CN100503767C - 乳化的聚合物钻井液及其制备和使用方法 - Google Patents

Abstract

一种水基聚合物钻井液，它含有有效量的HLB值大约等于或大于7的表面活性剂，它能够将油砂钻屑中含有的油和沥青乳化，使油和沥青分散在泥浆中，形成乳液。这样就可以消除或明显降低油、沥青和钻屑堵塞井或粘附在钻杆柱部件上的可能性。该乳化过程将砂粒与油和沥青分离，使泥浆通过传统的泥浆振动筛或其他合适装置时能够除去砂粒。

Description

乳化的聚合物钻井液及其制备和使用方法

根据35U.S.C.119(e)，本申请要求2002年12月2日提交的美国临时申请60/430051的优先权，此处引入该临时申请作为参考。

发明领域

本发明涉及钻探油气井时使用的钻井液，特别是钻探穿过油砂地层时使用的钻井液。

发明背景

1、通用的钻井液

最常用旋转钻井方法钻探油气井。在该方法中，将具有固定的或可转动的切削齿的钻头安装在钻杆柱的下端，钻杆柱是钻杆、钻环和其他钻井附件的组配件。一般用与钻机相关的轮盘或顶部驱动装置转动钻杆柱。在某些情况下，用通称为泥浆马达的装置转动钻杆柱。无论使用什么样的转动装置，钻杆柱的转动都会使钻头钻入地下。当油气井钻探的更深时，将钻杆的接续部分加到钻杆柱上，直至达到所需的深度。钻头的切削齿直径大于钻杆柱部件的直径，使钻井作业在钻杆柱和井筒的土方侧之间产生环状空间。

在旋转钻井作业中，称为钻井液的浆液混合物(通称为“钻井泥浆”)连续循环，穿过钻杆柱下行，在钻杆柱底部出来(通过钻头的切削齿附近的喷嘴或喷头)后进入钻杆柱和井筒之间的环状空间，然后重返到地面。钻井泥浆在钻井作业中起多种作用。最重要的作用是，泥浆将钻井材料(通称为“钻屑(cutting)”)从井筒中带到地面上，使得钻屑不会堵塞井筒和阻碍继续钻探。在一般的钻井作业中，用钻井工业上公知的各种清洗设备如泥浆振动筛、离心分离机、除泥器、除砂器、脱气器、沉淀箱和其他装置对从井筒返回的泥浆进行处理。这样从处理能够除去钻屑、地层气和其他污染物，以重新利用清洗和调理后的泥浆。

钻井泥浆还能够润滑和冷却钻头，能够进一步促进有效的钻井作业。钻井泥浆另一个重要的作用是，如果油气井钻入高压地下层，则能够防止冒油气。钻杆柱中及其周围的泥浆柱重量在井底部产生静水压，泥浆柱重量与泥浆密度和泥浆柱高度成正比。如果这种压力足够大，则它能够抵消地层压力，使油气不会外冒。泥浆产生的静水压还有助于防止不需要的物质渗入井筒，当钻探穿过含松散或易碎材料的地层时，这是特别重要的需要考虑的问题。

钻井泥浆的另一个有价值的作用是保护地层。适当配置的钻井泥浆，只要定向循环，就能够保持为流体，但是在不循环的时候可能形成凝胶或有更强的触变形。因为具有这些性能，所以当用泥浆泵循环泥浆时，它会粘附和固化在井筒壁上，使井筒内衬有保护性薄泥饼，防止松散或扰动的地层材料脱落到井内或将这样的风险降至最低。

在某些情况下，例如，当钻探穿过含有一接触水就膨胀的膨胀粘土的地层时，油基钻井泥浆(或“油基泥浆”)是必需的和有益的。但是，更常使用的是水基钻井泥浆(也称“水基泥浆”)。除水外，一般水基泥浆的主要成分是增粘剂(viscosity agent)，增粘剂通常是细粉粘土，细粉粘土与水混合，形成泥浆斑脱土，泥浆斑脱土主要由称为蒙脱石的膨胀粘土组成，其广泛用在水基泥浆中，尽管也可以使用其他类型的粘土。

粘土还可以提高泥浆的密度，从而提高其防止冒油气的效用。为此目的，也可以添加其他各种加重料如重晶石、赤铁矿或碳酸钙。根据预定用途和所需的泥浆性能可以加入到钻井泥浆中的其他物质包括钻井洗涤剂、发泡剂、消泡剂和碱性材料(为了抵消可能进入泥浆的酸性污染物)。

