控制井眼的環形體積內的壓力的製作方法

2023-05-29 03:22:16 5

專利名稱：控制井眼的環形體積內的壓力的製作方法
技術領域：
本發明涉及當約束體積內的流體正被加熱時控制由該約束體積內的流體產生的壓力的方法。在一個優選的實施方案中，本發明涉及控制由井眼內的套管柱組件描述的環形體積內的壓力的方法。
背景技術：
在鑽井眼，例如油井的過程中，通常將較大直徑的金屬管的各個段固定在一起以形成布置在該井眼每一部分內的套管柱或套管襯。每個套管柱可以從表面附近的井頭設施懸掛下來。或者，一些套管柱可以呈襯柱形式，這些襯柱從套管的在先部分的埋設深度附近伸出。在這種情況下，該襯柱將從襯懸掛器上的套管的在先部分懸吊下來。套管柱通常由許多通過螺紋接頭或其它連接裝置彼此連接的接頭或片段組成，各自約為四十英尺長。這些接頭通常是金屬管，但是也可以是非金屬材料例如複合管道。這種套管柱用來通過阻止孔穴壁塌陷來提高井眼完整性。此外，套管柱阻止流體從一個地層運動到井眼穿過的另一個地層。通常，在鑽井眼的下一部分之前，套管柱的每一部分被用水泥粘結在井眼內。因此，井眼的每一隨後的部分必須具有小於在先部分的直徑。例如，井眼的第一部分可以接收直徑20英寸的表面(或導向)套管柱。井眼的接下來的若干部分可以接收分別具有直徑 16英寸、13又3/8英寸和9又5/8英寸的中間(或保護)套管柱。井眼的最後的部分可以接收分別具有直徑7英寸和4又1/2英寸的生產套管柱。當固井作業完成並且水泥固化時， 在由每一套管柱的外表面描述的環帶中存在水泥柱。被井孔穿透的地下區域通常由水硬性水泥組合物密封。在這種應用中，使用水硬性水泥組合物將管柱例如套管和襯管固定在井孔中。在進行這些基礎固井操作中，將水硬性水泥組合物泵送入由井孔壁和置於其中的管柱的外表面界定的環形空間。允許該水泥組合物在該環形空間中固化以形成硬化的基本上不透性水泥的環形鞘，該鞘支撐該管柱並且使該管柱在井孔中定位並且將該管柱的外表面密封到井孔的壁上。水硬性水泥組合物還用於各種其它固井作業，例如密封高滲透區或地下區域中的裂縫，堵塞管柱中的裂紋或孔穴寸。包括多於一個套管柱的套管組件描述井眼內的相鄰同心套管柱之間的一個或多個環形體積。通常，當安裝套管柱時，每個環形體積至少在某種程度上填充有存在於井眼中的流體。在深井中，環形體積內的流體量(即，環形流體)可能相當大。每個1英寸厚X 5000 英尺長的環帶將包含大致50，000加侖，這取決於套管柱的直徑。在油氣井中，地層的一部分必須與該井的其餘部分隔離並不罕見。這通常如下實現使後續柱的水泥柱的頂部向上到在先套管靴上面的環帶內。當這隔離地層時，使水泥向上到套管靴內部，這有效地阻斷了由自然的壓裂梯度提供的安全閥。代替在該靴處漏洩，任何壓力累積將施加在該套管上，除非它可以在表面處放洩。大多數陸地井和一些海上平臺井安裝有為每個套管環帶提供通路的井頭並且可以迅速地放洩表觀壓力提高。另一方面， 大多數誨底井頭設施不為套管環帶提供通路並且可能產生密封的環帶。因為該環帶被密封，所以內壓力可能相應於溫度的提高而顯著地增加。在套管柱的安裝期間環形體積中的流體通常將處於或接近海底的環境溫度。當加熱環形流體時，它膨脹並且可能導致相當大的壓力增加。這種條件通常存在於所有生產井中，但是在深水井中是最明顯的。深水井很可能由於環帶壓力累積而損壞，原因在於相比在生產期間採出液的高溫，置換流體的溫度低。環形體積中流體(當它被密封時)的溫度通常將是環境溫度，該環境溫度可以在0T-100下(例如34下)的範圍內，其中較低的溫度最通常出現在該井上方具有相當大水深的海底井中。在從儲層生產期間，產出流體在相當高的溫度下穿過生產管道。50 T -300 °F的溫度是預期的，並且經常遇到125 T -250下的溫度。產出流體的較高溫度增加了套管柱之間的環形流體的溫度，並且增加了對每個套管柱的壓力。用於環形體積的常規液體在恆壓下隨溫度膨脹；在環形空間的恆定體積中，增加的流體溫度導致顯著的壓力增加。恆壓下，基本上不能壓縮的含水流體可能在從環境條件到生產條件的溫度變化過程中體積增加超過5 %。在恆定體積下，溫度的這種增加可能導致壓力增加高達大約10，000psig。增加的壓力顯著地增加套管柱破壞的概率，對井的操作帶來災難性後果。需要的是用流體體系替換環形體積內的至少一部分常規流體的方法，該流體體系隨著流體的溫度增加比體積減小。環帶壓力累積(APB)問題在石油鑽井/開採工業中是熟知的° 參見B. Moe 禾口 P. Erpelding, 「 Annular pressure buildup What it is and what to do about it, " Deepwater Technology,p. 21-23,August (2000)禾口 P. Oudeman 禾口 Μ. Kerem, " Transient behavior of annular pressure buildup in HP/HT wells, " J. of Petroleum Technology，v. 18，no. 3，p. 58-67 (2005)。