壁泥饼控制不是完全，一些滤液水被允许与该生产区接触。孔壁泥饼浆的另一缺点是当滤液穿过时，固体被筛出和留在滤泥饼中。这使泥饼变得更稠并可导致钻杆柱的差压卡钻。
最近的技术已见到了低剪切速率粘度(LSRV)流体的开发。通过向水或盐水中添加特殊的聚合物形成钻井液可得到LSRV。这些聚合物具有在非常低的剪切速率下产生极高粘度的独特能力。这些LSRV流体因为它们的承载能力和固体悬浮能力而已经广泛地使用。它们已经被接受作为最大程度减少在高角度和水平生产井中岩屑垫层形成的途径和作为减少在高重量泥浆中重晶石沉降的途径。
最近的研究和现场试验已显示，这一LSRV有助于通过对进入地层开口中的运动构成高阻力来控制钻井液和滤液的侵袭。因为该流体以非常低的速率运动，所以粘度变得非常高，且在钻孔内含有钻井液，并有非常轻微的穿透。这在保护这些区域不受损害以及减少这些流体中差压卡钻的方面是有益的。例如参见标题为“套管钻进流体改进大斜度井生产(Drill-In Fluids Improve High Angle Well Production)”的文章，其为Petroleum Engineer International(1995年3月)的附件。
循环液漏失在回转钻进中是严重的问题。当静液柱的差压大于地层压力时发生循环液漏失。岩石中的开口能够接受和贮存钻井液，从而使它不返回表面用于再循环。该流体在井下损失掉，会成为昂贵和危险的问题。循环液漏失能够导致井壁不稳定，卡住钻管，和井失控。至少，它妨碍钻井作业和要求使用昂贵的替换体积。
除了损失的流体体积之外，还需要昂贵的堵漏材料(LCM)。这些通常是纤维质、粒状或碎片物质，如纤维、木纤维、棉籽皮、坚果壳、云母类、玻璃纸和许多其它物质。这些LCM物质被加入到流体系统中以使它们被携带至漏失区中并聚集形成桥，在桥上其它物质开始积聚和密封。这些LCM材料本身有损于这些区域，因为它们必须常常被携带在钻井液中以保持循环，所以固体清除停止并导致形成高固体含量泥浆。
通过对钻井液充气来校正钻井液的循环漏失的方法公开于US专利2,818,230(Davis)和4,155,410(Jackson)中。
随着低压地层的开发变得越来越重要，负压钻井的使用已在增加。尤其是水平钻井已经增加了钻过不仅低压而且高度破裂的或可渗透的区域的需要。具有低地层压力的许多断裂层或开口的暴露已加剧了循环液漏失和地层侵袭的问题。必不可少的井下工具常常避免了使用桥堵材料来阻止这些损失。这使得需要使用负压钻井技术来控制这些区域的漏失和侵袭。这些技术中的一些包括使用空气、雾汽和泡沫钻井液。这些钻井液的问题包括井眼净化、地层流体的控制、侵蚀和对昂贵、常常很难获得的设备如压缩机和增压器的需求。此类流体不是可以再循环的，它们必须随着钻井的进行而恒定地产生。
本发明的一个目的是提供可再循环的钻井和维护流体，它具有增强的低剪切速率粘度(以下缩写成“ELSRV”)，含有细泡沫。
本发明的另一目的是提供在钻井和维护操作中桥连和密封地下岩层的方法。
本发明的这些和其它目的在阅读说明书和权利要求之后对于所属领域的技术人员来说变得更加清楚。
该方法可包括所述步骤与所述物质；主要由所述步骤和所述物质组成；或由所述步骤和所述物质组成。该组合物能够包括所述物质；主要由所述物质组成；或由所述物质组成。
发明的优选实施方案在最宽方面，本发明涉及在含水的钻井和维护流体(下面有时候称作“AWDASF”)中引入细泡沫，所述AWDASF可以是具有所需特性的新制备的AWDASF。通过提高AWDASF的低剪切速率粘度(LSRV)到至少10,000厘泊，优选至少20,000厘泊，和最优选到至少40,000厘泊，可获得稳定的含细泡沫的AWDASF。因为随着LSRV的增加使细泡沫的稳定性增强，所以数十万的LSRV是可取的。
