專利名稱：鉆井和固井的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明論述油氣井的鉆井和固井問題。
油井或氣井的井眼通常是垂直鉆的。然而，有時(shí)需要鉆傾斜井眼。例如，含油層位于建筑物地區(qū)下面或河流等自然障礙物之下時(shí)。近些年來，由于大量的海上鉆井，不能為每一口井建一座獨(dú)立平臺(tái)，這就使鉆傾斜井更加重要。
鉆垂直井眼，鉆井過程一般是用旋轉(zhuǎn)鉆井方法進(jìn)行的。
旋轉(zhuǎn)鉆井是用包括安裝在鉆柱下端的鉆頭的旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備完成的。負(fù)荷加在旋轉(zhuǎn)著的鉆頭上，鉆入地層。鉆柱是空心的，在井眼鉆深時(shí)，把鉆桿加到鉆柱上，增加它的長(zhǎng)度。旋轉(zhuǎn)鉆井時(shí)，用旋轉(zhuǎn)鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)和/或驅(qū)動(dòng)安裝在鉆柱下端的井下馬達(dá)旋轉(zhuǎn)鉆頭。
這種旋轉(zhuǎn)鉆井方法形成嚴(yán)重的摩擦力，而發(fā)熱和生成地層碎屑，必須從井眼中清除掉碎屑，和冷卻鉆頭以延長(zhǎng)其使用壽命。這兩種需要是用鉆井液通過鉆柱向再經(jīng)鉆柱與井壁間的空間還回地面的循環(huán)方法實(shí)現(xiàn)的。這樣做的過程中，會(huì)在井壁上沉積上薄層，通稱為泥餅。泥餅是由鉆井液中的固體物質(zhì)和被鉆地層及井眼中的流體壓差的綜合因素形成的。因?yàn)殂@井過程中井眼中液柱產(chǎn)生的靜壓力最好略微高于到大大高于地層的孔隙壓力。這就使泥漿液相具有向地層滲漏的趨勢(shì)，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，由于固體物質(zhì)通常粒徑較大不能滲入地層，它們就沉淀在井壁上。
一旦井眼鉆到預(yù)定深度，能把井眼穿透的地層，層段或井段獨(dú)立分開是最理想的。為了從地層中采出流體，應(yīng)從地面向井眼下套管，其它管柱安裝在套管內(nèi)。
據(jù)此，需要用某種材料充填套管與井壁或套管與襯管間的環(huán)形空間，這種材料能封堵環(huán)形空間并支撐固定套管或襯管，通常把這種工藝叫做固井。
鉆一口廣義的傾斜井井眼是非常昂貴的，其中部分原因就是因固井作業(yè)難度大。在傾斜井中，要使套管準(zhǔn)確的處于井眼的中心，這是根本不可能的，這就產(chǎn)生了兩個(gè)問題首先，排出環(huán)形空間更窄一側(cè)井壁上的流體更加困難;其次，清除環(huán)形空間狹窄和井壁上的泥餅更加困難。因?yàn)槟囡炓话悴荒芘c水泥牢固粘結(jié)，使后一個(gè)問題更為重要，這可能使沖替鉆井泥漿的流體造成溝道和/或者在環(huán)形空間留下大量未排出的、不能相容的泥漿而造成固井溝道，在最后的固井作業(yè)中，產(chǎn)生各種各樣的空洞。
本發(fā)明的一個(gè)目的是用水泥固結(jié)廣義的傾斜生產(chǎn)井。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是防止生產(chǎn)井固井作業(yè)中形成空洞。
本發(fā)明的第三個(gè)目的是防止生產(chǎn)井環(huán)形空間狹窄部分殘存的水泥和泥餅間的不相容難題。
為了達(dá)到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的鉆井和固井方法包括用鉆柱和鉆頭組成的旋轉(zhuǎn)鉆井組件，和含有高爐的礦渣和水的鉆井液鉆一口廣義的傾斜生產(chǎn)井。
鉆井液經(jīng)鉆柱向下面經(jīng)鉆柱與井壁之間的環(huán)形空間向上進(jìn)行循環(huán)，因此，在鉆井過程中井壁上形成泥餅;
起出鉆柱組件，下套管;
向鉆井液加入活化劑，生成有粘結(jié)性的水泥漿;及具有粘結(jié)性的水泥漿通過套管向下，上返進(jìn)入套管與井壁形成的環(huán)形空間進(jìn)行循環(huán)。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，利用鉆井液中的高爐礦渣，在井壁上形成可相容的泥餅，因此，環(huán)形空間狹窄處井壁的泥餅變成有利因素而不是缺點(diǎn)。此外，正如將在下面詳細(xì)討論的那樣，未替換出的泥漿轉(zhuǎn)化成堅(jiān)硬的致密填料。