此前已經報導了數種可能的解決方案Α·如 R. F. Vargo, Jr.等人的"Practical and Successful Prevention of Annular Pressure Buildup on the Marlin Project, " Proceedings-SPE Annual Technical Conference and Exibition, p. 1235-1244, (2002)所述注射氮氣發泡的水泥隔層，B.如 J. H. Azzola 等人的"Application of Vacuum Insulated Tubing to Mitigate Annular Pressure Buildup," Proceedings-SPE Annual Technical Conference and Exhibition, p. 1899-1905(2004)所述的真空絕緣管道，C.如 C. P. Leach 和 A. J. Adams，〃 A New Method for the Relief of Annular Heat-up Pressure, " in proceedings, -SPE Annual Technical Conference and Exhibition，p. 819-826，(1993)所述的可壓碎泡沫隔層，D.如 R. Williamson 等人的"Control of Contained-Annulus Fluid Pressure Buildup, " in proceedings, SPE/IADC Drilling Conference paper#79875 (2003) 白勺
高度粘固，優選的滲漏通道或通氣口，增強的套管(更強)和使用可壓縮流體，和E.如 J. Maudt在美國專利#6』 457，528 (2002)和美國專利#6』 675，898 (2004)中所述使用防爆盤 (burst disk)組件。這些現有技術實例(雖然可能有用)不會提供APB問題的完全防護， 這是由於執行困難或禁止性的成本，或這兩者。我們的發明相對易於執行並且是成本有效的。

發明內容
因此，提供了控制約束體積內的壓力的方法，該方法包括a)提供其內含有第一流體的體積，該第一流體具有第一壓力和第一溫度；b)用第二流體替換該體積內的至少一部分第一流體；c)將該體積密封以產生約束體積；d)將在該約束體積內的流體加熱，以使該流體處於第二壓力和第二溫度，其中預先選擇該第二流體以使該第二壓力低於當該約束體積僅含第一流體時在第二溫度下的壓力。在一個獨立的實施方案中，提供了在井眼的套管結構內控制壓力的方法，其中該壓力可以根據井眼內的位置而改變。在這個實施方案中，壓力和溫度涉及環形體積內的單個位置。因此，該方法包括a)提供環形體積，該環形體積由井眼內的兩個套管柱描述並且在該環形體積內的選取位置含有具有第一壓力和第一溫度的第一流體；b)用第二流體替換該環形體積內的至少一部分第一流體；c)將該環形體積密封以產生約束體積；和d)加熱該約束體積內的流體，以使在選取位置的流體處於第二壓力和第二溫度，其中預先選擇該第二流體以使在該選取位置的第二壓力比當該約束體積在第二溫度下僅含第一流體時在該約束體積內的選取位置處的壓力低。在一個實施方案中，儘管環形體積內的流體的溫度提高，但是在該環形體積內的選取位置在第二溫度下存在的第二壓力等於在該位置的第一壓力。在另一個實施方案中， 在該選取位置的第二壓力比在該選取位置的第一壓力高至多50%，優選地至多30%，更優選至多15%。在一個獨立的實施方案中，該方法涉及環形體積內的最大壓力。對於具有相當大垂直長度的環形體積，由環形流體產生的靜水壓力引起穿越該垂直距離的壓力梯度，其中在該環形體積最深位置的壓力大於該井眼頂部的壓力，其中位置涉及地球的中心。因此，環形體積內存在壓力是最高壓力的位置。因此，在這個實施方案中，提供了在井眼的套管結構內控制最大壓力的方法，該方法包括a)提供環形體積，該環形體積由井眼內的兩個套管柱描述並且在該環形體積內含有在第一溫度下具有第一最高壓力的第一流體；b)用第二流體替換該環形體積內的至少一部分第一流體；c)將該環形體積密封以產生約束體積；和d)將該約束體積內的流體加熱到比該第一溫度高的高溫，以使至少一部分流體處
於第二最高壓力；其中預先選擇該第二流體以使該第二最高壓力比當該約束體積在該高溫下僅含第一流體時該約束體積內的最高壓力低。在一個實施方案中，環形體積內的第二最高壓力等於第一最高壓力。在這個實施方案中，儘管環形體積內的流體的溫度提高，但是該密封的環形體積內不存在淨壓力增加。 在另一個實施方案中，第二最高壓力比第一最高壓力高至多50%，優選地至多30%，更優選至多15%。
