专利名称：通过孔隙堵塞保持页岩的稳定性的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及页岩稳定性领域，尤其涉及用于井眼处或井眼周围的页岩稳定性 的成分和方法。
背景技术：
在不限制本发明的范围的情况下，结合钻探页岩和页岩状沙描述来描述本发明的
曲旦 冃足°井眼稳定性是页岩钻探的最关键的方面之一并且很大程度上取决于钻井流体。水 侵入页岩地层弱化井眼并且引起例如井壁坍塌、卡钻等问题。页岩的极低渗透率和低的孔 喉尺寸使得正常的过滤添加剂不能形成泥饼并且因此不能阻止流体侵入。本研究的目的是 通过利用纳米颗粒(NP)堵塞孔喉来减小页岩渗透性，构建内部和外部泥饼，并且从而减少 流体侵入页岩。最近的研究工作(Osuji 2007)已经表明减小页岩的渗透性可以增强其膜效率， 因此将纳米颗粒放置在盐水泥浆中可以增大其膜效率。公认的是平衡活性油基泥浆(OBM)是页岩稳定性问题的良好解决方案，这是因为 在油和页岩之间没有相互作用，并且可以利用离子溶液使水不能移动。(Chenevert，1969)。 但是，特别是在环境敏感的区域，需要水基泥浆(WBM)方案。虽然已经有很多研究集中于改 善WBM的孔稳定性性能，但不存在这样的起抑制作用的泥浆。
发明内容
本发明通过利用纳米颗粒(NP)堵塞孔喉，构建内部和外部过滤饼，并减少侵入页 岩的流体来降低页岩渗透性。另一个目的是研究纳米颗粒对盐水泥浆的膜效率的影响。本发明的发明人发现，由于目前使用不能堵塞纳米级尺寸的孔喉开口的固体泥浆 添加剂的尺寸相对较大，在页岩中没有实现孔喉堵塞。正常的固体颗粒比孔喉大约100倍。 本发明被用于开发致力于多种页岩性质、纳米颗粒试验的成分和方法，以及用于处理可渗 透的层的方法。流体的成分、页岩类型以及纳米颗粒对过滤的影响将是在我们的试验过程 中要观察的主要方面。在一个实施例中，本发明涉及用水基钻井流体增大页岩层稳定性的方法，所述方 法包括将水基钻井流体输送到页岩层，其中钻井流体包括含水连续相；以及纳米颗粒，其 中纳米颗粒以足够大的重量百分比存在以稳定页岩层。在一个方案中，页岩包括皮埃尔页 岩(Pierre)、中国Arco页岩(Arco China)、C1页岩、C2页岩、C3页岩、C4页岩、C5页岩、阿 托卡页岩(Atoka)、粘性页岩(Gumbo)、墨西哥湾页岩[GulfofMexico (GOM) ]、Pierre页岩、 Wolfcamp页岩、惠灵顿页岩(Wellington)或者曼柯斯页岩(Mancos)。在另一方案中，纳米 颗粒选自硅、铝、铁、钛、或者其它金属氧化物和金属氢氧化物。在一个方案中，纳米颗粒的 尺寸范围在1纳米到500纳米之间。在一个方案中，纳米颗粒还包括表面活性剂。在另一 方案，页岩层用钻井流体段塞或丸处理，表面改性剂的多个例子包括但是不限于烷基胺、烷基硫酸酯、包含芳香环的烷基硫酸酯、烷基磺酸酯、含有芳香环的烷基磺酸酯(例如烷基苯 磺酸酯)、以及含有多种比例的乙撑氧和丙撑氧基团的烷基硫酸酯和烷基磺酸酯、或者聚合 物例如聚乙二醇(PEG)、分子量从500变化到100，000的聚丙烯乙二醇(PPG)，以及用硅烷、 环氧化物、丙烯酸盐、乙醇或者醚键的功能化的PEG和PPG聚合物。在另一个实施例中，本发明包括用于含水钻井流体的添加剂组合物，当在和有效 量的纳米颗粒一起用在钻探页岩层中时，所述钻井流体改善了页岩的稳定性，其中所述纳 米颗粒减小页岩的膨胀并堵塞孔喉。