通过将(1)细泡沫产生性表面活性剂引入到AWDASF中和之后在AWDASF中产生细泡沫或(2)在与AWDASF相容的一种液体中产生细泡沫和将含细泡沫的流体与AWDASF混合，可获得细泡沫。
Felix Sebba的标题为“Foams and Biliquid Foams-Aphrons”的一书(John Wiley&Sons，1987，引入本文供参考)是有关细泡沫即微泡的制备和性质的很好的参考书。细泡沫是由包封在薄壳内的芯构成，该芯常常是球形内相(常常为气体)。这一壳体含有表面活性剂分子，在定位排列后可产生有效阻隔作用以防止与相邻细泡沫的聚结。
当首先产生时，该细泡沫含有直径至多达到约200微米的宽粒度分布。在大气压力下，直径非常小的细泡沫非常快速地消失，留下在25微米到大约200微米粒度范围的细泡沫。这归因于细泡沫内的过压，它随着细泡沫的直径的减少而增加。因此较小细泡沫倾向于通过将它们的气体转移到具有较低过压的较大细泡沫中而在尺寸上减小。
对于本发明的含细泡沫的钻井和维护流体的情况，优选的是随着流体离开钻头而在井下产生细泡沫。该流体处在由流体静压以及由循环系统产生的压力损失组成的显著压力下。人们相信这一流体压力补偿了细泡沫内的过压，使得小于大约25微米的细泡沫被稳定一段时间，直到它们循环到钻孔上为止。该细泡沫因此能够在暴露地层的孔隙空间内穿过，在其中它们能够膨胀和聚集，这是因为在地层内有较低的孔隙压力，该细泡沫还能够从任何流体的入口来密封孔隙空间。微裂纹等将被细泡沫填满，这些细泡沫同样在地层内膨胀和聚集来密封该微裂纹。
由于压力降低、温度增加和空穴化引起的蒸汽压的升高是井下环境中常见的。可存在于流体中的某些溶剂也影响蒸汽压，以提供形成细泡沫所需要的气体。
当细泡沫在被再循环之前从钻孔流入表面收集槽(surface holdingtanks)(“凹槽(pits)”)中时，用肉眼在流体中可观察到足够大的无需放大就能看见的细泡沫。通常该流体流过筛子以除去钻屑。细到200目(74微米筛眼)的筛子能够对本发明的流体使用。大于该筛孔尺寸的细泡沫将从流体中除去。如果需要，在流体中的细泡沫的粒度能够用可商购的各种粒度分析器来测定。例如参见以下文章(1)“微泡产生和与胶态颗粒的相互作用(MicrobubblesGeneration and Interaction withColloid Particles)”，James B.Melville和Egon Matijevic，泡沫(Foams)中的第14章，R.J.Akers编辑，Academic Press，1976；(2)“使用胶体状气体细泡沫从废水中分离有机染料(Separation of Organic Dyes fromWastewater by Using Colloidal Gas Aphrons)”，D.Roy，K.T.Valsaraj和S.A.Kottai，分离科学与技术(Separation Science and Technology)，27(5)，pp.573-588(1992)。这些文章被引入本文供参考。
在向下再循环到钻杆柱和通过钻头之后，将产生附加的细泡沫，只要表面活性剂的浓度是足够的。希望连续或间歇地向流体中添加附加的表面活性剂，直至产生所需量的细泡沫为止。
该细泡沫能够由所属领域中已知的方法产生。除了Felix Sebba在他的书(前面所引用)中公开的方法以外，还有许多方法公开于Michelsen等人的US专利No.5,314,644(引入本文供参考)，Yoon等人的US专利No.5,397,001(引入本文供参考)，Kolaini US专利No.5,783,118(引入本文供参考)，Wheatley等人US专利No.5,352,436(引入本文供参考)，和US专利No.4,162,970；4,112,025；4,717,515；4,304,740；和3,671,022(各引入本文供参考)中。该AWDASF然后在钻孔中连续循环。应该指出的是，含有所夹带空气的具有较低LSRV的普通钻井液能够引起严重的泵抽问题。适当地配制成具有细泡沫和升高的LSRV，与在本发明中一样，这些流体能够容易地泵抽。