在另一個獨立的實施方案中，提供了在約束體積內控制壓力的方法，該方法包括a)提供包含第一流體和第二流體的體積，該第一流體和第二流體處於第一壓力和
第一溫度；b)將該體積密封以產生約束體積；c)將該約束體積內的第一流體和第二流體加熱，以使該第一流體和第二流體處於
第二壓力和第二溫度，其中預先選擇該第二流體以使該第二壓力低於當該約束體積僅含第一流體時在第二溫度下的壓力。在一個特定的實施方案中，第二流體包含單體，該單體在按照該密封環形體積內的條件的溫度和壓力下聚合，伴隨體積減小。因此，提供了在約束體積內控制壓力的方法， 包括a)提供包含第一流體的體積，該第一流體的一部分處於第一壓力和第一溫度；b)用第二流體替換該體積內的至少一部分第一流體；c)將該體積密封以產生約束體積；d)將該約束體積內的流體加熱，以使該約束體積內的至少一部分流體處於第二壓
力和第二溫度，其中該第二流體包含在第二壓力和在第一溫度和第二溫度之間的範圍中的溫度下聚合的單體。在其它因素當中，本發明基於具有不平常熱膨脹性能的流體體系的發現，因為該流體在恆壓下膨脹的程度比不可壓縮流體所預期的小。因此，雖然被約束在密封體積中，但是當加熱時，與常規流體所預期的相比，本發明的流體在該密封體積內引起更低的壓力增加。


圖1示出了本發明方法的一個實施方案，顯示了開口環形體積，在此期間，第二流體正被添加到該環形體積中。圖2示出了本發明方法的一個實施方案，顯示了密封的環形體積，該環形體積包含本文公開的處於第二溫度和第二壓力下的第二流體。圖3示出了試驗本發明一個實施方案的實驗結果。圖4示出了試驗本發明一個實施方案的實驗結果。
具體實施例方式本發明提供流體體系，該流體體系當在約束體積內被加熱時壓力增加到比常規體系更低的值。將該約束體積密封以阻止流體的逃逸。因此，本發明提供當將密封或約束體積內的流體加熱到高溫時降低該體積內壓力增加效果的流體和方法。在一個實施方案中，該體積可以是任何被密封然後被加熱的含流體的體積。本發明體積的非限制性實例是反應容器，用於進行例如，化學反應。該體積(最初充滿第一流體)是開放的，是指可以使流體進入和離開該體積。在該體積被密封之前，使第二流體進入該體積，從而代替該體積中的至少一部分第一流體。然後密封該體積以阻止流體進一步流入和流出這種體積，並且將這種體積內的流體加熱。這種加熱導致該體積內的壓力增加到相當大的程度，尤其是採用液相流體，更尤其是採用基本上不能壓縮的的液相流體的情況下。因此，本發明提供具有以下性能的第二流體，即當包含在密封體積內並加熱到目標溫度時，該體積內的壓力比當該體積僅包含第一流體時的壓力低。在一個特定的實施方案中，本發明提供在井眼內，尤其是在套管組件內的環形體積內控制壓力的方法，該套管組件已經安裝在打算例如，從儲層提取資源的井眼中。資源的實例包括原油、天然氣液、石油蒸氣(例如，天然氣)、合成氣(例如，一氧化碳)、其它氣體 (例如，二氧化碳、氮氣)、和水或含水溶液。套管組件包括套管柱，該套管柱用於保護通過鑽入陸地形成的井眼側面。通過套管組件內的兩個相鄰的同心套管柱將環形體積分界。在油氣井的構造期間，通常使用旋轉鑽機鑽入陸地的地下巖層以形成井眼。隨著旋轉鑽機鑽入陸地，鑽井流體(工業中稱為" 泥漿")在井眼中循環。通常經由鑽管的內部從表面泵送泥漿。通過經由該鑽管連續地泵送鑽井流體，該鑽井流體可以流出鑽管的底部並經由井眼壁和鑽管之間的環形空間流回到井表面。當想要某種地質信息和當將該泥漿再循環時，通常讓該泥漿返回到表面。泥漿用來幫助潤滑和冷卻鑽頭並促進當鑽井眼時巖屑的除去。此外，由孔穴中的泥漿柱產生的靜水壓力阻止噴出，該噴出可能由於井眼內遇到的高壓而發生。為了阻止高壓引起的噴出，將重物投入泥漿以使該泥漿具有比在鑽井中預期的任何壓力大的靜水壓力。在不同的深度必須使用不同類型的泥漿，因為井眼中的壓力隨井眼深度的增加而增加。例如，在2，500ft.的壓力比在1，OOOft的壓力高得多。在1，000ft.使用的泥漿可能不重到足以在2，500ft.的深度使用，並且可能發生噴出。在海底井中的極限深度處泥漿的重量必須特別重以抵消高壓。然而，這種特別重的泥漿的靜水壓力可能引起泥漿開始侵入或漏入地層，從而產生泥漿的循環液漏失。套管柱用來為井眼加襯裡以阻止鑽井泥漿的滲漏。為了能夠使用不同類型泥漿，採用不同的套管柱以消除井眼中出現的寬的壓力梯度。為了開始，使用輕質泥漿鑽井眼到需要重質泥漿的深度。這通常在稍微超過1，OOOft 處發生。在這一階段，將套管柱插入井眼中。將水泥漿泵送入套管並且在水泥漿之後泵送流體例如鑽井泥漿或水的柱塞流以將水泥推動到位於套管外部和井眼內部之間的環帶中。 用於形成水泥漿的水的量將在寬範圍內變化，這取決於所選的水硬性水泥的類型，漿料需要的稠度，特殊作業的強度要求和手頭的一般作業條件。通常，使用水硬性水泥，尤其是波特蘭水泥將井套管固定在井眼內。水硬性水泥是由於水合反應的發生而固化並顯示抗壓強度的水泥，該水合反應允許它們在水下凝固或固化。