文中術(shù)語“廣義井”意指包括有時(shí)叫做鉆斜井，水平鉆井或定向鉆井的那些技術(shù)。本發(fā)明適用于那種井-與垂向偏差小至1%，即使這么小的井身偏差也會(huì)給套管居中造成困難。其它極端的情況該屬水平井了，這很少見。本發(fā)明對(duì)下述這類井特別有價(jià)值偏差1°-90°，最好是10°-90°之間，最佳30°-80°之間。本發(fā)明對(duì)鉆偏斜角至少為30°的那類井特別有利。
本文中用的“鉆井液”術(shù)語意指水基或油基液體，它含有水，高爐礦渣，和至少一種其它添加劑(如增粘劑，降粘劑，溶解鹽，巖屑微粒，增加液體密度的固體增重劑，防止鉆井液和地層相互有害作用的地層穩(wěn)定劑，及提高鉆井液潤滑性能的添加劑。
在優(yōu)選的實(shí)例中，其中加入高爐礦渣和催化劑活化鉆井液，(詳情下面討論)，使鉆井液和水泥漿的流變學(xué)特性都成最優(yōu)化狀態(tài)。最后，按本發(fā)明配制的鉆井液和水泥漿具有耐鹽水特性，而且還受益于海水。由于使用廣義井的主要領(lǐng)域是海上鉆井，這里當(dāng)然會(huì)有海水，所以這種方法就更有意義。因?yàn)楸景l(fā)明中使用的鉆井液，要成為水泥漿的一部分，所以這種鉆井液可叫做通用液，即在鉆井和固井中都可使用。一般來說，初始鉆井液可以是含有高爐礦渣的已知任何類型的鉆井液之一種。較合適的鉆井液包括那些本領(lǐng)域中已知的水基泥漿，清水泥漿，海水泥勻漿，鹽水泥漿，鹵水泥漿，石灰泥漿，石膏泥漿，聚醇類泥漿和水包油乳化液。USA專利No.5，058，679中公布了一組適用的鉆井液。此外，含油也含水的泥漿也可使用，如低含水油基泥漿和反油乳化液泥漿。不管是那種情況，泥漿必須含有高爐礦渣，一般來說礦渣含量為2.8-285kg/m3最后的鉆井液、較好的是28-228kg/m3，最好是57-143kg/m3。
可加入粘性材料制成通用鉆井液的典型鉆井液配方如下10-20重量%鹽，23-28kg/m3
土，11-17kg/m3羧甲基淀粉(防失水劑，Milpark Drilling Fluids公司以商標(biāo)名“NEWDRIL”銷售)，1-3kg/m3部分水解的聚丙烯酰胺(PHPA)(這是一種頁巖穩(wěn)定劑，Milpark Drilling Fluids公司以商標(biāo)名“NEWDRIL”銷售)，3-4kg/m3CMC(Milpark Drilling Fluids公司以商標(biāo)名“BIOLOSE”銷售)，85-200kg/m3鉆屑，0-715kg/m3重晶石。
因?yàn)殂@井液要成為最后具有粘結(jié)性的泥漿的一部分，所以，要處理的廢泥漿的數(shù)量就大大減少了。
本發(fā)明的另一實(shí)施例方案中，鉆井液的多數(shù)組分或全部組分都要經(jīng)過選擇，以便這些組分也能在粘性材料中起作用。下面表1和表2說明了這種鉆井液配方和粘結(jié)性泥漿配方的特點(diǎn)。
表1鉆井液中添加劑的作用添加劑 主要作用 次要作用合成聚合物1防失水淀粉2防失水控制粘度生物聚合物3粘度硅酸鹽 粘度 頁巖穩(wěn)定劑碳水化合物 反絮凝劑聚合物4重晶石5控制密度
土6防失水粘土/石英粉7- -礦渣8巖屑穩(wěn)定劑 -石灰9頁巖穩(wěn)定劑調(diào)節(jié)堿度
PECP10巖屑/井眼穩(wěn)定劑防失水NaCl 頁巖穩(wěn)定劑油 潤滑劑 防泥包鉆具表2 粘結(jié)性泥漿中添加劑的作用添加劑 主要作用 次要作用合成聚合物1防失水緩凝劑淀粉2防失水緩凝劑生物聚合物3粘度緩凝劑硅酸鹽 促凝劑碳水化合物 緩凝 反絮凝劑聚合物4重晶石5調(diào)節(jié)比重
土6防失水調(diào)節(jié)鉆屑濃度粘土/石英粉7調(diào)節(jié)鉆屑濃度礦渣8調(diào)節(jié)粘結(jié)性調(diào)節(jié)鉆屑濃度石灰9速凝劑調(diào)節(jié)鉆屑濃度PECP10緩凝劑控制流變性NaCl - -油 - -
1.如SKW化學(xué)公司制造的合成聚合物，商品名為“POLYDRILL”。
2.如Milpark公司生產(chǎn)的淀粉，商品名為“PERMALOSE”。
3.如Kelco oil Field集團(tuán)公司制的生物聚合物，商品名為“BIOZAN”。
4.如Grain processing公司制造的水溶性碳水化合物聚合物，商品名為“MOR-REX”。
5.重晶石，即BaSO4，鉆井液增重劑。
6.