为了一种或多种目的，通常还向水基泥浆中加入天然或合成聚合物材料。聚合物在钻井泥浆中的性能和效果通常取决于聚合物的分子大小及其电荷(如：阴离子、阳离子或非离子)。一些聚合物可能具有减少液体从泥浆中流失的有益效果。一些聚合物可以降低泥浆的粘度，而其他聚合物可以使泥浆中的粘土絮凝，从而提高粘度。一些聚合物起多种作用。聚合物含量很大的水基泥浆也称为聚合物钻井液。

为了提高水基泥浆的润滑性能，通常加入油如柴油或矿物油。因为油不溶于(或“不混溶”)水，所以它们可能分散在泥浆中成为乳液。当油乳化在含水载液(如：水或水基泥浆)中时，油破碎成许多小颗粒或液滴，在整个钻井液中均匀分散成悬浮液。如果不乳化，则颗粒或液滴会由于分子间引力重新凝聚，油和水分离，形成分离的液相。

一般用一种或多种化学乳化剂(或＂乳化剂＂)乳化钻井泥浆中的油。一些乳化剂归类为表面活性化学试剂，称为表面活性剂。但是，不是所有的表面活性剂都是乳化剂。有许多不同类型的表面活性剂，根据表面活性剂的特殊性能，可以为各种目的而将它们加入钻井液。表面活性剂一般根据其亲水亲油平衡(HLB)值分类。HLB值(确定为1-40度)提供了根据分子结构预测表面活性剂性能类别的半经验法。

亲水性分子或材料对水有表面亲和力。易于被水润湿的粘土如斑脱土是亲水性材料。相反，亲脂性分子或材料对油或油性物质有表面亲和力。能够有效乳化水包油的表面活性剂一般具有较高的HLB值，而能够有效乳化油包水的表面活性剂一般具有较低的HLB值。因此，选择用作钻井泥浆中的添加剂的表面活性剂时，要根据所需的表面活性剂性能和效果考虑HLB值。

2、已知钻井液存在的问题

具有多种已知配方的水基泥浆在许多应用中具有令人满意的效果。但是，当钻探穿过含油砂层时，例如，在北艾尔贝塔(Alberta)的广阔土地上进行钻井时，会出现特殊的问题。这些油砂层含有很大储量的油，但是，这些油浓稠而质重，因而难以开采。近几十年来，用新型的将利用露天开采技术挖掘的大批油砂进行厂内处理的方法在从艾尔贝塔油砂中开采重油取得了很大的成功。但是，这些方法的使用仅限于从距地面足够近从而使露天开采实际可行的油砂层中进行开采。从更深的油砂层中进行开采需要完全不同的方法。

依赖于原油在重力和/或压力作用下流入生产井的传统生产井技术在沥青质油砂层中无法正常运行，或者说根本无法运行。因为这些砂层中的油稠度很大，并且是重质油，所以在其自然状态下一般太粘而不能流出砂岩。如果其粘度足够低，可以进行自流，则其开采率也非常低。但是用称为蒸汽辅助重力排油(或＂SAGD＂，这是工业上熟知的)的较新技术可以明显提高从这些砂层中开采重油的比率。

SAGD从概念上很简单。用公知的定向钻井方法钻探穿过油砂层水平生产井。在生产井上方基本平行于生产井的方向上钻具有带眼衬管的注蒸汽井。然后将过热蒸汽注入油砂层(在衬管的根部和/或前端，或通过注射井衬管上的眼)，从而将通常从注射井向上和向下延伸的地层影响区(或＂蒸汽室＂)中的油或沥青加热。这种加热效果能够使蒸汽室中的油或沥青粘度下降，使其在重力和/或压力作用下穿过砂岩后通过生产井衬管上的眼进入生产井，然后用传统方法将其抽吸或升高到地面上。

与其他类型的钻井作业相似，钻SAGD井必须使用钻井泥浆。但是，在沥青质油砂层中钻井会产生现有的钻井泥浆技术不能满意解决的许多实际问题。钻屑中含有大量重油或沥青，可能堵塞泥浆振动筛和其他泥浆处理设备。因此，从泥浆中有效除去钻屑将更为困难，洗涤和重新利用泥浆的可能性下降，甚至说根本不可能。因为必须向泥浆系统中加入新泥浆以置换不能有效洗涤从而必须弃置的泥浆，所以增加了泥浆成本。这又产生了处理废弃泥浆的其他问题，这些废弃泥浆上负载有大量涂有重油和沥青的砂岩。从实际和环境观点考虑，与处理从更传统的钻井作业的泥浆中脱除的较清洁的粒状材料相比，处理这种污染泥浆更困难得多。

