用於減少井筒濾失和濾液損失的方法和水性基井筒流體的製作方法

2023-05-02 08:56:06

專利名稱：用於減少井筒濾失和濾液損失的方法和水性基井筒流體的製作方法
用於減少井筒濾失和濾液損失的方法和水性基井筒流體發明背景 發明領域本文中公開的實施方案總體上涉及用於減少鑽井過程中井筒濾失(wellbore fluid loss)的方法和流體。還更具體地，本文中公開的實施方案涉及含有至少一種天然聚 合物和至少一種膠乳的共聚物的水性基井筒流體。
背景技術：
在井筒的鑽制過程中，各種流體典型用於各種功能的井。流體可以循環通過鑽杆 和鑽頭進入到井筒中，然後可以隨後向上流動通過井筒達到地面。在此循環中，鑽井液可 以起到下列作用將鑽井切屑從井眼的底部移動到地面；當循環中斷時懸浮切屑和加重材 料；控制地下壓力；在對井段下套管和注水泥之前，維持井筒的完整性；通過提供足夠的流 體靜壓力而分離來自地層的流體，以防止地層流體進入到井筒中；冷卻和潤滑鑽柱和鑽頭； 和/或將滲透速率最大化。如上所述，將井筒流體循環到井下以移除巖石，並且遞送試劑以抵抗上述各種問 題。流體組合物可以是水基的或油基的，並且可以包含加重劑，表面活性劑，支撐劑和聚合 物。然而，對於要進行其所有功能並且允許井筒作業繼續的井筒流體，流體必須保持在井眼 中。經常地，遭遇不期望的地層條件，其中顯著量的，或在一些情況下，實際上所有的井筒流 體可能損失到地層中。例如，井筒流體可以通過地層中的大的或小的裂縫或斷口或通過包 圍井眼的高度多孔的巖石基體離開井眼。因而，濾失或漏失循環液是重複出現的鑽井問題， 其特徵在於井筒流體損失到破裂的、高度滲透性的、多孔的、多孔穴的或含晶簇的井下地層 中。當用水基流體鑽制到頁巖地層中的具體問題是孔隙壓力增加和由流體滲透頁巖 而溶脹。典型將頁巖穩定劑加入到泥漿中以抑制這些現象並且穩定頁巖不受泥漿影響。降低侵入到井眼壁中的鑽井液壓力是保持井筒穩定性的最重要因素之一。據認 為，足夠的井眼壓力將穩定頁巖以保持井眼的完整性。將泥漿或液體侵襲頁巖時，孔隙中的 壓力上升並且泥漿柱和頁巖之間的壓力差下降。隨著壓力差下降，頁巖不再受到支持並且 可以容易地脫落並且落入到井筒中。類似地，水往頁巖基體中的侵入增加部分脫水的頁巖 主體的水合或潤溼，從而導致其軟化並且使其損失結構強度。化學反應性還可以導致不穩 定性。總是存在著對用於穩定頁巖地層的更好組合物和方法的需求。當從砂巖地層，特別是枯竭的砂巖地層回收烴時，存在著對密封並防止濾失的類 似需求。枯竭的砂巖地層是生產性的，或從前是生產性的烴區，它們的內含物已經被開採、 消耗或以其它方式消耗，從而產生比可以在井中使用的流體壓力更低的地層壓力。由於此 壓力差，重要的是部分或完全密封砂巖地層以抑制或防止泥漿往砂巖中的濾失。在解決這些和其它問題的嘗試中，已經使用可交聯或吸收聚合物，損失控制材料 (LCM)小段塞和水泥注入物(cement squeezes)。這些添加劑在下列方面具有應用防止泥漿損失，穩定和增強井筒，區域隔離和水封堵處理。一些典型的用於抵抗濾失的在井液中使 用的增粘添加劑包括天然聚合物和它們的衍生物，例如黃原膠和羥乙基纖維素(HEC)。另 外，可以使用廣泛的多糖和多糖衍生物，如現有技術中已知的。此外，在完井作業中在不破壞地層滲透性的情況下提供有效的濾失控制已經成為 對理想濾失控制小段塞的主要要求。常規濾失控制小段塞包括多種聚合物或樹脂，碳酸鈣， 和粒級鹽濾失添加劑，其已經隨著變化的濾失控制程度而被使用。這些小段塞從特定固體 的存在而實現了它們的濾失控制以抑制流入或流過地層，所述特定固體依賴於積聚在地層 表面上的濾餅。