在一个方案中，页岩包括皮埃尔页岩(Pierre)、中国 Arco页岩(Arco China)、C1页岩、C2页岩、C3页岩、C4页岩、C5页岩、阿托卡页岩(Atoka)、 粘性页岩(Gumbo)、墨西哥湾页岩[Gulf of Mexico (GOM) ]、Pierre页岩、Wo If camp页岩、惠 灵顿页岩(Wellington)或者曼柯斯页岩(Mancos)。在另一方案中，纳米颗粒选自硅石、铝、 铁、钛或者其它金属氧化物和金属氢氧化物。在一个方案中，纳米颗粒的尺寸范围在1纳米 到500纳米之间。基于在上文中描述的水相的重量，含水钻井流体的含有重量百分比在约 5到约41之间的添加剂组合物。在另一个实施例中，本发明涉及用于含烃页岩层且包含重量百分比为大约1到大 约50之间的纳米颗粒的含水钻井流体。在另一个实施例中，基于水相的重量，含水钻井流 体包含重量百分比为大约10到大约50的硅石纳米颗粒。在一个方案中，基于水相的重量， 流体包括重量百分比为5到大约45的硅石纳米颗粒。在另一个方案中，基于水相的重量， 流体包括重量百分比为10到大约四的硅石纳米颗粒。在一个方案中，页岩包括皮埃尔页 岩(Pierre)、中国Arco页岩(Arco China)、Cl页岩、C2页岩、C3页岩、C4页岩、C5页岩、 阿托卡页岩(Atoka)、粘性页岩(Gumbo)、墨西哥湾页岩[Gulf of Mexico (GOM) ]、Pierre页 岩、Wolfcamp页岩、Wellington页岩或者曼柯斯页岩(Mancos)。在另一方案中，纳米颗粒 选自硅石、铝、铁、钛或者其它金属氧化物和金属氢氧化物。在一个方案中，纳米颗粒的尺寸 范围在1纳米到500纳米之间。在一个方案中，纳米颗粒的尺寸范围在5纳米到20纳米之 间。本发明的另一种方法包括用于有效钻探穿过松散的页岩的方法，所述方法包括在 钻井操作中利用权利要求8所述的含水钻井流体。本发明的另一个实施例包括用于监控和 改善井眼稳定性的方法，所述井眼利用钻井流体在页岩中利用井眼稳定模型钻出，所述方 法包括以下步骤(a)利用所述井眼稳定性模型获得钻井流体的重量或者一种或多种化学 性质的初始值；(b)测量页岩层的瞬时孔隙压力响应和选自声、电、热和密度特性中的至少 一个层特性；以及(c)改变硅石纳米颗粒的重量百分比以减小膨胀并堵塞页岩中的孔喉。 在一个方案中，所述方法还可以包括在井眼的钻进过程中重复步骤(b)和(c)的步骤。在 一个方案中，所述页岩层利用含有重量百分比为5到45的硅石纳米颗粒的钻井流体的段塞 和/或丸进行处理，其中所述纳米颗粒的尺寸范围在1纳米到500纳米之间。在一个方案 中，所述页岩包括皮埃尔页岩(Pierre)、中国Arco页岩(Arco China)、Cl页岩、C2页岩、 C3页岩、C4页岩、C5页岩、阿托卡页岩(Atoka)、粘性页岩(Gumbo)、墨西哥湾页岩[Gulf of Mexico(GOM)]、Pierre 页岩、Wolfcamp 页岩、Wellington 页岩或者曼柯斯页岩(Mancos)。 在另一方案中，纳米颗粒选自硅石、铝、铁、钛或者其它金属氧化物和金属氢氧化物。在一个 方案中，纳米颗粒的尺寸范围在1纳米到500纳米之间。基于在上文中描述的水相的重量、 含水钻井流体包含重量百分比在大约5到大约41之间的任何添加剂组合物和包含钻井流体的重量。