土，即粘土或叫膠質(zhì)粘土，增粘劑。
7.如Milwhite公司制造的粘土/石英粉，商標(biāo)名為“REVDUST”。
8.Blue Circle Cement公司制造的高爐礦渣，商標(biāo)名為“NEWCEM”的最適用。
9.CaO10.多環(huán)聚醚多元醇，USA專利No.5，058，679中曾描述過。
所謂“高爐礦渣”指的是高爐中熔化金屬還原礦石排出的水凝性廢料，USA專利No.5，058，679中曾有說明，該說明在此并入本發(fā)明。所說的“磷鹽”系指膦酸鹽，磷酸鹽或聚磷酸鹽，下面將詳細(xì)說明。
適用的高爐礦渣是指粘結(jié)性泥漿中唯一的水凝組分。
本發(fā)明中使用的優(yōu)選高爐礦渣，是玻璃質(zhì)含量高的礦渣，它是溫度為1400℃-1600℃的礦渣熔流與大量的水充分接觸急劇冷卻生成的。驟冷把礦渣熔流轉(zhuǎn)變成具有水凝性的玻璃狀材質(zhì)。這時(shí)，它通常是粒狀物質(zhì)，很容易磨成要求的粒度。礦渣中的化學(xué)成分有二氧化硅，氧化鋁，氧化鐵，氧化鈣，氧化鎂，氧化鈉，氧化鉀和硫。本發(fā)明中使用的高爐礦渣最好應(yīng)具有特定的粒度，使其比面積在2000cm2/g-15000cm2/g，再好一些的是3000cm2/g-15000cm2/g，更好點(diǎn)的是4000cm2/g-9000cm2/g，最好的是4000cm2/g-8500cm2/g，各例中，比表面積或表面積是伯努尼(Blaine)比表面積。完全具備這些條件的高爐礦渣可以買到。Bloue circle cement公司生產(chǎn)的商品名為“NEWCEM”。礦渣可從馬里蘭州Sparrows point市的Bethlehem鋼鐵公司得到。
常用的高爐礦渣組分的重量百分比為SiO2，30-40;Al2O3，8-18;CaO，35-50;MgO，0-15;氧化鐵，0-1;S，0-2;氧化錳，0-2。典型的例子是SiO2，36.4;Al2O3，16.0;CaO，43.3;MgO，3.5;氧化鐵，0.3;S，0.5;氧化錳，＜0.1。
具有較小粒徑的高爐礦渣常常是合乎需要的，因?yàn)樗膹?qiáng)度大，在許多情況下把高強(qiáng)度特賦予最后的水泥漿。涉及到確定粒徑時(shí)，術(shù)語“細(xì)?！笔怯脕砻枋霰缺砻娣e為4000-7000cm2/g的顆粒，相應(yīng)的粒徑為16-31微米;“微細(xì)?！笔怯脕砻枋瞿欠N比面積為7000-10000cm2/g的顆粒，相應(yīng)的粒徑為56-16微米，“超細(xì)粒”是用來描述比表面積大于10000cm2/g的顆粒，相應(yīng)的粒徑為5.5微米或更小。小粒徑高爐礦渣從奧柯拉荷馬州，吐爾薩市的Blue circle Cement公司購買，商品名為“WELL-CEM”，和Geochem公司的產(chǎn)品，商品名為“MICROFINE MC100”。
但是，把礦渣研磨成上述那種粒徑，是非耗費(fèi)時(shí)間的。從一定意義上講，不可能把礦渣磨成一種粒徑的顆粒。因此，不論何種研磨方法只能得到雜散的多種粒徑。粒徑與具有該粒徑的顆粒的百分比圖，得出一條顯示粒徑分布的曲線。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案中，具有雜散的多種粒徑分布高爐礦渣，在粒徑與具有該粒徑的顆粒百分比圖上呈現(xiàn)出的至少兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是有用的。發(fā)現(xiàn)如果僅有部分顆粒是超微粒級(jí)，那么，其余的，也是占多數(shù)的礦渣可研磨得更粗些，而且基本上仍能得到與花更多的錢把全部礦渣磨成超微所得結(jié)果相同。因此，至少能使5%的顆粒其粒徑為1.9-5.5微米的研磨工藝在經(jīng)濟(jì)與效果方面提供了突出的優(yōu)點(diǎn)，更好一些的是6-25重量%的顆粒處于粒徑為1.9-5.5微米之間。獲得這類組分的最簡(jiǎn)便方法是只把少量高爐礦渣研磨成超細(xì)粒并把這種粉末與不太嚴(yán)格條件下磨制的礦渣粉相混合。即使在不太嚴(yán)格的條件，也有些顆粒是細(xì)粒，微細(xì)?；虺?xì)粒級(jí)的。因此，只有少量礦渣，如4重量%，較好的是5-10重量%可磨成超細(xì)粒級(jí)，其余的按常規(guī)方法研磨，得到的顆粒粒徑一般大于11微米，大多數(shù)粒徑在11-31微米之間。
如上所述，淡水的和鹽水的兩種泥漿都可使用，但是，以含0.1-26%重量(NaCl)的鉆井液為好，更好的是含3-10%重量(NaCl)的鉆井液為好，更好的是含3-10%重量(NaCl)的鉆井液。一個(gè)可用的來源是直接用海水或類似海水的鹵水溶液。與設(shè)想的結(jié)果相反，鹵水實(shí)際上提高了水泥的最終強(qiáng)度。
各種鹽類，最好是無機(jī)鹽，是適用于本發(fā)明所用鉆井液的，這些鹽類包括但不限于NaCl，NaBr，KCl，CaCl2，NaNO3，NaC2H3O2，KC2H4O2，NaCHO2，和KCHO2，如上所述，其中以NaCl為最好。廣義上講，這些鹽類都能用，如果愿意用的話，在不高于其飽和度的條件下使用。