然而，這些添加劑材料在其施用以後可以導致對井筒附近區域的嚴重破壞。 如果不將地層滲透性恢復到其最初水平，則此破壞可以顯著降低開採水平。此外，在完井作 業中的合適的點，必須移除濾餅以恢復地層的滲透性，優選恢復至其最初水平。當用於井控制或保持穩定井筒所需的泥漿重量超過地層的抗破裂性時，也可能發 生誘導的泥漿損失。特別挑戰性的情況出現在枯竭的油層中，其中孔隙壓力的下降弱化含 烴巖石，但是附近的或內部嵌入的低滲透性巖石如頁巖保持它們的孔隙壓力。這可以使得 某些枯竭的區不可能進行鑽制，原因在於用於支持頁巖所需的泥漿重量超過了砂巖和粉砂 的抗破裂性。儘管通常將各種天然和合成聚合物加入到井筒流體中以控制流體往到地下地層 中的濾失，向其中泵送水基流體的一些井筒具有相對高的井下溫度和/或壓力，常規濾失 控制劑在所述相對高的井下溫度和/或壓力是不穩定的。同樣地，這些濾失控制劑可能不 能起到其提供井下濾失控制目的的作用。因此，存在著對在使用水性基井筒流體時減少濾失的方法和系統的持續需求。發明概述在一個方面中，本文中公開的實施方案涉及用於防止井下井筒濾失的水性基井筒 流體，所述水性基井筒流體包含至少一種共聚物，所述共聚物由至少一種天然聚合物單體 和至少一種膠乳單體形成；和水性基液。在另一個方面中，本文中公開的實施方案涉及用於鑽制井筒的方法，其包括將水 性基井筒流體引入到井筒中，並且在鑽井的同時循環所述水性基井筒流體，其中所述水性 基井筒流體包含天然聚合物和膠乳的共聚物。本發明的其它方面和優點將從下列描述和後附權利要求變得明顯。詳細描述在一個方面中，本文中公開的實施方案涉及用於防止井下井筒濾失的水性基井筒 流體，該水性基井筒流體包含至少一種共聚物和水性基液，所述至少一種共聚物由至少一 種天然聚合物單體和至少一種膠乳單體形成的共聚物。在另一個方面中，本文中公開的實 施方案涉及用於鑽制井筒的方法，所述方法包括將水性基井筒流體引入到井筒中，並且在 鑽井的同時在所述井筒內循環所述水性基井筒流體，其中所述水性基井筒流體包含天然聚 合物和膠乳的共聚物。在又另一個方面中，本文中公開的實施方案涉及密封井筒的方法，所 述方法包括將水性基井筒流體引入到井筒中，並且在鑽井的同時在所述井筒內循環所述水 性基井筒流體，其中所述水性基井筒流體包含天然聚合物和膠乳的共聚物。本發明人已經驚奇地發現，天然聚合物和膠乳的共聚物當加入到水性井筒流體中 時可以減少對於向土質地層(earthen formation)的井筒濾失。本發明人還已經驚奇地發現，包含天然聚合物和膠乳的共聚物的井筒流體可以對進入到低滲透性地層如頁巖和粘土 中的過濾損失提供控制。本發明人還進一步地驚奇地發現，包含天然聚合物和膠乳的共聚 物的水性井筒流體可以提供在等於或高於400 °F的溫度範圍內的過濾損失控制。通常，所使用的濾失控制添加劑的類型取決於眾多因素，包括要密封的地層類型， 井的計劃深度和預計遭遇的井下溫度。例如，用於濾失控制或粒子懸浮目的的包含天然聚 合物如樹膠、澱粉和纖維素衍生物的井筒流體、隔離液和衝洗液在高溫可能變得不太穩定。 此外，含有在高溫變得不太穩定的天然聚合物(一些可能在低至225下的溫度降解)的井 筒流體可能不適於長期性能應用或HPHT井，在所述HPHT井中，井下溫度通常在這些天然聚 合物穩定的溫度的溫度範圍的較高端。對處於此範圍的較高端的溫度的持續暴露可能導致 井筒流體的天然聚合物組分降解。此降解又可以導致井筒濾失的控制損失或往地層中的過 濾損失。同樣地，包含在較高溫度是熱不穩定的天然聚合物的井筒流體可能不適於長期性 能應用或HPHT井。