如有必要，空气或其它气体能够引入到流体中以便夹带更多的气体用于形成细泡沫。所使用的气体可以是不会显著溶于该流体的液相中的任何气体。因此该气体可以是空气、氮气、二氧化碳、有机气体等，包括在混合过程中包封在流体中的空气。
流体中细泡沫的量取决于所需要的密度。通常，该流体含有小于大约20％(体积)的细泡沫，优选小于大约15％(体积)的细泡沫。因此，可在表面上监测该循环流体的密度，如果密度太高的话，则根据需要添加附加的表面活性剂以保持所需密度，如果密度太低的话，则添加增重物质。能够通过破坏或降低该流体的LSRV，因此使包围该细泡沫的含表面活性剂的外壳不稳定化，而确定细泡沫在流体中的量。对流体的体积变化的测量将表示出在流体中细泡沫的体积％。优选通过将在大气压力下流体的密度与在升高的压力下流体的密度对比来测定细泡沫在该流体中的量，如用加压泥浆天平来测量。
该AWDASF包括在其中引入了增粘剂以使AWDASF具有至少10,000厘泊、优选至少20,000厘泊和最优选至少大约40,000厘泊的LSRV的含水液体、细泡沫产生性表面活性剂和细泡沫，和任选的防粘剂。增强包围所述细泡沫的液相的粘度的任何增粘剂将增强它们的稳定性；然而，我们发现提供为本发明所需要的高LSRV的那些增粘剂具有极长时间延迟细泡沫的聚结的独特性能。
没有哪一种已知的现有技术公开了在目前使用的高压下的体系中使用细泡沫(或微泡)。众所周知的是随着深度的增加，在钻孔内流体的流体静压增大。因此，虽然该微泡的尺寸被压缩了，但是升高的LSRV据信可以防止细泡沫发生凝聚。在这点上，在井的表面上，该细泡沫能够具有较大尺寸，只要它们是独立的泡，因为随着它们被沿着钻孔向下泵抽时它们在尺寸上将减少到低于约100微米的细泡沫尺寸范围。
该基本的含水液体可以是淡水、海水或含有可溶性盐如氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化镁、溴化钠、溴化钾、溴化钙、溴化锌、甲酸钠、甲酸钾、甲酸铯和它们的混合物的盐水。该盐水可含有至多达到饱和的任何所需浓度的一种或多种可溶性盐。事实上，当无固体的流体不是所需要或要求的时，能够使用过饱和的盐水。
本领域中已知有许多措施来增强液体的低剪切速率粘度。因此含水的体系能够用某些聚合物来增粘，该聚合物产生显示高度屈服应力、剪切稀化的性能的流体。特别有用的是利用在合适底物上的细菌、真菌或其它微生物的作用来生产的生物聚合物。示例性的生物聚合物是利用野油菜黄单胞菌(Xanthomonas campestris)的作用产生的多糖，已知为黄原胶。这些可从几个供应商获得，包括Kelco Oil FieldGroup，Inc.，商标“Xanvis”和“Kelzan”；Rhone-Poulenc Chimie Fine公司，商标“Rhodopol 23-p”；Pfizer Inc.公司，商标“Flocon 4800C”；英国伦敦的Shell International Chemical Company，商标“Shellflo ZA”；和Drilling Specialties Company，商标“Flowzan”。例如参见US专利No.4,299,825和US专利No.4,758,356，各引入本文供参考。可用于本发明的流体中的其它生物聚合物是用产碱杆菌属(Alcaligenes)的微生物的发酵所产生的所谓维兰胶(welan gum)。例如参见US专利No.4,342,866，引入本文供参考。洁冷胶(gellan gum)公开在US专利No.4,503,084，引入本文供参考。由菌核属的真菌生产的Schleroglucan多糖公开在US专利No.3,301,848中，引入本文供参考。