允許水泥漿凝固並硬化而使套管固定在原位。水泥還提供地面下地層的層位封隔並且幫助阻止井眼的坍塌或侵蝕。在設置第一套管後，鑽孔繼續進行直到再次將井眼鑽到需要重質泥漿的深度並且該所需要的重質泥漿將開始侵入和漏入地層，通常在大約2，500英尺處。再次，將套管柱插入此前安裝的套管柱內部的井眼中，並如以前那樣添加水泥漿。還可以在井眼中使用多個套管柱以隔離兩種或更多種不應該彼此連通的地層。例如，在墨西哥灣發現的特殊情況是在大約2，000英尺的深度流動的高壓淡水砂。由於高壓， 在那種程度下通常需要額外的套管柱。否則，該砂子將漏入泥漿或採出液。海下井頭通常具有固定到海底的外殼和在該外井頭外殼內接收的內井頭外殼。在近海井的完井期間，經由安裝在外殼上方的防噴器組(BOP stack)將套管和管道掛降入井頭外殼內的支撐位置中。 在井的完井之後，用具有適合的閥門的採油樹(Christmas tree)替換防噴器組用於控制井液的生產。將套管掛相對於外殼孔密封並將管道掛相對於該套管掛或外殼孔密封，以使有效地在該套管和管柱之間的環帶和該油管掛上方的外殼孔中形成流體屏障。在布置和密封套管掛後，安裝套管環帶密封件用於壓力控制。如果該密封件在地面井頭上，則通常該密封件可以具有與套管環帶連通的埠。然而，在海下井頭外殼中，存在大直徑的低壓外殼和較小直徑的高壓外殼。因為高壓，為了安全起見，該高壓外殼必須沒有任何埠。一旦密封高壓外殼，就無法讓孔穴在套管掛下面用於防噴。圖1中代表性示出的是實施本發明原理的方法。在本文描述的方法和其它設備和方法的以下描述中，方向術語例如〃上方〃，「下面〃，「上部〃，「下部〃等僅是為了便於參照附圖而使用。此外，應該理解的是，在不脫離本發明原理的情況下，本文描述的本發明的各種實施方案可以按各種取向使用，例如傾斜、反轉、水平、垂直等，和按各種構造使用。本文描述的方法可應用於陸地部位和水下部位中的井眼。應當理解，井眼在該井眼進入陸地的一端終止。在水下部位的情況下，終點處於水/陸地界面。應當理解，本文使用的術語"井眼"和"套管柱"不應認為將本發明限制到方法的特定示出的構件。井眼可能是任何井眼，例如另一個井眼的分支，並且不一定直接延伸到地表。套管柱可能是任何類型的管柱，例如襯柱等。術語"套管柱"和"襯柱"在本文中用來指示任何類型的管柱，例如片段或非片段的管柱，由任何材料(包括非金屬材料)製成的管柱等。因此，讀者將領會本文所使用的這些及其它描述性術語僅是為了便於解釋本發明的示例性實施方案，並不用於限制本發明範圍。圖1示出了本發明的一個實施方案。已經使用鑽柱50鑽出了井眼10，並且已經預先安裝了套管組件20，其包括至少兩個彼此同心排列的套管柱。沒有示出鑽機，其具有支撐裝置用於支撐鑽柱，安裝套管柱和將流體供給井眼。在圖1中，已經安裝了套管柱22，並通過水泥塞M在對著井眼10的一端處或附近加以密封。現特別注意套管柱40，其已經被安裝以延伸到井眼終點34。很明顯，終點34可以是臨時終點，以使在安裝了套管柱40後可以進一步將井眼延伸。或者，套管柱40可以延伸到地層5中的最終深度，並且在生產開始之前不將井眼延伸。當安裝套管柱40時，用流體填充由套管柱22的內表面和套管柱40的外表面界定的環形體積42，並且通常用存在於井眼體積36內的流體進行填充。可以最初存在於環形體積中的常規流體包括鑽井流體或完井流體，這取決於鑽井作業的環境。最初在環形體積內的流體(本文稱作第一流體)的性能經選擇滿足鑽井眼專業人員鑽井以完井的需要。在一個實施方案中，第一流體是使用常規定義的不可壓縮流體。在圖1所示的方法中的階段，環形體積42經由在套管一端的開口 44與井眼體積 36流體連通。由46表示的環形體積的另一端與地面設備例如鑽機(未顯示)流體連通，該地面設備具有回收經由46離開該環形體積的流體的裝置。環境關注提供使經由46損失到環境的流體量最小化的激勵。在本發明方法中，將第二流體經由開口 48引入井眼體積36以替換該環形體積42 中的至少一部分第一流體。開口 48與供應該第二流體的裝置流體連通。例如，可以在鑽機或修井作業機上設置用於這一目的的泵送裝置。第二流體作為柱塞流或小段塞被供給該體積，並且以較純形式向下穿過井眼體積36。在井眼終點34，第二流體經由開口 44進入環形體積42，並且向上流動，驅動最初在環形體積42中的在該第二流體小段塞前面的第一流體，並經由開口 46離開該環形體積。供給環形體積的第二流體的量是工程選擇的問題， 這取決於密封環形體積42內部可以容許的壓力的大小。這種量進一步受例如，井系統的尺寸，第二流體當供給環形體積時的溫度，井中將產生的流體的溫度，生產期間環形體積中的流體的預期溫度，套管柱的設計和規格等的影響。在足夠量的第二流體已經添加到環形體積42中以替換其中包含的至少一部分第一流體後，密封該環形體積42。圖2示出了由在沈的水泥塞子和在28示出的套管環帶塞子密封的環形體積42。通常，套管環帶密封件將井眼的頂部密封，從而阻止流體從井眼逃逸到環境中。