本發(fā)明的另一特點(diǎn)，是能把鉆井液和最終水泥漿的流變學(xué)特性滿足特殊井眼的條件。由于使用礦渣作水凝材料得出的最終的粘結(jié)性水泥漿，這種水泥漿不會(huì)象加入波特蘭礦渣水泥那樣，在泥漿比較稀釋時(shí)降低其性能。另一方面，加入礦渣并沒有把極高的粘度賦予水泥漿。因此，如果愿意的話，可以使用高濃度的水凝材質(zhì)。
然而，在本發(fā)明優(yōu)選的方法中，使用鉆井液，此后，在加高爐礦渣之前或在加的過程中再把鉆井液稀釋。稀釋液可以是和制鉆井液時(shí)用的液體相同，或者，也可用其它液體。一般來說，是鹵水，如果鉆井液是用鹵水配帛的，更應(yīng)用鹵水作稀釋液。也可用更濃的鹵水，多數(shù)情況下，稀釋液和配制初始鉆井液用的液體都應(yīng)優(yōu)先選用海水。這對(duì)在海上鉆井是特別有利的，用海上淡水不容易得到而海水是很容易取得的。相應(yīng)的有利條件是從海上平臺(tái)鉆偏離垂向至少30°的井。
因此，作業(yè)工藝得到明顯的改進(jìn)。這是因?yàn)槭紫饶苓x擇鉆井液密度，使其足以防止因地層壓力而使地層流體進(jìn)入井眼，但又要使鉆井液不能破壞井壁而促使鉆井液進(jìn)入地層。利用稀釋，其后再加礦渣的辦法，粘結(jié)性水泥漿也能具有與鉆井液一樣適合特殊作業(yè)的密度。
可用兩種方法中任一方法進(jìn)行稀釋。首先，把裝鉆井液的容器關(guān)閉，加入預(yù)定的水量或預(yù)定的稀釋液量。然而，在優(yōu)先選擇的實(shí)施方案中，鉆井液是以流動(dòng)狀態(tài)通過混合帶，在“流動(dòng)中”把稀釋液加入流動(dòng)著的液流中，其后，再加入高爐礦渣。這就避免了高粘度粘結(jié)性水泥漿的形成，因而可用泵通過管道輸送，泵是因井裝置上的，無需專門設(shè)計(jì)泵水泥漿的泵。在有些領(lǐng)域使用本發(fā)明就特別有價(jià)值，如海上鉆機(jī)，再運(yùn)送額外的泵水泥設(shè)備是極不方便的。根據(jù)要求，可把粘結(jié)性水泥漿的最終密度調(diào)制成鉆井液初始密度30%不到和70%多之間任何值，較好的是15%不到和50%多，最好是基本相同，即變化不大于重量的±5%。
完鉆之后，活化鉆井液。加入活化劑(下面詳細(xì)討論)，再加入礦渣或兩者同時(shí)加可做到這一點(diǎn)。較優(yōu)先選擇的是加礦渣和催化促凝劑。含水凝材料(而不是礦渣)的粘結(jié)性水泥漿也屬本發(fā)明的范圍，例如，火山灰和其它水凝材料。所說的“水凝材料”系指那種與水或其它活化劑接觸就變硬或固化的材料。在粘結(jié)性水泥漿中的粘結(jié)材料的總量一般在57kg/m3-1712kg/m3之間，較好的是285-1430kg/m3，最好是428-1000kg/m3。多數(shù)優(yōu)先選擇的實(shí)施方案中，水凝材料完全或基本上是由礦渣制成的，而不加其它水凝材料。
在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，鉆井作業(yè)時(shí)用普通鉆井液，其后，<p>準(zhǔn)函數(shù)名稱的位置總是在類型符的內(nèi)側(cè)，即在第2或第4碼位。
(2)函數(shù)類型符函數(shù)類型符0、1、2、3、4、6、7、8、9用于表征邊角字。函數(shù)類型符“”(冒號(hào))和“‘”(單引號(hào))用于表征偏正字。其中“”用于表征左右型字(例如25型和85型);“‘”用于表征上下型字(例如45型和65型)。
2)函數(shù)碼演示(1)邊角字編碼O型。假設(shè)有一漢字“
”并設(shè)“口”的代碼為K。
則其編碼為KOabc又設(shè)一漢字為“
”，并設(shè)“衣”的代碼為I。
則其編碼為IOabc再設(shè)一漢字為“
”，并設(shè)“行”的代碼為X。
則其編碼為XOabc1型。假設(shè)有一漢字“
”，并設(shè)“廣”的代碼為G。
則其編碼為Glabc2型。假設(shè)有一漢字“
”，并設(shè)“匚”的代碼為J。
則其編碼為J2abc3型正式。假設(shè)有一漢字“
”，并設(shè)“走”的代碼為Z。
D代表二價(jià)金屬離子;以及d表示D離子數(shù)量(0-4之間);
T代表三價(jià)金屬離子;
A代表除OH-外的化合價(jià)n的一價(jià)或多價(jià)陰離子，a是A陰離子數(shù)量，(m+2d+3+na)等于或大于3。
更詳細(xì)的描述可在USA專利No.4，664，843中找到。
鉆井液中的混合金屬氫氧化物與爐渣相結(jié)合有助于在較短時(shí)間內(nèi)，即約半小時(shí)，38℃的低溫下生成強(qiáng)度相當(dāng)大的水泥，在某些應(yīng)用方面這可能是個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。
鉆井液中的適用的防失水添加劑包括
