[发明专利]用于井眼流体中的颗粒

说明书

技术领域

本发明涉及用于井眼流体中的重晶石增重剂，特别是用于钻孔流体中的重晶石增重剂。

背景技术

钻孔流体在钻探石油和天然气的整个过程中发挥了许多重要的功能。其中一个功能是在钻头碾磨穿过地壳时对所述钻头进行冷却和润滑。随着钻头下行，其产生“钻屑”，或者小块石头、粘土、页岩或沙子。井眼流体用于将这些钻屑向上传输返回地表。在钻孔过程中，将称为“套管”的大管插入井内，以为井眼加上衬套（line），并提供稳定性。本领域技术人员应理解，这些未加套管的井眼段暴露于储集层的高压，必须在能够设置套管之前对其进行稳定；否则，可能发生储集层的“井涌”或在极端情况下发生“井喷”——储集层流体向井眼内灾难性地、不受控制地流入。如果监控得当，井眼流体可以提供足够的压力稳定性，来对抗储集层流体的这种流入。

区别各种不同井眼流体在实现这些功能中的有效性的决定性特征是密度，或每单位体积的质量。井眼流体必须具有足够的密度，以将钻屑带至地表。通过增加井眼流体施加在井下地层表面上的压力，密度也有助于井眼的稳定性。钻孔内的流体柱施加液体静压力（也称水头压力），该压力与孔的深度和所述流体的密度成比例。因此，可以稳定钻孔且防止不期望的储集层流体流入的方法是，小心监控井眼流体的密度以保证维持足够大的液体静压力。

增加井眼流体的密度是期望已久的，而且，并不意外存在各种不同的方法。一种方法是向井眼流体中添加盐水形式的溶解盐，如氯化钠、氯化钙和溴化钙。另一种方法是将惰性的、高密度颗粒加入至井眼流体，以形成密度增加的悬浮液。这些惰性的、高密度颗粒通常称为“增重剂”，并典型地包括粉末状的重晶石、方解石或赤铁矿矿物。

天然存在的重晶石（硫酸钡）已用作钻孔流体中的增重剂多年。钻孔级重晶石经常由含硫酸钡的矿石生产，所述矿石或者来自单一源或者通过将几个来源的材料混合而获得。它可以包含除硫酸钡矿物之外的其它材料，并因而其颜色可以从灰白色变化为灰色或红棕色。美国石油协会（American Petroleum Institute,API）已经发布了磨碎的重晶石必须遵循的国际标准。

这些标准可参见于API规范13A，第2节。

其它材料（例如细碎的金属）已经被用作井眼流体用增重剂，例如见于PCT专利申请WO 085/05118中，所述专利申请公开了使用直径小于250μm并且优选为15-75μm的球形的铁颗粒，而且还已提出公开于US专利NO.4217229中的碳酸钙和碳酸铁作为增重剂。

本领域已知的是，在钻孔过程中增重剂以及钻屑可能产生沉降或“下陷（sag）”，这可能产生与井相关的众多问题，如循环液漏失、井眼失控、卡钻（stuck pipe）和较差的固井作业。

颗粒从井眼流体中沉降出来，发生下陷现象。

这种沉降导致泥浆密度或“泥浆比重（mud weight）”的显著局部变化，使得高于标称的或期望的泥浆比重的情况以及低于标称的或期望的泥浆比重的情况同时发生。该现象通常在所述井眼流体自下而上循环一个往返、测井或套管运行后出现。通常，在自下而上的循环中，轻泥浆之后紧随重泥浆。

下陷受到与操作实践或钻孔液体状况相关的多个因素的影响，所述因素如低剪切条件，钻柱转数、时间、钻孔设计、钻孔液体配方和性能，增重剂的质量。下陷现象容易发生在斜井中，最严重的下陷现象发生在大位移井中。

对于使用颗粒增重剂的钻孔流体而言，已知发生了差压卡钻（differential sticking）或所述颗粒增重剂在所述井眼的低侧上的沉降。

粒度和密度决定了增重剂的质量，这又与下陷程度相关。例如，可以看出，理论上更轻和更细的颗粒将下陷更少。然而，经常减小增重剂的粒度导致流体粘度的不期望的增加，尤其是其塑性粘度的不期望的增加。塑性粘度一般被理解为内部对流体流动的阻力的度量，这可归因于给定流体中存在的固体的总量、类型或尺寸大小。理论上说，可归因于粒度减小的这种塑性粘度的增加——以及由此增加总的粒子表面积——由吸附到颗粒表面的流体（如水或钻孔流体）的体积的相应增加而造成。因此，粒度小于10μm是十分不利的。

例如，WO2005/11874通过以下方式克服了这一问题：其采用平均颗粒直径在1微米至8微米之间的重晶石增重剂，其密度增加了，因此可抵抗下陷，而没有显著的粘度增加。该增重剂非常成功地达到了其预期目的的功能。