相反，對於高於225下的溫度，合成聚合物如丙烯醯胺基，AMPS基和丙 烯酸酯基聚合物可以代替地用於在等於或高於400 供比天然聚合物更大的熱穩定性。此外，儘管包含天然(或丙烯醯胺基合成)聚合物的井筒流體在防止往高滲透地 層中的井筒濾失方面相當有效，在高滲透地層中，可以在可滲透介質上積聚濾餅，但是這樣 的井筒流體在防止往低滲透性地層如頁巖和粘土中的濾失方面可能沒有那麼有效，在低滲 透性地層如頁巖和粘土中，歸因於地層的相對不可滲透性，不能積聚這種濾餅。因而使用天 然聚合物的井筒流體仍可以滲透並進入到低滲透地層的孔隙中。當流體侵襲頁巖時，孔隙 壓力增大並且相應的在地層和井筒流體柱之間的壓力差的減小於是可能導致地層支撐的 損失和地層的一部分最後結果是坍塌到井筒中。同樣地，含有天然聚合物的井筒流體可能 不適於密封低滲透地層例如粘土和頁巖。對於低滲透性地層而言，合成聚合物如膠乳可以作為密封劑使用。聚合物膠乳密 封是半滲透性的，因而密封地層典型與結合/沉澱劑如金屬配合物結合，從而引起膠乳沉 澱在井筒壁上，這因而可以減小往頁巖地層中的泥漿壓力滲透的速率。作為密封劑的膠乳 的這種用途的實例可以在美國專利6，258，757,6, 715，568,6, 703，351和7，271，131中找 到。然而，這種膠乳聚合物通常具有甚至低於天然聚合物的熱穩定性(典型地，< 250 T )。 另外，與共沉澱劑的結合典型使得這些膠乳聚合物在更具滲透性的地層中不足以單獨起到 濾失控制添加劑的作用。已經發現包含天然聚合物和膠乳的共聚物的井筒流體具有天然聚合物或膠乳不 具有的獨特性質。特別驚奇地考慮的是，在性質上的這種改進不能使用包含天然聚合物和 膠乳的共混物的井筒流體獲得。本發明人已經發現，包含天然聚合物和膠乳聚合物的共聚 物的井筒流體被發現有效地防止井下井筒濾失和濾液損失。此外，本發明人已經驚奇地發 現，本公開的井筒流體和鑽井方法可以允許控制往高滲透地層和低滲透地層如粘土和頁巖 中的井筒濾失和濾液損失。再進一步地，本公開的井筒流體和鑽井方法可以在高於400 T 的溫度內提供對於井筒濾失和濾液損失的控制。天然聚合物和膠乳的共混物在此範圍的高 端將不穩定，因為天然聚合物組分和/或膠乳組分將降解，從而引起濾餅的早期降解。天然聚合物和膠乳在化學結構和物理性質方面是非常不同的聚合物。本公開的井 筒流體包含天然聚合物和膠乳的共聚物，所述共聚物包含至少一種天然聚合物單體和至少 一種膠乳單體。所述至少一種天然聚合物和至少一種膠乳的共聚物據認為在較寬的溫度範圍內對井筒流體提供提高的溫度穩定性。天然聚合物單體如本文中使用的，「天然聚合物」是指通過由活的有機體產生的任何聚合物。天然 聚合物的實例包括多糖，木質素，褐煤材料和丹寧酸類。本領域技術人員應當知曉在本文中 公開的方法和水性井筒流體中有用的天然聚合物的範圍。木質素和褐煤材料木質素是涉及纖維素的複雜、天然、無定形聚合物，其提供剛性並且與纖維素一 起形成植物的木質細胞壁以及它們之間的粘結材料。木質素主要由4-羥基苯基丙烷 (4-hydroxyphenylpropanoids)的氧化耦合形成。木質素聚合物的小片段的結構的實例表
示如下
權利要求
1.一種用於防止井下井筒濾失的水性基井筒流體，所述水性基井筒流體包含至少一種共聚物，所述共聚物由至少一種天然聚合物單體和至少一種膠乳單體形成；和水性基液。
2.根據權利要求1所述的井筒流體，其中所述至少一種天然聚合物是下列各項中的至 少一項木質素，褐煤材料，單寧酸類，澱粉，糖原，纖維素，刺槐豆膠，黃原膠，汶萊膠，硬葡 聚糖膠，瓜耳膠，以及它們的混合物和衍生物。