土粘土，羧甲基化淀粉，淀粉，羧甲基纖維素，SKW化學(xué)公司合成的樹脂“POLYDRILL”，碘化褐煤，褐煤，木質(zhì)素或鞣酸化合物。增重材料包括如重晶石，碳酸鈣鹽，赤鐵礦和MgO。鉆井液中使用的頁巖穩(wěn)定劑包括水解聚丙烯腈，部分水解的聚丙烯酰胺，鹽類有NaCl，KCl，甲酸鈉或鉀，甲酸鈉或醋酸鉀，聚醚，多環(huán)醇和/或聚醇。增粘添加劑可用生物聚合物，淀粉，坡縷石和海泡石。添加劑也用來降低扭矩。適用的降粘劑如無鉻和鉻磺化木質(zhì)素，磺化苯乙烯順丁烯酐和聚丙烯酸酯，根據(jù)泥漿類型和比重，都可使用。潤滑劑包括非離子去垢劑和油(柴油，礦物油，植物油，合成油)?？刂茐A度可用KOH，NaOH，或CaO。此外，其它添加劑有防腐劑，堅(jiān)果殼等也能在普通鉆井液中見到。當(dāng)然，鉆屑固相如石英礦物和粘土礦物(蒙脫石，尹利石，線泥石，高嶺石等)也可在普通泥漿中見到。
鉆井液中存在的其它添加劑包括低造漿粘土和中造漿粘土，羧甲基纖維素，聚丙烯腈，天然膠，分子脫水的磷酸酯，鞣酸化合物，堅(jiān)木，礦采的木質(zhì)素，磺化木質(zhì)素類，云母，甘蔗纖維，和粒狀礦物。除
土外，非晶的和結(jié)晶的粘土如高嶺石，埃洛石，蒙脫石，微晶高嶺土，尹利石，滑石，蛭石，綠泥石，綠坡縷石，海泡石，坡縷石和漂白土，可用于與混合金屬氫氧化物結(jié)合。
活化劑或多種活化劑，在加礦渣之前與要用的其它組分一起加入，可與礦渣一起加入，也可在加礦渣之后再加入。
在某些情況下，可能需要把起緩凝作用的材料與活化劑一起使用，這是因?yàn)樾枰從齽┊a(chǎn)生別的效應(yīng)。例如，鉻鹽可與活化劑一起用作降粘劑。雖然它也起緩凝作用。
如上所述，活化劑無非是附加的高爐礦渣其濃度高到足以形成粘結(jié)性水泥漿。礦渣最終將水解并形成水泥，尤其是在高溫環(huán)境或向井眼加熱，都會(huì)加快凝固速度。
然而，最優(yōu)先選用的是礦渣(在粘結(jié)性組成中數(shù)量上占優(yōu)勢(shì)，即鉆井液中的礦渣和為形成粘結(jié)性水泥漿而加入的礦渣總量占大多數(shù))和化學(xué)活化劑結(jié)合使用。適用的化學(xué)活化劑包括硅酸鈉，氟化鈉，氟硅酸鈉，氟硅酸鎂，氟硅酸鋅，碳酸鈉，碳酸鉀，氫氧化鈉，氫氧化鉀，氫氧化鈣，硫酸鈉及它們的混合物。優(yōu)先選用苛性鈉(氫氧化鈉)和蘇打粉(碳酸鈉)的混合物，這是因?yàn)樗鼈兊男Ч枚胰菀踪彽?。在使用苛性鈉和蘇打粉混合物時(shí)，因?yàn)樗鼈兙鸫倌齽┳饔?，所以其比值變化大，?yōu)選的是約2.8-57kg/m43的苛性鈉、更為優(yōu)選的是5-17kg/m3的苛性鈉與5-143kg/m3、優(yōu)選的是5-57kg/m3的蘇打粉一起使用?！発g/m3”是指最終的粘結(jié)性水泥漿的每m3中的重量kg。
本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，如前所述，鉆井過程是用通用鉆井液進(jìn)行的，穿透許多地層鉆一個(gè)井眼，并在井壁上形成泥餅。固井作業(yè)前，使活化劑與泥餅接觸，例如，活化劑經(jīng)鉆柱向下，經(jīng)鉆柱與泥餅間的環(huán)形空間向上進(jìn)行循環(huán)，或者，起出鉆柱下套管，活化劑經(jīng)套管向下，經(jīng)環(huán)形空間向上進(jìn)行循環(huán)。關(guān)于鉆柱或套管使用的“向下”一詞，是指向井的最遠(yuǎn)端的方向，雖然極少情況下井眼是水平狀。同樣的“向上”一詞是指回返到井口的方向。優(yōu)先利用鉆柱進(jìn)行循環(huán)，這是利用本方案的優(yōu)點(diǎn)，泥餅“穩(wěn)定著”，封堵氣層，防止失水，或叫防井漏，為了保持井眼原狀不必要起出鉆柱而另下套管柱。也可用來穩(wěn)定容易沖蝕的地層(如鹽層，其鹽可溶于水)或其它不穩(wěn)定的地層。鉆井完成之后，稀釋鉆井液，起出鉆柱，再按前述方法進(jìn)行固井。這項(xiàng)作業(yè)可用循環(huán)含有活化劑的獨(dú)立流體完成，或把前述的堿類活化劑加入鉆井液來完成。
本發(fā)明還論述海上鉆井、固井方法，它包括用包括鉆井柱和鉆頭的旋轉(zhuǎn)鉆井組件鉆一口井，其中井的下部至少偏離垂向30°。
使用含57-143kg/m3礦渣、粘土、淀粉、部分水解的聚丙烯酰胺和重晶石的鉆井液;
鉆井液向下經(jīng)鉆柱，向上經(jīng)鉆柱與井壁間的環(huán)形空間進(jìn)行循環(huán)，并在井壁上形成泥餅;
起出鉆具組件，下套管;
向鉆井液加入高爐礦渣，木質(zhì)素磺酸鹽降粘劑，和含苛性鈉和蘇打粉混合物的活化劑，調(diào)制成礦渣總含量為285-1430kg/m3的粘結(jié)性泥漿;
使粘結(jié)性水泥漿通過套管向下，進(jìn)入并經(jīng)套管與井壁形成的環(huán)形空間向上回返。
本發(fā)明還論述鉆井和固井方法，它包括使用含水和礦渣的鉆井液，用包括鉆柱和鉆頭的旋轉(zhuǎn)鉆井組件鉆和固一口傾斜井;
鉆井過程中，經(jīng)鉆柱向下，經(jīng)鉆柱和井壁間的環(huán)形空間向上循環(huán)鉆井液，從而得到用過了的鉆井液;