市场上可买到的schleroglucan以商标“Polytran”从Pillsbury Company和以商标“Actigum CS-11”从CECA S.A购买到。Succinoglycan多糖是通过按照欧洲专利No.A40445或A138255中所述，培养假单孢杆菌属、根瘤菌、产碱杆菌属或土壤杆菌属的粘泥形成菌种，例如假单孢杆菌属菌种NCIB 11264、假单孢杆菌属菌种NCIB 11592或土壤杆菌属氮固定菌NCIB 11883或它们的突变种来生产的。市场上可买到的琥珀酰聚糖生物聚合物是由英国伦敦的Shell International Chemical Company以商标“Shellflo-S”销售的。
使含水液体产生剪切稀化流变性能的其它水溶物聚合物包括藻酸衍生物，如羟丙基海藻酸酯、海藻酸钠、海藻酸钙钠、海藻酸钙铵等。海藻酸钠溶液与二阶阳离子如与钙盐的原位交联将产生升高的低剪切速率粘度。
Miller等人的US专利No.4,707,281(引入本文供参考)公开了包含高丙酮酸黄原胶(含有约5-9wt％丙酮酸)和刺槐豆胶的一种添加剂提高含水钻井和完井液的LSRV，其中高丙酮酸盐黄原胶与刺槐豆胶的重量比是大约40∶60到80∶20。
Daigle的US专利No.3,953,336公开了具有增强的LSRV的剪切稀化钻井液是从含水的液体、多糖如黄原胶和纤维素衍生物如羟乙基纤维素(HEC)、羧甲基纤维素(CMC)或羟丙基纤维素(HPC)制备的，其中黄原胶与纤维素衍生物(优选HEC)的重量比是80∶20到20∶80。
提高该流体的低剪切速率粘度所需要的聚合物的最小浓度可通过常规试验来确定。因此该最小浓度是足以使该流体具有所需低剪切速率粘度的量。通常该流体含有大约1.4kg/m3(0.5ppb)到大约28.5kg/m3(10ppb)，优选大约2.85kg/m3(1.0ppb)到大约14.3kg/m3(5.0ppb)的浓度。
Patel等人的US专利No.5,134,118(引入本文供参考)公开了用于增加水性钻井液的LSRV的聚合物，它包括以下组分的混合物(1)水溶物聚合物，其为(i)25-75wt％的2-丙烯酰胺基-2-甲基-丙烷磺酸；(ii)0.5-50wt％的N，N-二甲基丙烯酰胺；(iii)至多60wt％的丙烯酰胺；(iv)至多25wt％的苯乙烯磺酸的反应产物；和(2)胶凝剂，选自部分水解的聚丙烯酰胺、生物聚合物、膨润土、硅镁土和它们的组合。
Neff等人的US专利No.4,861,499(引入本文供参考)公开了通过在其中分散水溶性组合物来提高含水液体的低剪切粘度，该组合物主要由以下组分组成(1)由(a)丙烯酰胺；(b)2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸盐、丙烯酸或丙烯酸二甲氨基乙酯金属氯化物盐和(c)丙烯酸C8-C20烷基酯组成的水溶性三元共聚物；和(2)水溶性无机盐。
某些含水的液体能够用分散的蒙脱石粘土如钠基膨润土和混合的金属氢氧化物的混合物来增粘，如在US专利No.4,664,843和5,094,778中所述(两者引入本文供参考)。实际上通过适宜地将含水的膨润土分散体加以絮凝化或通过在其中引入25ppb或更多的非增效的钠基膨润土，能够获得具有增高的LSRV的含水液体。
Glass，Jr.的US专利No.4,561,985(引入本文供参考)公开了含有膨润土的钻井液，其含有增效该膨润土的添加剂，该添加剂包括(1)非离子、水溶性的多糖，选自(i)非离子、水溶性的纤维素衍生物，(ii)非离子的水溶性的瓜尔胶衍生物；或(2)阴离子型水溶性多糖，选自(i)羧甲基纤维素或(ii)野油菜黄单胞菌多糖；或(3)它们的组合；和(4)中等分子量的聚二醇，它选自聚乙二醇、聚丙二醇和聚(链烷二醇)，具有平均分子量为大约600到大约30,000，该聚二醇是以在钻井液中在粘土和多糖之间有效提供相容性的量使用的。该膨润土/添加剂混合物提供具有提高的低剪切率粘度的含水基本钻井液，它是剪切稀化的。