3.根據權利要求2所述的井筒流體，其中所述至少一種天然聚合物是玉米澱粉，纖維 素，馬鈴薯澱粉，木薯澱粉，小麥澱粉和稻米澱粉中的至少一種。
4.根據權利要求1所述的井筒流體，其中所述膠乳是下列各項的聚合物或共聚物中的 至少一種乙酸乙烯酯，脂肪酸的乙烯酯，丙烯酸和甲基丙烯酸的酯，丙烯腈，苯乙烯，氯乙 烯，偏二氯乙烯，四氟乙烯和其它單烯烴不飽和單體。
5.根據權利要求4所述的井筒流體，其中所述膠乳是下列各項中的至少一項苯乙 烯-丁二烯共聚物，聚甲基丙烯酸甲酯，聚乙烯，聚乙酸乙烯酯，天然乳膠，聚異戊二烯，聚 二甲基矽氧燒，聚乙酸乙烯酯共聚物，和它們的混合物。
6.根據權利要求1所述的井筒流體，其中所述共聚物提供在高於300下的溫度的過濾 控制。
7.根據權利要求6所述的井筒流體，其中所述共聚物提供在高於350下的溫度的過濾 控制。
8.根據權利要求7所述的井筒流體，其中所述共聚物提供在高於400下的溫度的過濾 控制。
9.根據權利要求1所述的井筒流體，所述井筒流體還包含至少一種加重劑。
10.根據權利要求1所述的井筒流體，其中所述井筒流體以所述流體的0.1至20重 量％範圍內的量包含所述共聚物。
11.一種用於鑽制井筒的方法，所述方法包括將水性基井筒流體引入到所述井筒中；和在鑽井的同時循環所述水性基井筒流體，其中所述水性基井筒流體包含天然聚合物和膠乳的共聚物。
12.根據權利要求11所述的方法，所述方法還包括允許所述共聚物在所述井筒的壁上 形成至少一部分的濾餅。
13.根據權利要求11所述的方法，其中將所述共聚物以聚合物溶液或聚合物懸浮液形 式加入到所述井筒流體中。
14.根據權利要求11所述的方法，其中所述天然聚合物是下列各項中的至少一項木 質素，褐煤材料，單寧酸類，澱粉，糖原，纖維素，刺槐豆膠，黃原膠，汶萊膠，硬葡聚糖膠，瓜 耳膠，以及它們的混合物和衍生物。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述天然聚合物是玉米澱粉，纖維素，馬鈴薯澱 粉，木薯澱粉，小麥澱粉和稻米澱粉中的至少一種。
16.根據權利要求11所述的方法，其中所述膠乳是下列各項的聚合物或共聚物中的至 少一種乙酸乙烯酯，脂肪酸的乙烯酯，丙烯酸和甲基丙烯酸的酯，丙烯腈，苯乙烯，氯乙烯，偏二氯乙烯，四氟乙烯和其它單烯烴不飽和單體。
17.根據權利要求16所述的方法，其中所述膠乳是下列各項中的至少一種苯乙 烯_ 丁二烯共聚物，聚甲基丙烯酸甲酯，聚乙烯，聚乙酸乙烯酯，天然乳膠，聚異戊二烯，聚 二甲基矽氧燒，聚乙酸乙烯酯共聚物，和它們的混合物。
18.根據權利要求11所述的方法，其中所述共聚物提供在高於300井下溫度的有 效過濾控制。
19.根據權利要求18所述的方法，其中所述共聚物提供在高於350井下溫度的有 效過濾控制。
20.根據權利要求19所述的方法，其中所述共聚物提供在高於400井下溫度的有 效過濾控制。
21.根據權利要求11所述的方法，還包括至少一種加重劑。
22.根據權利要求11所述的方法，其中所述井筒流體以不超過20重量％的量包含所述 共聚物。
全文摘要
本文中公開的實施方案涉及用於防止井下井筒濾失的水性基井筒流體，所述水性基井筒流體包含至少一種共聚物和水性基液，所述至少一種共聚物由至少一種天然聚合物單體和至少一種膠乳單體形成。
文檔編號C09K8/56GK102083939SQ200980126166
公開日2011年6月1日 申請日期2009年5月4日 優先權日2008年5月5日
發明者伊曼紐爾·斯塔馬塔基斯, 斯蒂夫·揚 申請人:M-I有限公司