因此，由套管柱的環形體積42表示的密封或約束的體積包含流體，該流體被約束在原位並且被阻止以任何顯著的程度從該體積洩漏。在圖2所示的實施方案中，用第二流體替換包含在體積例如環形體積42內的並在該體積內具有第一壓力和第一溫度的至少一部分第一流體，以使該體積填充有該第一流體和第二流體的結合物。通過水泥塞子沈和套管環帶塞子觀密封在該套管柱22和40之間的環形體積42。在該環形體積42內的包含第二流體的流體的溫度通常在0-100T的範圍內。對於海下設施，流體溫度(即第一溫度)通常小於60下，或小於40下，或例如，在 25 0F -35 °卩的溫度範圍內。當烴流體開始產生並向上流經生產導管52並流出井眼10時，這些流體通常在比第一溫度高的溫度下。50 T -300 °F的採出液溫度是預期的，並且經常遇到125 T -250 T 的溫度。導管52內的較熱的採出液將約束的環形體積42內的流體加熱，以使該流體處於第二壓力和第二溫度。在常規體系中，密封環形體積內的流體壓力隨著溫度升高將開始增加到顯著更高的壓力。相反，根據本發明，預先選擇第二流體以使在約束體積內的流體的溫度升高到第二溫度後，在該體積內的第二壓力比當該約束體積在該第二溫度下僅含第一流體時的壓力低。由本發明實踐獲得的利益和優點與常規方法的缺陷形成對比。環形體積最初填充有第一流體。第一流體的溫度可以在環境溫度或之下，這取決於在添加第一流體期間井眼的條件。對於海下井眼，可以通過水冷卻第一流體，通過該水，該第一流體從鑽井平臺處的來源在途中流到井眼。在這些條件下，第一流體通常將處於在0下-100下的範圍內的溫度。對於海下設施，流體溫度(即第一溫度)通常小於60下，或小於40下，或例如，在 25 T -35 °卩的溫度範圍內。在流體密封在環形體積內後，它被向上穿過井眼中的生產管道 52的採出液加熱；升高的溫度通常導致壓力增加，有時高到災難性的程度。環帶壓力相反，通過本發明方法將環形體積內的這種壓力控制到易控制的程度。在本發明實踐中，將包含流體的約束體積加熱，以使在該約束體積內的流體處於第二壓力和第二溫度。在一個實施方案中，第二壓力在整個約束體積中是均勻的。在另一個實施方案中，第二壓力可以在該體積內處處不同。在這個實施方案中，因此，第二壓力(和第二溫度)參考該環形體積內的具體位置，稱作選取位置。例如，井眼中的套管組件內的環形體積可以具有數百，甚至數千英尺的垂直深度。在該流體填充的井眼內的靜水壓力因此預期在井眼底部比在其頂部高。在另一個實施方案中，因此，本發明方法涉及控制環形體積內的最大壓力，考慮該體積內的靜水壓頭及其它因數。對本公開目的來說，目標壓力是在本發明實踐期間環形體積內所需的壓力。在一個實施方案中，在本發明實踐中的目標壓力是第二壓力，該第二壓力比該約束體積僅含第一流體時低。在另一個實施方案中，第二壓力等於環形體積內的第一壓力。在另一個實施方案中，預先選擇第二流體以使包含在密封環形體積內的第二流體在第二溫度下的第二壓力比在第一溫度下且僅含第一流體的未密封環形體積的第一壓力高至多50%，優選至多 30%，更優選至多15%。在很多情況下，可以測量第一壓力、第一溫度、第二壓力和第二溫度並且各自的數值可以是已知的。然而，本領域專業人員將承認，可以在不知道這些參數的數值的情況下全面實踐本發明。對本發明實踐足夠的是，第二壓力維持在小於壓力極限，在該壓力極限下， 其中包含流體的容器(例如套管柱)的完整性將被損害到不可接受的程度。第二流體體系當在此使用時，添加到環形體積中以控制該環形體積內的壓力的流體稱作第二流體或，在替代方案中，稱作環形流體。因而，第二流體具有熱膨脹性能，與基本上不可壓縮的液體可能預期的環形體積內壓力增加相比，該性能引起環形體積內更低的壓力增加。在套管柱40的安裝期間存在於井眼體積36中的流體，並因此當安裝套管柱時最初在環形體積 42內的流體稱作第一流體。第一流體的組成對本發明不是決定性的，並且將通常是用於鑽孔和完井的各種流體之一，包括例如，鑽井流體或完井流體。鑽井流體可以是水或油基的， 並且可以進一步包含表面活性劑、鹽、增重劑和任何需要用於有效冷卻鑽頭，清除巖屑和保護和調理用於流體生產的井眼的其他材料。同樣地，完井液可以是水或油基的，並且可以進一步包含用於清洗井眼和準備從地層開採流體的安裝結構的材料。在本發明實踐中，通過第二流體至少部分地替換在環形體積內的第一流體。一般而言，第二流體包含液體組分和有助於本文所述性能的附加組分。在一個實施方案中，第二流體是不可壓縮流體。在一個獨立的實施方案中，當使用常規裝置時，第一流體和第二流體的結合物是不可壓縮流體。液體組分可以包含水、烴或這兩者，包括例如，鑽井流體的一種或多種組分。包含溶解的有機和/或無機鹽、酸或鹼的水溶液可以包括在第二流體體系中。 可以包括烴混合物，包括通常存在於鑽井流體或完井液中的材料。實例包括柴油、C6-C^1混合物、醇、醛、酮、醚、羰基化物、芳族化合物、鏈烷烴和環烷烴。