用于本发明的解卡液中的细泡沫产生性表面活性剂必须与其中的基本液体和增粘剂相容，以使流体的LSRV能够保持。该表面活性剂还具有引入其中的一种或多种稳定剂，如烷基醇类、脂肪族链烷醇酰胺和烷基甜菜碱。通常该烷基链含有大约10到大约18个碳原子。该细泡沫产生性表面活性剂可以是阴离子、非离子或阳离子型，这取决于与增粘剂的相容性。年度出版物“McCutcheon氏乳化剂&洗涤剂”，MC Publishing Co.，McCutcheon Division，列出了许多表面活性剂和它们的制造厂家。优选的阴离子发泡型表面活性剂是烷基硫酸盐、α-烯烃磺酸盐、烷基(醇)醚硫酸盐、精制的石油磺酸盐和它们的混合物。这些表面活性剂一般含有具有8到大约个18碳原子，优选大约12到大约16个碳原子的烷基链。优选的非离子型表面活性剂是具有大约10到大约18个碳原子，优选大约12到大约16个碳原子的烷基链长度的乙氧基化醇和胺氧化物。氟化烃基表面活性剂对于其中含油的液体是连续相的体系是优选的。
代表性可商购表面活性剂是(1)烷基硫酸盐-DUPONOLTMBrand，Witco Corp；RHODAPONTMBrand，Rhone-Poulenc；STEOLTMBrand，Stepan Co.；(2)α-烯烃磺酸盐-WITCONATETMAOS和3203，WitcoCorp.；STEPANTANTMAS-40，Stepan Co.；RHODACALTMA-246/6，Rhone-Poulenc；(3)烷基醚硫酸盐-WITCOLATETMBrand，Witco Corp.；RHODAPLEXTMBrand，Rhone-Poulenc；SULFOCHEMTMBrand，Chemron Corp；(4)石油磺酸盐-BASETMBrand，Keil Chemical；MONALUBETM605，Mona Industries Inc.；WITCONATETMNAS-8，Witco Corp.；(5)乙氧基化醇类-ALFONICTMBrand，Vista Chemical Co；SURFONICTMBrand，Huntsman Corp.；NEODOLTMBrand，ShellChemical Co.；(6)胺氧化物-AMMONYXTMBrand，Stepan Co.；RHODAMOXTMBrand，Rhone-Poulenc；CHEMOXIDETMBrand，Chemron Corp；(7)甜菜碱-CHEMBETAINETMBrand，Chemron Corp.；REWOTERICTMBrand，Witco Corp.；MIRATAINETMBrand，Rhone-Poulenc；(8)氟化烃基表面活性剂-FLUORADTMBrand，3M Co.；ZONYLTMBrand，E.I.Dupont De Nemours&Co.；(9)脂肪族链烷醇酰胺-ALKAMIDETMBrand，Rhone-Poulenc；AMIDEXTMBrand，Chemron Corp；WITCAMIDETMBrand，Witco Corp。
在Schutt等人的US专利No.5,639,443(引入本文供参考)中公开了用于形成微泡的合适表面活性剂包括聚氧化丙烯-聚氧乙烯的嵌段共聚物、糖酯、脂肪族醇、脂族胺氧化物、透明质酸脂族酯、透明质酸脂族酯盐、十二烷基聚(乙烯氧基)乙醇、壬基苯氧基聚(乙烯氧基)乙醇、羟乙基淀粉、羟乙基淀粉脂肪酸酯、葡聚糖、葡聚糖脂肪酸酯、山梨糖醇、山梨糖醇脂肪酸酯、明胶、血清白蛋白、磷脂、聚氧乙烯脂肪酸酯如聚氧乙烯硬脂酸酯、聚氧乙烯脂肪族醇醚、聚乙氧基化脱水山梨糖醇脂肪酸酯、甘油聚乙二醇氧代硬脂酸酯、甘油聚乙二醇蓖麻油酸酯、乙氧基化大豆甾醇类、乙氧基化蓖麻油和它们的氢化衍生物、胆固醇、具有12到24个碳原子的脂肪酸或它的盐；和在溶液中形成有序结构和产生非牛顿粘弹性的表面张力的表面活性剂，如糖基表面活性剂和蛋白质或糖蛋白表面活性剂。