为了更完整地理解本发明的特点和优势，现在结合附图对本发明进行详细描述， 其中图1是示出了 5nm硅石纳米颗粒的温度稳定性极限的图表；图2是试验槽的示意图；图3是表示与0. 98活性盐水接触的Atoka(阿托卡)页岩的结果的曲线；图4是示出了页岩试验槽中的上游和下游压力的瞬时点线的图；图5示出了利用淡水和纳米颗粒分散系进行的C3页岩膨胀试验；图6是示出了用Atoka页岩进行三步骤试验获得的结果的曲线图；图7是使用和不使用纳米颗粒的两步骤试验的曲线图；图8是不使用和使用纳米颗粒的C5页岩的三步骤试验的曲线图；图9是示出了适用重量百分比为四的硅石纳米颗粒分散系的试验结果的曲线 图；图10是示出了利用重量百分比为5的纳米颗粒分散系进行的试验结果的曲线 图；图11是示出了利用重量百分比为10的纳米颗粒分散系进行的试验结果的曲线 图；图12是Atoka页岩上的20nm颗粒的扫描电子显微照片(点标度为375nm)；图13是20nm硅石纳米颗粒在不同标度下的扫描电子显微照片；以及图14是堵塞孔喉的一组颗粒的扫描电子显微照片；图15是示出了不同浓度的纳米颗粒与Atoka页岩接触的试验结果的曲线图；图16是利用40重量％的Nyacol的20nm分散系的进行行的试验的结果的曲线图。图17是17重量％和Nyacol的15重量％的5nm分散系与Atoka接触的对比曲线 图。图18是示出了使用和不使用NP的泥浆A与Atoka页岩接触的对比曲线图。图19是示出了使用和不使用NP的泥浆B与Atoka页岩接触的对比曲线图。图20是示出了使用和不使用NP的泥浆C与Atoka页岩接触的对比曲线图。图21是示出了使用和不使用NP的泥浆D与Atoka页岩接触的对比曲线图。图22是汇总了渗透率数据的图表。图23是示出了使用和不使用NP的泥浆A与墨西哥湾页岩(GOM)接触的对比曲线 图。图M是示出了使用和不使用NP的泥浆B与GOM页岩接触的对比曲线图。图25是示出了使用和不使用NP的泥浆C与GOM页岩接触的对比曲线图。图沈是示出了使用和不使用NP的泥浆D与GOM页岩接触的对比曲线图。图27是示出了 GOM页岩上的盐水影响的曲线图。图28是汇总了 GOM页岩的渗透率图表的视图。图四是示出了使用和不使用NP的泥浆1与GOM页岩接触的对比曲线图。
图30是示出了使用和不使用NP的泥浆2与GOM页岩接触的对比曲线图。图31是示出了使用和不使用NP的泥浆3与GOM页岩接触的对比曲线图。
具体实施例方式虽然下文中详细讨论了本发明的多个实施例的实施和使用，但应当理解，本发明 提供了很多可应用的发明思想，所述发明思想可以在多个特定的背景中实现。这里描述的 特定实施例仅仅是说明制造和使用本发明的特定方式并且不限制本发明的范围。为了有助于理解本发明，在下文中定义了多个术语。这里定义的术语具有如与本 发明相关领域的普通技术人员所通常理解的意思。术语，例如“一”、“所述”不是用于仅指 代单个实体，而是包括了被用于说明的特定示例涉及的总类。这里的术语是用于描述本发 明的特定实施例，但是它们的用途不限制本发明，除了在权利要求中有所叙述之外。在本文中，术语“纳米颗粒”指有效直径为1纳米到500纳米的任何形状的并且包 括子种类，例如纳米粉末、纳米基团以及纳米晶体的任何组合物颗粒。本发明的纳米颗粒 也可以通过表面改性被改变，例如它们能通过化学方法改变，例如，通过附加表面活性剂或 者配位体、有机分子、与纳米颗粒化学结合的表面活性材料，以改善纳米颗粒在钻井液中的 稳定性。表面改性的一个例子是改变纳米颗粒的表面电荷密度或者改善它们的页岩稳定特 性。在本文中，“表面活性剂”是指改变纳米颗粒的表面的制剂，这可以通过吸附、化学 吸附、或者表面活性材料共价结合到纳米颗粒表面以形成表面改性纳米颗粒。