可以包括具有連續水相和不連續有機相的乳液；或者，可以包括具有連續有機相和不連續水相的乳液。另外，第二流體可以包括液相作為連續相，並且還包括固體，該固體可以作為漿料或作為塊狀顆粒存在。或者，第二流體可以包含液體作為連續相，該連續相具有氣相層，或包含呈在液體內的氣泡形式的氣相。在另一個實施方案中，第二流體按任何或所有上述形式包含液、氣和固相。在每個備選方案中，第二流體相對於流體溫度的增加具有出乎意料的膨脹性能。無水無機材料在一個實施方案中，第二流體包含在含水載流流體中的無水無機材料。無水無機晶體或材料向環形體積中的添加將過量水吸收到其結構中，並且減輕環帶壓力問題。例如， 無水硫酸鈣(包括工業型式，例如石膏和石膏板(plaster-of-paris))的每種通式量將10 個水合水吸收到其晶體結構中。無機化合物例如氧化鋇或氧化鈣也是有效的，它們也吸水。鋁矽酸鹽材料，包括結晶矽酸鋁例如沸石通過以分子水平捕集水使液體脫水。這種應用的實例沸石是3A、4A、13X和Y沸石。這些沸石在水合後不膨脹，並且事實上，在方法期間釋放空氣。在水合期間釋放的任何空氣將被引入約束的環形體積。因為空氣是可壓縮的，所以當加熱環形體積中的流體時由水合沸石產生的氣阱提供壓力緩衝。在本發明的一個優選的實施方案中，可以用任何可以緩慢溶於截留液的材料例如可緩慢溶解的聚合物包封吸水性無機化合物的粒料，以使可以使反應足夠延遲以在吸收劑作用發揮之前提供循環時間。這在二元或三元體系中也可能有效，其中水是被捕集的混合物的小組分(例如，6%水，其餘部分為礦物油或其它這樣的摻合物)。可緩慢溶解的聚合物的非限制性實例包括聚(乙烯醇)、羧甲基纖維素和明膠。在一個獨立的實施方案中，供給第二流體中的環形體積的至少一部分無機材料包含具有負熱膨脹係數的鎢酸鋯或鉬酸鋯。交聯的聚合物材料在一個獨立的實施方案中，一種或多種交聯的有機/聚合物材料包括在本發明的環形流體中以抵消當加熱在該密封體積內的環形流體時的壓力增加。任何尺寸上穩定的開口多孔泡沫材料(例如聚苯乙烯泡沫和聚氨酯泡沫)可以適合用於這一目的。當塗有可緩慢溶解的聚合物時，聚合物材料用於抵消增加壓力的影響的有效性得到提高。這樣，將塗有可緩慢溶解的聚合物的聚合物材料引入環形體積。在固井之後，該可緩慢溶解的聚合物溶解，使交聯聚合物暴露到環形流體中。增加壓力引起交聯聚合物起皺，這既降低環形體積內的壓力，又逐出最初捕集在該交聯聚合物內的蒸氣。聚合物的起皺和壓縮氣體的產生都有助於環形體積內的壓力降低。聚合體系在一個獨立的實施方案中，提供了如下控制約束體積內壓力的方法提供包含單體的第二流體，該單體在第二壓力和在第一溫度至第二溫度之間的範圍內的溫度下聚合， 並伴隨比體積減小。根據這一實施方案，當加熱時由於在密封環形體積之前被添加到環形流體中的單體聚合而使該密封環形體積內的壓力降低。當添加到環形體積中時，水溶性單體和水不溶性單體都可以聚合，並伴隨著體積減小(和該環形體積內的相聯繫的壓力降低)。相對於沒有本發明特定單體的聚合的類似體系，在密封環帶的約束體積中，此種體積減小將導致該約束體積內的壓力降低，本發明的單體可以與水，油或具有鑽井泥漿特徵的更複雜的混合物(包括第二流體準備中的高密度組分)混合。該單體將在第二流體中的存在量為1-99ν01%，更優選 5-75vol %，仍更優選10-50vol %。實例第二流體包含20vol %單體和80vol %第二組分，該第二組分包含水和高密度材料例如硫酸鋇。隨著單體的聚合，包括丙烯酸酯，例如丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸甲酯的聚合， 液體單體和固體聚合物之間的多達25%的體積收縮率可能由該聚合過程引起。參見， 例如， 「Acrylic and Methacrylic Ester Polymers 「 ， Encyclopedia of Polymer Science and Engineering，第二 片反，J. Kroschwitz, ed.，John Wiley&Sons, Inc.，第 1 卷，表 20，ρ· 266，(1985)和 D. A. Tildbrook 等人的〃 Prediction of Polymerization Shrinkage Using Molecular Modeling，「 J. Poly. Sci ；Part B Polymer Physics，41， 528-548 (2003) 0在本發明的一個優選的實施方案中，將單體懸浮或乳化(使用皂)在水中成為含合適聚合引發劑的水/油混合物，泵送入環形空間，並且在粘固後，聚合發生(再次，利用在接近凝固溫度下的緩慢動力學)，其中採用單體和水的20% vol/vol混合物可以達到高達5%的總體積降低。可能對這種就地聚合方法實用的其它乙烯基單體的非限制性實例包括其它丙烯酸系酯、甲基丙烯酸系酯、丁二烯、苯乙烯、氯乙烯、N-乙烯基吡咯烷酮、 N-乙烯基己內醯胺或其它這樣的油和/或水溶性單體。