一种优选类型的表面活性剂具有糖或其它碳水化合物头基，和烃或氟化烃尾基。很多的糖已知能够用作头基，包括葡萄糖、蔗糖、甘露糖、乳糖、果糖、右旋糖、醛糖等等。尾基优选具有2-24个碳原子，优选通过酯键以共价键连接于糖结构部分的脂肪酸基团(支链或非支链的，饱和的或不饱和的)。优选的表面活性剂混合物包括非离子型表面活性剂或其它表面活性剂与一种或多种非牛顿粘弹性的表面活性剂的混合物。
在Wheatley等人的US专利No.5,352,436(引入本文供参考)中公开了用于形成稳定化的气体微泡的合适表面活性剂包括第一可溶性表面活性剂和第二可分散的表面活性剂。合适的第一表面活性剂包括聚氧化乙烯脂肪酸酯，如聚氧化乙烯脱水山梨糖醇单月桂酸酯、聚氧化乙烯脱水山梨糖醇单硬脂酸酯、聚氧化乙烯脱水山梨糖醇三硬脂酸酯、聚氧化乙烯脱水山梨糖醇单油酸酯和它们的混合物。合适的第二表面活性剂(不同于第一表面活性剂)包括脱水山梨糖醇单硬脂酸酯、脱水山梨糖醇单油酸酯和它们的混合物。
D′Arrigo的US专利No.4,684,479(引入本文供参考)公开了表面活性剂混合物，它包括(a)从含有约10到大约18个碳原子的饱和羧酸和含有大约10到大约18个碳原子的脂族醇的甘油单酯中选择的一种；(b)甾醇-芳族酸酯；(c)从甾醇、萜烯、胆汁酸和胆汁酸的碱金属盐中选择的一种；(d)从含有1到大约18个碳原子的脂族酸的甾醇酯；糖酸的甾醇酯；糖酸和含有大约10到大约18个碳原子的脂肪族醇的酯；糖和含有大约10到大约18个碳原子的脂肪酸的酯；糖酸；皂角苷；和皂角苷配基中选择一种；和(e)从甘油、含有约10到大约18个碳原子的脂族酸和含有大约10到大约18个碳原子的脂族醇的甘油二酯或三酯中选择的一种；这些组分是以2-4∶0.5-1.5∶0.5-1.5∶0-1.5∶0-1.5的重量比a∶b∶c∶d∶e存在于所述混合物中。
该氟表面活性剂包括，但不限于，(i)氟化的调聚物，(ii)两性氟表面活性剂，(iii)多氟化的胺氧化物，(iv)氟烷基乙硫基聚丙烯酰胺，(v)全氟代烷基乙硫基聚丙烯酰胺，(vi)1-丙铵(propanaminium)、2-羟基-N，N，N-三甲基-3-γ-ω-全氟代-(C6-C20-烷基)硫基氯化物的衍生物，(vii)氟烷基磺酸钠，和(viii)1-丙烷磺酸，2-甲基-，2-{[1-氧代-3[γ，-ω，-全氟代-C16-C26-烷基)硫基}丙基}氨基}衍生物的钠盐。
所需要的细泡沫产生性表面活性剂的浓度一般是低于表面活性剂或表面活性剂混合物的临界胶束浓度(CMC)。所产生细泡沫的体积能够通过测定在流体中产生细泡沫时所发生的密度减少来显示。如果细泡沫产生性表面活性剂的浓度太大，则能够发生流体起粗泡(它是不希望有的)。我们已经确定，随着LSRV增加，表面活性剂的浓度能够增加，而对流体没有任何负面影响。因此，细泡沫产生性表面活性剂的浓度(它能够通过常规试验确定)是产生足够的细泡沫以达到所希望的密度减少所需要的量，但它优选不足以在流体的表面上产生持久的大泡沫。通常，需要大约0.15％(体积)到大约2％(体积)的表面活性剂的浓度，优选大约0.3％到大约1.0％(按体积计)，假定该表面活性剂含有大约80wt％的固体。
流体的密度能够根据需要通过向该流体中添加增重物质或添加可溶性盐来进行调节，这是本领域中众所周知的。优选在流体中产生或引入细泡沫之前将增重物质加入到流体中，由此利用细泡沫在其中的浓度来将含有细泡沫的解卡液的最终密度调节至所需的密度。