能用来将纳 米颗粒表面改性为表面改性纳米颗粒的制剂的多个例子包括例如烷基胺、烷基硫酸酯、包 含芳香环的烷基硫酸酯、烷基磺酸酯、含有芳香环的烷基磺酸酯(例如烷基苯磺酸酯)、以 及含有多种比例的乙撑氧和丙撑氧基团的烷基硫酸酯和烷基磺酸酯。表面活性剂的另一个 例子包括导致到纳米颗粒表面的聚合材料的纳米颗粒表面改性(这也可以通过吸附、化学 吸附或共价结合实现)的那些材料。这类材料的例子包括，例如聚乙二醇(PEG)、分子重量 从500变化到100，000的聚丙二醇(PPG)聚合物，以及用硅烷、环氧化物、丙烯酸酯、乙醇或 者醚键功能化的PEG和PPG聚合物。这里所使用的术语“段塞”指含有纳米颗粒并且布置或者放置成与目的地质层接 触一段时间的小体积的钻井流体(通常为500bbl或更少)。页岩是由在细颗粒岩石中存在的粘土、石英以及其它矿物质形成的沉积岩。由于 其高的粘土含量，页岩易于从水基泥浆(WBM)吸收水分，这导致膨胀以及井眼破坏。页岩可 以与沙子混合且这些混合物被称为页岩状沙。如Al-Bazali (2006)中提到的，含有蒙脱石 或者蒙脱粘土的页岩能吸收大量的水。因此，页岩的类型和成分在井眼稳定性问题中起关 键作用。我们研究组已经研究的多种页岩的基本性质和成分在下面的表1中列出。表1 不同页岩类型Al-Bazali的性质Q005)
权利要求
1.利用水基钻井流体增大页岩层稳定性的方法，所述方法包括以下步骤将水基钻井 流体输送到页岩层，其中所述钻井流体包括含水连续相；以及纳米颗粒，其中所述纳米颗粒 以足够大的重量百分比存在以稳定该页岩层。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述页岩包括皮埃尔页岩、中国Arco页岩、Cl页 岩、C2页岩、C3页岩、C4页岩、C5页岩、阿托卡页岩、粘性页岩、墨西哥湾页岩、WoIfcamp页 岩、惠灵顿页岩或者曼柯斯页岩。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述纳米颗粒选自硅、铝、铁、钛、或者其它金属氧 化物和金属氢氧化物。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述纳米颗粒的尺寸范围在5纳米到500纳米之间。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述纳米颗粒以钻井泥浆中的纳米颗粒段塞的形 式提供到井眼中。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述纳米颗粒还包括表面活性剂。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述页岩层用钻井流体的段塞或丸进行处理。
8.一种用于含水钻井流体的添加剂组合物，当该添加剂组合物与有效量的纳米颗粒一 起用于钻探页岩层时提高了其稳定性，其中所述纳米颗粒减小膨胀并堵塞孔喉。
9.如权利要求8所述的添加剂，其中，所述页岩包括皮埃尔页岩、中国Arco页岩、Cl页 岩、C2页岩、C3页岩、C4页岩、C5页岩、阿托卡页岩、粘性页岩、墨西哥湾页岩、WoIfcamp页 岩、惠灵顿页岩或者曼柯斯页岩。
10.如权利要求8所述的添加剂，其中，所述纳米颗粒选自硅、铝、铁、钛、或者其它金属 氧化物和金属氢氧化物。
11.如权利要求8所述的添加剂，其中，所述纳米颗粒的尺寸范围在5纳米到500纳米 之间。
12.如权利要求8所述的添加剂，其中，所述纳米颗粒还包括一种或者多种表面改性剂。