起出鉆具組件，下套管;
把舊鉆井液與再加入的礦渣和活化劑結(jié)合，配制成粘結(jié)性水泥漿;
粘結(jié)性水泥漿經(jīng)井眼向下并進(jìn)入井壁與套管形成的環(huán)形空間向上返，把它作為替換液置換含水和礦渣的鉆井液;
繼續(xù)置換，直到替換液充滿套管和環(huán)形空間的底部為止。
在上述順序中也可用常規(guī)隔離液，此外，也可用備用液和/或隔離液從井眼中置換出含活化劑的廢液，儲(chǔ)存為下次使用或進(jìn)行處理。
泥餅“穩(wěn)固”的實(shí)例中，活化劑可用前述的堿性活化劑，如氫氧化鈉和碳酸鈉混合物。
現(xiàn)在參照下述試驗(yàn)通過實(shí)施例詳細(xì)論述本發(fā)明。
用1677kg/m3下述組成的鉆井液制備1665kg/m3通用鉆井液20重量%鹽(140000mg/L)、23-28kg/m3
土、11-17kg/m3羧甲基淀粉(Milpark公司銷售的商品名為“BIOLOSE”)、1.4-2.8kg/m3部分水解的聚丙烯酰胺(PHPA)(Milpark公司的銷售商品名為“NEWDRILL”)、2.8-3.6kg/m3CMC(Milpark公司的銷售商品名為“MILPAC”)、86-200kg/m3鉆屑、0-700kg/m3重晶石和114kg/m3高爐礦渣(Blue circle水泥公司的銷售商品名為“NEWCEM”)。
通用鉆井液設(shè)計(jì)成能在49℃-71℃溫度下用的鉆井液，并能產(chǎn)生穩(wěn)固的泥餅較好地封隔油層，保護(hù)地層。用原尺寸的水平井模型測(cè)試通用泥漿的凝固作用。測(cè)試的通用鉆井液表明在井下形成了泥餅。
通過模型循環(huán)這種1665kg/m3通用鉆井液，而且形成了泥餅。然后加入前述的礦渣和活化劑，部分通用鉆井液轉(zhuǎn)變成1845kg/m3的粘結(jié)性水泥漿，并用來置換井眼模型中的通用鉆井液，井眼模型加熱93℃老化3周。該試驗(yàn)的最重要目的是在模擬的沖蝕段沉淀通用鉆井液，并說明未置換的通用鉆井液也可以盡可能差的物理?xiàng)l件下，形成封隔。
試驗(yàn)的目的是1)說明為消除試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械奈茨后w和泥餅，在井眼條件下未置換的1665kg/m3通用鉆井液能夠形成封隔;2)說明1665kg/m3通用鉆井液能轉(zhuǎn)變成令人滿意的粘結(jié)性水泥漿并具有水泥的特性;3)說明通用鉆井液/粘結(jié)性水泥漿作業(yè)能改進(jìn)封隔油層(模型試驗(yàn)中提高了切力和水凝水泥膠結(jié)作用)并建立了側(cè)向套管支撐。
試驗(yàn)條件用改變?nèi)嗽炀勰Ｐ偷姆椒ǎ瑢ｉT造成三處沖蝕段(2.54，5.08和15.24cm寬)，改進(jìn)模型上的置換試驗(yàn)是建立在下述現(xiàn)場(chǎng)條件上通用鉆井液條件-鉆一口直徑27cm的傾斜井，井眼循環(huán)溫度(BHCT)49℃-71℃。
水泥漿條件-井眼靜態(tài)溫度(BHST)93℃(5486m)。
置換模型-外徑(OD)12.7cm，長(zhǎng)4.6m的鋼套管插入內(nèi)徑(ID)16.5cm的人造巖心中，模擬具有三處沖蝕段的地層，水平段用下述試驗(yàn)條件1)慢置換速度(159l/min)，以便不沖掉泥餅并保存已沖蝕段的未置換掉的通用鉆井液，2)100%套管平衡(居中心位置)。
人造巖心(代表地層)在模型的內(nèi)圓周上，具有滲透性的砂-環(huán)氧樹脂混合物，厚4.45cm，(模型的鋼套管-27.3cm OD，25.4cmID)。三處沖蝕段(無過渡帶，邊緣整齊)是在把總長(zhǎng)度4.57m鋼套管焊接前去掉部分砂-環(huán)氧樹脂人造地層造成的，三處沖蝕段(2.54，5.08和15.24cm寬)的頂端，從井眼模型的底部起，分別位于1.5m，2.1m和3m處。如前所述，外徑(OD)12.7cm的鋼套管放在井眼模型內(nèi)的中心位置，留下理論上的環(huán)形空間間隙為1.9cm，沖蝕段間隙6.35cm。
1.9cm的環(huán)空間隙模擬小井眼的窄環(huán)形空間。
沉積泥餅前述1665kg/m3通用鉆井液，以速度447-636 l/min在飽和水的井眼模型中循環(huán)2小時(shí)。關(guān)閉井眼模型，用電加熱到60℃并增壓。在壓差0.69MPa條件下收集濾液，在巖心上形成的泥餅約0.32cm厚。
置換在溫度60℃條件下滲濾24小時(shí)后，以速率159l/min通過井眼模型循環(huán)通用鉆井液，同時(shí)收集附加的濾液。在循環(huán)過程中，從普通鉆井液中批量分出795l，加入457kg/m3NEWCEM牌礦渣，活化劑和緩凝劑把它轉(zhuǎn)變成570kg/m3粘結(jié)性水泥漿，然后，加7kg/m3紅色氧化鐵給粘結(jié)性水泥漿染色?；罨瘎┫到y(tǒng)用11kg/m3苛性鈉，40kg/m3蘇打粉和17kg/m3SPERSENE CF”(MI Drilling Flrids公司生產(chǎn)的無鉻磺化木質(zhì)素)配制。用著色的粘性水泥漿，速率159-318l/min置換井眼模型中的普通鉆井液，直到未染水泥漿的初始部分記錄至為止。為了在模型中留下大量未置換的普通鉆井液，采用慢速置換法。然后，以速率159-318l/min通過井眼模型循環(huán)粘結(jié)性水泥漿20分鐘。