正如所指出的那样，细泡沫在流体中的浓度在大气压力下应该低于大约20％(体积)。然而，在该流体在钻孔中循环时，随着流体的流体静压的增加，细泡沫的体积据信会下降。实际上该细泡沫在尺寸上可以压缩到几乎没有体积，这取决于钻孔的深度。所测量的在压力下的密度应该非常接近没有任何细泡沫的流体的密度。然而，该细泡沫不会消失。它们仍然存在，并且由于压降和空穴化而将在钻头的表面上产生附加的细泡沫。该细泡沫是非常小的，具有很高的表面面积，并且是高度增能的。
一旦流体脱离钻头和沿环形间隙(annulus)往回升，开始有一些压降且细泡沫开始膨胀。随着该流体沿钻孔向上运动和遇到地层的漏失，该细泡沫被滤进该孔喉、微裂纹或其它种类型的漏失段。这些漏失段是存在压降的区域。在这些漏失段中的细泡沫然后膨胀和聚集和因此密封该漏失区。在这些小环境中的“％细泡沫(体积)”是高度可变的，它取决于在该漏失区中的特定压力和压降。因此可以相信该小环境的密度与钻孔内流体的密度完全不同。
在本发明的流体中夹含高达20％(体积)的气体时，在大气压力下密度的减少足以提供在钻孔所需要量的细泡沫，而同时允许该流体再循环但不引起泵抽问题。
本发明的水基钻井内流体一般含有在本领域中已知的为流体提供各种特性或性能的物质。因此，该流体可含有除了增强LSRV的增粘剂以外的一种或多种增粘剂或悬浮剂、增重剂、防腐剂、可溶性盐、生物杀伤剂、杀真菌剂、渗漏损失控制剂、桥连剂、润滑添加剂、页岩控制剂和其它所需添加剂。
钻井内流体可含有用作包封或控制滤失添加剂的一种或多种物质以便进一步限制液体从该流体进入其所接触的页岩中。在所属领域中已知的代表性物质包括部分溶解的淀粉、糊化淀粉、淀粉衍生物、纤维素衍生物、树胶、合成的水可溶性聚合物和它们的混合物。
本发明的流体具有碱性的pH值。该pH值能够按照本领域中众所周知的方法通过向流体中添加碱如氢氧化钾、碳酸钾、氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化镁、氧化镁、氧化钙、氢氧化钙、氧化锌和它们的混合物来获得。
不受此限制，相信在钻井或井维护操作过程中在该流体中存在的细泡沫有效地密封地层，防止流体过分流失到被钻井或维护的地层中。
本发明的流体能够用于常规钻井和井维护操作中，如在本领域中实施的那些来进行。因此在钻探油和/或天然气井时，该流体从地表经钻头沿钻管、盘管等向下循环和沿着在钻管和钻孔的侧边之间的环形间隙向上回到地表。流体中的细泡沫密封该钻孔表面，防止流体在所钻探地层中的过量损失。
优选的是，本发明的含细泡沫的流体用于钻井过程中，其中钻头是空化液体喷射协助型钻头(cavitating liquid jet assisted drill bit)。示例性的空化液体喷射协助钻头被描述在Johnson，Jr.等人的US专利No.4,262,757(引入本文供参考)，和Johnson Jr.等人US专利No.4,391,339(引入本文供参考)中。优选地，在空化液体喷射协助型钻头中的空化喷嘴包括在中心位置接收的销，它降低增压钻井液的压力以使得在该流体形成空化泡。例如参见Henshaw的US专利No.5,217,163，引入本文供参考。
同样地，本发明的流体能够用于井维护作业、如完井作业、修井作业、防砂作业、填缝作业等。该流体能用作解卡液来松脱因差压卡钻被卡在钻孔侧壁上的滤饼中的钻管和工具。
而且，在待审查的US专利申请No.08/800,727(02/13/97申请)和No.09/121,713(07/24/98申请)以及待审查的PCT专利申请PCT/U598102566(02/10/98申请)中描述的含细泡沫的水性基钻井液和井维护液也能够用于井维护作业、如完井作业、修井作业、防砂作业、填缝作业等，包括使用该流体作为解卡液来松脱因差压卡钻被卡在钻孔侧壁上的滤饼中的钻管和工具。