13.一种含水钻井流体，基于水相的重量，该钻井流体包含重量百分比为约1到约41的 权利要求8所述的添加剂组合物。
14.一种用于含烃页岩层的含水钻井流体，其包含重量百分比为约1到约50的硅石纳 米颗粒。
15.一种含水钻井流体，基于水相的重量，其包含重量百分比为约1到约50的硅石纳米 颗粒。
16.如权利要求15所述的流体，其中，基于水相的重量，所述流体包括重量百分比为5 到约45的硅石纳米颗粒。
17.如权利要求15所述的流体，其中，基于水相的重量，所述流体包括重量百分比为10 到约四的硅石纳米颗粒。
18.如权利要求15所述的流体，其中，所述页岩包括皮埃尔页岩、中国Arco页岩、Cl页 岩、C2页岩、C3页岩、C4页岩、C5页岩、阿托卡页岩、粘性页岩、墨西哥湾页岩、Wolfcamp页 岩、惠灵顿页岩或者曼柯斯页岩。
19.如权利要求15所述的流体，其中，所述纳米颗粒选自硅、铝、铁、钛、或者其它金属氧化物和金属氢氧化物。
20.如权利要求15所述的流体，其中，所述纳米颗粒的尺寸范围在5纳米到20纳米之间。
21.如权利要求15所述的流体，其中，所述纳米颗粒还包括一种或者多种表面改性剂。
22.一种用于有效钻穿松散页岩的方法，所述方法包括在钻探操作中利用权利要求8 所述的含水钻井流体的步骤。
23.一种用于监控和改善井眼的稳定性的方法，所述井眼利用通过井眼稳定模型利用 钻井流体在页岩中钻出，所述方法包括以下步骤(a)利用所述井眼稳定性模型获得钻井 流体的重量或者一种或多种化学特性的初始值；(b)测量页岩层的瞬时孔隙压力响应和选 自声、电、热和密度特性中的至少一个层特性；以及(c)改变硅石纳米颗粒的重量百分比以 减小页岩膨胀并堵塞页岩中的孔喉。
24.如权利要求23所述的方法，其中，还包括在钻井过程中重复步骤(b)和(C)。
25.如权利要求23所述的方法，其中，所述页岩层用包含重量百分比为5到45的硅石 纳米颗粒的钻井流体的段塞或丸进行处理，其中所述纳米颗粒的尺寸范围在1纳米到500 纳米之间。
26.如权利要求23所述的方法，其中，所述页岩包括皮埃尔页岩、中国Arco页岩、Cl页 岩、C2页岩、C3页岩、C4页岩、C5页岩、阿托卡页岩、粘性页岩、墨西哥湾页岩、Wolfcamp页 岩、惠灵顿页岩或者曼柯斯页岩。
27.如权利要求23所述的方法，其中，所述纳米颗粒选自硅、铝、铁、钛、或者其它金属 氧化物和金属氢氧化物。
28.如权利要求23所述的方法，其中，所述纳米颗粒的尺寸范围在1纳米到500纳米之间。
29.如权利要求23所述的方法，其中，所述纳米颗粒以钻井泥浆中的纳米颗粒段塞的 形式提供到井眼中。
30.如权利要求23所述的方法，其中，所述纳米颗粒还包括一种或多种表面改性剂。
31.一种利用水基钻井流体增大页岩层稳定性的方法，所述方法包括将所述水基钻 井流体输送到页岩层，其中所述钻井流体包括含水连续相和纳米颗粒段塞，其中所述纳米 颗粒以足够大的重量百分比存在以稳定所述页岩层。
32.如权利要求31所述的方法，其中，所述纳米颗粒构成钻井流体中重量百分比为5到 40的纳米颗粒。
全文摘要
本发明包括使用纳米颗粒以减小膨胀以及堵塞孔喉来改善含烃页岩层的井眼稳定性的组合物和方法。
文档编号E21B43/241GK102144075SQ200980131938
公开日2011年8月3日 申请日期2009年5月15日 优先权日2008年6月18日
发明者M·E·切尼弗特, M·M·夏尔马 申请人:德克萨斯州立大学董事会