評(píng)價(jià)巖心在溫度93℃條件下老化三星期之后，把井眼模型冷卻至室溫，然后拆卸模型并鋸成三節(jié)。再把這三節(jié)鋸成較小的節(jié)做進(jìn)一步的剪切和水泥膠結(jié)性試驗(yàn)。
為了評(píng)價(jià)置換效率，把全部可用的截面都拍成照片。根據(jù)繪成的平面圖，置換效率為55%，大斜度井眼模型清楚地反映出較低的置換效率。雖然把套管居中放置，但完全的處于中心位置是做不到的，在環(huán)形空間的狹窄處大量通用鉆井液不能置換出來。
所說的置換效率是指被置換出的泥漿體積除以環(huán)形空間的體積乘100，置換為百分比。
因此，該例子說明了本發(fā)明在狹窄環(huán)形空間中使用的價(jià)值，從而推斷出廣義鉆井的價(jià)值。
未置換出的通用鉆井液的存在很明顯的，從起始端到終端都有，尤其是在底部更明顯。
雖然如此，發(fā)現(xiàn)通用鉆井液泥餅和未置換出的通用鉆井液封塊都是非常堅(jiān)硬的。用手持式穿透計(jì)測(cè)試說明通用鉆井液泥餅和粘結(jié)性水泥漿具有大于5.1MPa的抗壓強(qiáng)度(最大讀數(shù))。實(shí)際上盡管泵速低，高角度(90°)井和有三處沖蝕段，還是達(dá)到了優(yōu)秀的固井作業(yè)。如果不用這種通用鉆井液和粘結(jié)性水泥漿，置換效率55%，固井作業(yè)應(yīng)該是很糟的。
鋸開模型沖蝕部分并進(jìn)一步評(píng)價(jià)。用縱向金剛石鋸齒切成厚3-4cm的平行面薄片，這些薄片顯示出地層，環(huán)形空間，沖蝕處以及變硬的通用泥漿，通用泥漿泥餅和粘結(jié)性水泥漿的新斷面。
變硬的通用泥漿和它的泥餅，在2.54cm沖蝕處，5.08cm沖蝕處底部和15.24cm沖蝕處底部都可見到。沖蝕處滲透性地層面附近的高硬度是因失水通用泥漿濃縮造成的。變硬的通用泥漿顯示的抗壓強(qiáng)度約3.14-10.5MPa。雖然試樣中有許多層理，但環(huán)形空間和沖蝕面都充分被固結(jié)了，整個(gè)層帶的封隔是很好的。
另外，在置換過程中，取了8個(gè)礦渣粘結(jié)性水泥漿樣品，在93℃溫度下，做5cm見方的水泥模塊硬化試驗(yàn)一星期，得到平均抗壓強(qiáng)度13MPa，標(biāo)準(zhǔn)偏差1MPa。
水凝水泥膠結(jié)試驗(yàn)結(jié)果頂部(1.4m長(zhǎng))切成二小段，用熒光染色水在這些巖心上(0.7m長(zhǎng))進(jìn)行原狀水凝水泥膠結(jié)試驗(yàn)。二個(gè)孔眼(前、后)鉆至巖心的套管，用環(huán)氧樹酯裝上接口，用液壓泵通過接口泵入染色的水，記錄下最大破裂壓力作為水凝水泥的強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果如下巖心/測(cè)壓孔 水凝水泥強(qiáng)度，MPaH-1 前 12.4H-1 后 2.7H-2 前 3.8H-2 后 5.2
剪固結(jié)力測(cè)試結(jié)果模型(1.4m長(zhǎng))的二底端切成5塊作剪固結(jié)力試驗(yàn)。有沖蝕的樣塊不做剪固結(jié)力試驗(yàn)。剪固結(jié)力用水壓機(jī)壓出套管的方法測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如下試樣 管長(zhǎng)(cm) 力(KN) 剪固結(jié)力(MPa)S-1 25 18 0.18S-2 23 86 0.93S-3 22 7.6 0.88*S-4 27 45 0.42S-5 27 24 0.22S-6 27 22 0.22S-7 27 7.0 0.06*S-8 22 8.9 0.10*＊鋸巖心時(shí)受過損壞的試樣。
此外，在置換過程中，取了四個(gè)礦渣粘結(jié)性水泥漿試樣并在實(shí)驗(yàn)室剪固結(jié)力模塊中固化〔模塊鋼管長(zhǎng)10cm，外徑3.8cm〕，溫度93℃，固化一周。平均剪固結(jié)力0.32MPa。
由上述試驗(yàn)可得出下述結(jié)論。具有三處沖蝕的井段模擬試驗(yàn)說明用1665kg/m3通用鉆井液是成功的。未置換的通用鉆井液封隔層抗壓強(qiáng)度在3.4-10MPa之間，得到了非常好的水凝水泥數(shù)據(jù)。雖然有變化，但剪固結(jié)力數(shù)據(jù)也是好的，這說明(1)即使在狹窄環(huán)形空間中除掉未凝固的鉆井液封隔層，礦渣通用水泥就能達(dá)到100%的置換效果，(2)除掉未凝固的材質(zhì)，高爐礦渣通用鉆井液能提高套管的側(cè)向支撐，并因其它未凝固部分的固化作用而產(chǎn)生附加強(qiáng)度，(3)礦渣通用鉆井液，因提高了剪切力和水凝水泥膠結(jié)強(qiáng)度而提高了層帶的封隔作用，(4)高密度礦渣通用粘井液能按配方制造，并可在高溫下使用。