可以由為聚合方法選擇引發劑獲得附加利益。偶氮型引發劑在聚合方法期間產生氮氣作為副產物。在約束環形體積中產生的所得氣相組分(由於是可壓縮流體)可以幫助當環形流體正被穿過生產管道的產物流體加熱時控制該約束環形體積內的壓力。還可以使用過氧化物引發劑，這取決於產物流體的溫度和化學抑制。或者，如果如上所述被包封以控制聚合發生的時機，則還可以使用氧化還原引發劑體系例如過硫酸銨和活化劑N，N， N' N'-四甲基乙二胺，或過硫酸鉀和活化劑硫酸亞鐵/亞硫酸氫鈉。氣體產牛材料在另一個實施方案中，氣體產生材料的添加提供減輕環帶壓力問題的可壓縮氣阱。可用於本發明的氣體產生材料的實例包括將檸檬酸和碳酸氫鹽(按1 2重量比)與少量金縷梅萃取物結合到當與水水合時放出二氧化碳氣的可模塑產品中。優選地，這種材料的粒料塗有和/或包封有上述緩慢水溶性聚合物。在將這些粒料用於本發明實踐時，將被塗覆的粒料泵送入環形體積，然後如所述將該環形體積密封。該粒料的"定時釋放"產生排出氣體，該排出氣體在環形體積中以高水平被捕集。二元流體體系在另一個實施方案中，第二流體體系是包含兩種液體的二元流體體系，該兩種液體具有負共混體積係數。所謂的負共混體積係數是指具有此種性能，即當將這兩種液體共混在一起時共混液體的體積小於這兩種液體在共混之前的總體積。具有這種特定性能的實例流體包括醇與含水流體的共混物。實例醇包括C1-CJi ；優選的醇是甲醇、乙醇、丙醇和丁醇。在這種情況下，含水流體可以是安裝套管柱之後存在於環形體積中的鑽井流體。維持該醇為獨立相直到密封該環形體積是重要的(如所述)，然後形成含第二液體的共混物。在一個實施方案中，將醇作為較純的柱塞流泵送入環形體積；其中醇相與水相的顯著混合在密封該環形體積後在該環形體積內發生。或者，用任何可以緩慢溶於截留液的材料，例如可緩慢溶解的聚合物包封醇，以使使這兩個相的混合足夠延遲以確保混合在密封該體積後發生。可緩慢溶解的聚合物的非限制性實例包括聚(乙烯醇)、羧甲基纖維素和明膠。因此，在熱流體生產期間將環形體積加熱之前或期間，可緩慢溶解的聚合物溶解並且醇相與水相混合，導致該環形體積內的壓力比不如所述那樣添加該醇相而存在的壓力低。在進行這一實施方案時，添加佔環形體積中液體總體積至多90%，優選 5vol% -80vol%，更優選IOvol % _50νο1 %的醇相，該具體量取決於具體應用。實施例實驗室實驗證實在乳液聚合方法中甲基丙烯酸甲酯的混合物的有效的體積收縮， 並且通過下面的實施例，該方法證明在保持體積恆定，同時監測加熱循環期間的壓力的設備中(實施例1)，和在使用500英尺試驗井的現場試驗中(實施例2、有效。實施例1
在200psig起動壓力下用含水流體填充井下壓力計。然後密封該井下壓力計以阻止流體從該容器逃逸，並從加熱到100°C。如圖3所示，該井下壓力計內的流體的壓力在加熱循環期間增加到14，OOOpsigo在200psig起動壓力下用水性乳液流體填充上面使用的井下壓力計，該水性乳液流體包含20%按體積裝載的甲基丙烯酸甲酯(含偶氮型引發劑)。然後密封該井下壓力計以阻止流體從該井下壓力計逃逸，並從加熱到100°C。如圖3所示，該井下壓力計內的流體的壓力增加到大約3000psig，但是增加率比僅含水流體低。在大約70°C，引發甲基丙烯酸甲酯單體的聚合，並且該井下壓力計內的壓力降低到小於該井下壓力計內的初始壓力。實施例2還進行比例增大的現場試驗。將水用於在由7英寸和9又5/8英寸套管約束的環形空間內的500英尺深試驗井。在放置流體後，將該環形空間預加壓到500psig，然後通過在該7英寸管內部的循環熱水加熱。在2個小時的期間內，溫度輸入是190 °F，並且溫度輸出是160 0F (歸因於下孔穴(down-hole)地層吸收熱)。所得的壓力為大約2100psig(圖 4)。將如實施例1所述的類似乳液流體用於相同的試驗井，該流體包含20%按體積裝載的甲基丙烯酸甲酯(含偶氮型引發劑)。在初始500預加壓之後的數分鐘內，注意到，壓力已經降至零，所以再次將該環帶加壓至500psig。經2個小時，溫度如前所述升高，並且注意到，輸入與輸出溫度幾乎相同，這是由於聚合反應產生的熱。壓力再次降低到零，然後緩慢地增加到MOpsig的最終穩定壓力(圖4)。壓力的顯著下降歸因於單體至聚合物的收縮。分析在實驗結束時收集的樣品的單體和聚合物。證實存在痕量單體(<1%)，並且聚合物具有接近3百萬的重均分子量。
權利要求
1.在約束體積內控制壓力的方法，包括a)提供含有第一流體的體積，在該體積內該第一流體具有第一壓力和第一溫度；b)用第二流體替換該體積內的至少一部分第一流體，所述第二流體包含二元流體體系，該二元流體體系包含含水流體和醇；c)將該體積密封以產生約束體積；d)將在該約束體積內的流體加熱，以使該流體處於第二壓力和第二溫度；其中預先選擇該第二流體以使該第二壓力低於當該約束體積僅含第一流體時在第二溫度下的壓力。