下面的实施例用于说明本发明，但是不应认为是限制本发明的范围。细泡沫产生性表面活性剂被评估如下STEOLTMCS-460，具有60％活性的月桂基(laureth)硫酸钠；和FLUORADTMFC-740，氟化脂肪族聚合酯的混合物。在表或本说明书中使用的缩写如下cp＝厘泊；g＝克；bbl＝42加仑桶；ppg＝磅/加仑；ppb＝磅/桶；psi＝磅/平方英寸；rpm＝转数/分；STI＝剪切稀化指数，它是0.5rpm布络克菲尔德粘度和100rpm布络克菲尔德粘度的比率，即流体的剪切稀化程度的量度；vol.＝体积；LSRV＝在布氏粘度计上在0.5rpm下测量的低剪切速率粘度。
表A
实施例3在350ml的淡水中使3.0g(3.0ppb)的海藻酸钠形成水合物。其后将1.0g的30wt％氯化钙溶液加入来交联该聚合物，随后添加0.5g(0.5ppb)的BLUE STREAKTM细泡沫产生性表面活性剂。按照实施例1中所述评价流体。数据列在表A中。
权利要求
1.能够连续在钻孔内再循环的钻井和维护流体，它包括在其中引入一种或多种增粘剂以使该流体具有用布氏粘度计在0.5rpm下测量出的低剪切速率粘度为至少10,000厘泊的含水液体、细泡沫产生性表面活性剂和细泡沫，其中细泡沫的浓度在大气压力下低于该流体体积的20％。
2.权利要求1的流体，其中所述液体的密度和细泡沫的浓度应使得该流体具有所需密度。
3.权利要求1的流体，其中所述低剪切速率粘度是至少大约40,000厘泊。
4.权利要求2的流体，其中所述低剪切速率粘度是至少大约40,000厘泊。
5.权利要求3的流体，其中所述增粘剂是(1)从海藻酸钠、海藻酸钙钠、海藻酸钙铵、海藻酸铵、海藻酸钾、丙二醇海藻酸盐和它们的混合物中选择的海藻酸盐聚合物；或(2)黄原胶和纤维素衍生物的混合物，其中黄原胶与纤维素衍生物的重量比是在大约80∶20到大约20∶80的范围内，其中纤维素衍生物选自羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素和它们的混合物；或(3)蒙脱石粘土和混合的金属氢氧化物的混合物；或(4)膨润土和添加剂的混合物，该添加剂包括(a)选自(i)非离子的、水溶性的纤维素衍生物，(ii)非离子的、水溶性的瓜尔胶衍生物的非离子、水溶性多糖；或(b)选自(i)羧甲基纤维素或(ii)野油菜黄单胞菌多糖的阴离子水溶性多糖；或(c)它们的混合物；和(d)中等分子量的聚二醇，它选自聚乙二醇、聚丙二醇和聚(链烷二醇)，具有大约600到大约30,000的平均分子量，该聚二醇是以在钻井流体中在粘土和多糖之间有效提供相容性的量使用的；或(5)它们的相容性混合物；其中混合物的各组分可单个加入到该流体中以增强该流体的低剪切速率粘度。
6.权利要求1、2、3、4或5的流体，其中所述流体具有至少大约40,000厘泊的低剪切速率粘度。
7.将井眼钻探到地下岩层中的方法，其中在钻井的进行当中钻井液在井眼中连续再循环，它包括使用权利要求1、2、3、4或5的流体作为钻井液。
8.权利要求7的方法，其中所述流体具有至少大约40,000厘泊的低剪切速率粘度。
9.在井眼内进行井维护作业的方法，其中所述井维护流体是权利要求1、2、3、4或5的流体。
10.权利要求8的方法，其中所述流体具有至少大约40,000厘泊的低剪切速率粘度。
全文摘要
本发明提供用于钻探或维护在地下岩层中的井的方法和流体,该地下岩层含有循环液漏失带或废弃的、低压力的贮藏带。该流体包括在其中分散了将该流体的低剪切速率粘度增加到至少10,000厘泊的增粘剂的含水液体、细泡沫产生性表面活性剂和细泡沫,其中该流体含有小于大约20%(体积)的细泡沫,后者优选是在该流体离开地层附近的钻头时由紊流和压降产生的。在地下岩层中钻探井眼的方法包括在钻探的同时连续再循环该钻井液。
文档编号C09K8/08GK1342189SQ99816104
公开日2002年3月27日 申请日期1999年12月27日 优先权日1999年2月9日
发明者汤米·F·布鲁凯 申请人:Masi科技股份有限公司