權(quán)利要求
1.一種鉆井和固井方法，該方法包括用包括鉆柱和鉆頭的旋轉(zhuǎn)鉆井組件和含高爐礦渣和水的鉆井液鉆一口廣義井；鉆井液經(jīng)鉆柱向下，經(jīng)鉆柱與井壁形成的環(huán)形空間向上進(jìn)行循環(huán)，因此，鉆井過程中在井壁上沉積成泥餅；起出鉆具組件并下套管；向鉆井液加入活化劑，生成粘結(jié)性水泥漿；粘結(jié)性水泥漿經(jīng)套管向下，經(jīng)套管與井壁形成的環(huán)形空間向上進(jìn)行循環(huán)。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中，活化劑是額外的高爐礦渣和堿性劑。
3.權(quán)利要求2中所述方法，其中，堿性劑是苛性鈉和蘇打粉的混合物。
4.權(quán)利要求3所述的方法，其中，鉆井液還含有磺化木質(zhì)素降粘劑。
5.權(quán)利要求2所述的方法，其中，鉆井液含57和143kg/m3高爐礦渣，其中再額外加入足夠數(shù)量的高爐礦渣，以便形成粘結(jié)性水泥漿中粘結(jié)性材料的總量在285和1430kg/m3之間的粘結(jié)性水泥漿。
6.權(quán)利要求5所述的方法，其中，高爐礦渣是粘結(jié)性水泥漿中唯一的水凝組分。
7.權(quán)利要求2所述的方法，其中，鉆井液的礦渣和活化劑的礦渣都是5-25重量%超細(xì)粒礦渣粉和80-95重量%細(xì)粒或微細(xì)粒礦渣粉的混合物。
8.權(quán)利要求1所述方法，其中，水含有溶解鹽。
9.權(quán)利要求8所述方法，其中，溶解鹽包括氯化鈉。
10.權(quán)利要求9所述方法，其中，氯化鈉的含量在0.2-5之間。
11.權(quán)利要求8所述方法，其中，水包括海水。
12.權(quán)利要求1所述方法，其中，鉆井液還含有多環(huán)聚醚多元醇。
13.權(quán)利要求1所述方法，其中，井眼是從海上平臺(tái)鉆的油井，角度至少偏離垂向30°。
14.權(quán)利要求1所述方法，其中，鉆井液含有粘土和混合的金屬氫氧化物觸變劑。
15.權(quán)利要求14所述的方法，其中，粘土是
土，混合的金屬氫氧化物是MgAl(OH)4.7Cl0.3;其中磺化木質(zhì)素降粘劑在加活化劑之前加入;其中活化劑包括額外加入的高爐礦渣和堿性劑。
16.權(quán)利要求1所述方法，其中包括起出鉆具組件之前，活化劑經(jīng)鉆柱向下，然后上返與泥餅接觸，因此使泥餅固結(jié);此后進(jìn)行另外的鉆井作業(yè)。
17.一種海上鉆井和固井作業(yè)的方法，該方法包括用包括鉆柱和鉆頭的旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備鉆井眼，其中至少是井眼下部偏離垂向至少30°;使用含57-143kg/m3高爐礦渣、粘土、淀粉、部分水解的聚丙烯酰胺和重晶石的鉆井液;鉆井液經(jīng)鉆柱向下，經(jīng)鉆柱與井壁間的環(huán)形空間向上進(jìn)行循環(huán)，因而在井壁上形成泥餅;起出鉆具組件，下套管;向鉆井液中加入高爐礦渣、磺化木質(zhì)素降粘劑和含有苛性鉀和蘇打粉混合物的活化劑，生成粘結(jié)性水泥漿，其中礦渣總量在285-1430kg/m3之間;使粘結(jié)性水泥漿經(jīng)套管向下，并上返進(jìn)入套管和井壁形成的環(huán)形空間。
18.一種鉆井和固井方法，該方法包括用包括鉆柱和鉆頭的旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備和含有水和高爐礦渣的鉆井液鉆、固一口傾斜井;鉆井液經(jīng)鉆柱向下，經(jīng)鉆柱和井壁間的環(huán)形空間向上進(jìn)行循環(huán)，因而生成用過的鉆井液;起出鉆具組件，下套管;把用過的鉆井液與另外加入的高爐礦渣和活化劑相混合，生成粘結(jié)性水泥漿;把粘結(jié)性水泥漿經(jīng)井眼向下，上返進(jìn)入井壁和套管形成的環(huán)形空間，把它作為置換液替換含水和礦渣的鉆井液;繼續(xù)置換，直到置換液充滿套管和環(huán)形空間底部為止。
全文摘要
廣義鉆井，有代表性的是從海上平臺(tái)鉆的各種傾斜井，這類井是用含水和高爐礦渣的鉆井液鉆的，在鉆井過程中循環(huán)這種鉆井液，在井壁上形成泥餅。此后，加入活化劑，一般是堿性材料和額外加入的高爐礦渣，生成粘結(jié)性水泥漿，這種水泥漿經(jīng)套管向下，再上返進(jìn)入環(huán)形空間，完成首次固井作業(yè)。
文檔編號(hào)C09K8/20GK1086286SQ9311931
公開日1994年5月4日 申請(qǐng)日期1993年10月21日 優(yōu)先權(quán)日1992年10月22日
發(fā)明者K·M·科萬, A·H·哈爾 申請(qǐng)人:國際殼牌研究有限公司