2.根據權利要求1的方法，其中該體積是環形體積。
3.根據權利要求1的方法，其中該環形體積通過井眼內的兩個同心套管柱限定。
4.根據權利要求1的方法，其中該第一溫度為0下-100下。
5.根據權利要求1的方法，其中該第二溫度在50T -300下的範圍內。
6.根據權利要求5的方法，其中該第二溫度在125T -250下的範圍內。
7.根據權利要求1的方法，其中在步驟(c)的約束體積內的流體處於第一壓力和第一溫度。
8.根據權利要求1的方法，其中該第一壓力是步驟(a)的體積內的第一流體的最大壓力，其中該第二壓力是步驟(d)的體積內的流體的最大壓力。
9.根據權利要求1的方法，其中步驟(a)的體積內的流體在第一溫度下的第一壓力處於該體積內的選取位置，其中步驟(d)的體積內的流體在第二溫度下的第二壓力處於該體積內的選取位置。
10.根據權利要求1的方法，其中該醇選自C1-C8醇。
11.根據權利要求1的方法，其中該二元流體體系包含5v0l%-80VOl%醇。
12.根據權利要求1的方法，其中該第二流體內的醇與水相隔離直到將該環形體積密封。
13.根據權利要求1的方法，其中用可緩慢溶解的聚合物包封引入該第二流體中的醇。
14.根據權利要求1的方法，其中該二元流體體系內的醇維持單獨的相直到該體積被密封以產生約束體積。
15.在井眼的套管結構內控制壓力的方法，包括a)提供環形體積，該環形體積由井眼內的兩個套管柱限定並且在該環形體積內的選取位置含有具有第一壓力和第一溫度的第一流體；b)用第二流體替換該環形體積內的至少一部分第一流體，所述第二流體包含二元流體體系，該二元流體體系包含含水流體和醇；c)將該環形體積密封以產生約束體積；d)加熱該約束體積內的所述流體，以使在選取位置所述流體處於第二壓力和第二溫度；其中預先選擇該第二流體以使在該選取位置的第二壓力比當該約束體積在第二溫度下僅含第一流體時在該約束體積內的選取位置處的壓力低。
16.根據權利要求15的方法，其中該第二壓力比第一壓力高至多50%。
17.根據權利要求15的方法，其中該第二壓力比第一壓力高至多30%。
18.根據權利要求15的方法，其中該第二壓力比第一壓力高至多15%。
19.根據權利要求15的方法，其中該第二壓力等於第一壓力。
20.在井眼的套管結構內控制壓力的方法，包括a)提供環形體積，該環形體積由井眼內的兩個套管柱限定並且在該環形體積內含有在第一溫度下具有第一最高壓力的第一流體；b)用第二流體替換該環形體積內的至少一部分第一流體，所述第二流體包含二元流體體系，該二元流體體系包含含水流體和醇；c)將該環形體積密封以產生約束體積；和d)將該約束體積內的流體加熱到比該第一溫度高的高溫，以使至少一部分該流體處於第二最高壓力；其中預先選擇該第二流體以使該第二最高壓力比當該約束體積在該高溫下僅含第一流體時該約束體積內的最高壓力低。
21.在約束體積內控制壓力的方法，包括a)提供包含處於第一壓力和第一溫度下的第一流體和第二流體的體積，所述第二流體包含二元流體體系，該二元流體體系包含含水流體和醇；b)將該體積密封以產生約束體積；c)將該約束體積內的第一流體和第二流體加熱，以使該第一流體和第二流體處於第二壓力和第二溫度；其中預先選擇該第二流體以使該第二壓力低於當該約束體積僅含第一流體時在第二溫度下的壓力。
22.在井眼內的環形體積內控制壓力的方法，包括a)用第一流體填充該環形體積；b)在該環形體積內用第二流體替換至少一部分第一流體，該第二流體包含二元流體體系，該二元流體體系包含95vol% _20νο1%的含水流體和5vol% -80vol%的醇；和c)密封該環形體積。
23.根據權利要求22的方法，其中該二元流體體系包含90VOl%-50VOl%的含水流體和 IOvol % -50vol% 的醇。
24.在約束體積內控制壓力的方法，包括a)提供含有第一流體的體積，在該體積內該第一流體具有第一壓力和第一溫度；b)用第二流體替換該體積內的至少一部分第一流體，所述第二流體包含二元流體體系，該二元流體體系包含5vol% -80vol%的醇；c)將該體積密封以產生約束體積；d)將在該約束體積內的流體加熱，以使該流體處於第二壓力和第二溫度；其中預先選擇該第二流體以使該第二壓力低於當該約束體積僅含第一流體時在第二溫度下的壓力。
全文摘要
描述了用第二液體替換井眼內套管系統的環形體積內的至少一部分液體的方法。當該環形體積內的流體正被加熱時，預先選擇該第二液體以為該環形體積內的壓力提供控制措施，所述第二流體包含二元流體體系，該二元流體體系包含含水流體和醇。
文檔編號E21B36/00GK102305047SQ20111023036
公開日2012年1月4日 申請日期2006年11月16日 優先權日2005年11月18日
發明者B·C·盧埃林, D·M·寇特斯, J·B·布羅伊斯, M·E·岡薩雷斯, R·E·赫米斯 申請人:加利福尼亞大學董事會, 雪佛龍美國公司