另外，钻屑由于有稠油和沥青而非常粘，它们会粘在钻杆、套管和衬管上。这些粘性钻屑在泥浆中的存在会增加钻杆柱部件上的拉力，从而增加转动钻杆柱所需要的功率和转矩，增加钻机驱动机构上的磨损和磨蚀，增加钻井的保养和维修费用。当衬管钻入水平井时，粘性钻屑和沥青会造成特殊的问题，因为当钻井从垂直方向变为水平方向时它们会集聚在弯曲套管部分上，如果想毫无困难地将衬管钻入水平部分，通常必须预先清楚集聚物。

将负载有沥青的泥浆通过大泥浆冷却器，用这种方法可以在一定程度上减轻这些问题。这样可以将泥浆中的沥青冷却至不会粘到足以粘附在井部件上的温度。这种方法的主要缺点是花费大，因为一台泥浆冷却器的运行费用是每天几千美元。

本发明的发明人尝试着解决负载有沥青的钻屑粘附在井部件上的问题，采用的方法是使用约含0.3wt％的Montello，Inc.of Tulsa，Oklahoma销售的称为HME Energizer

的非离子表面活性剂的聚合物钻井液，HMEEnergizer

由约10％-30％的表面活性剂和70％-90％的烃类溶剂组成，从而用每平方米泥浆中含有0.3-0.9千克表面活性剂的HME Energizer

处理泥浆系统。但是，事实证明这种配方没有效果。在这种低浓度下，HME Energizer

不能乳化钻屑中的油和沥青，在高浓度下，泥浆太稠，不能用在油田中。

鉴于上述原因，现在需要一种水基钻井液，该钻井液能够在油砂层中用于旋转钻井作业，能够有效除去负载有油和沥青的钻屑，不会有有害量的或者根本就没有钻屑或其中含有的油或沥青粘附在钻杆柱部件和相关的井下设备上；不会明显增加或降低钻井液的稠度或粘度；很少或没有增加作用在钻杆柱上的拉力；很少或没有增加转动钻杆柱所需要的功率；不会明显降低或者根本不会降低用传统泥浆清洗装置有效清洗钻井液的适应性及随后再次用在钻井作业中的适应性；不需要使用泥浆冷却设备来实现这些性能。本发明是针对这些需要而完成的。

发明概述

总的来说，本发明是一种水基聚合物钻井液，它能够将油砂层中含有的油和沥青全部或大部分乳化，使油和沥青分散在泥浆中，形成乳液。这样就可以消除或明显降低油、沥青和钻屑堵塞井或粘附在钻杆柱部件上的可能性。该乳化过程将砂粒与油和沥青分离，使泥浆通过传统的泥浆振动筛或本领域公知的其他合适装置时能够除去砂粒。

本发明的发明人发现：通过导入有效量的HLB值大约等于或大于7的不同表面活性剂可以将油砂钻屑中的油和沥青乳化在水基钻井泥浆中。实际效用要求的这些表面活性剂的组成和浓度随钻屑中油或沥青的性能和浓度及泥浆中乳化的油或沥青的浓度而变化。但是业已发现：需要的浓度一般至少是每立方米钻井泥浆中有0.1kg表面活性剂(HLB值大约等于或大于7)。

已经泵出油砂井返回地面的本发明的钻井液通过添加合适的材料如钙、阴离子或非离子聚合物和/或阳离子聚合物脱水，然后进行离心分离，除去不需要的钻屑。

因此，第一方面，本发明是一种钻井液，其包括含水液体，一种或多种增粘剂，和一种或多种HLB值大约等于或大于7的表面活性剂。在优选的实施方案中，含水液体是水，一般是淡水，但是也可以是海水或地层水(即，在钻探穿过的地层中天然产生的水)。钻井液的密度是1000-1050kg/m³。但是，在不背离本发明保护范围的情况下其密度可以超出该范围。钻井液还可以包括一种或多种下述成分：聚合物材料，碱性材料，具有溶剂性能的载油，加重材料(weighting material)和消泡剂。本专利说明书中使用的具有溶剂性能的载油表示具有使其能有效提高钻井液将沥青乳化到钻井液中的能力的性能的油。

钻井液还可以含有来自于通过油砂层钻井时产生的钻屑的乳化油或其他沥青质材料(bituminous material)。

第二方面，本发明是制备含有来自油砂钻屑的乳化油或沥青的乳化钻井液的方法，该方法包括下述步骤：

-提供原始钻井液(primary drilling fluid)，其包括含水液体，一种或多种增粘剂，和一种或多种HLB值大约等于或大于7的表面活性剂；和

-将原始钻井液与钻探穿过含油或沥青的油砂层产生的钻屑混合；

其中，所述的表面活性剂能够将钻屑中的油或沥青有效乳化，乳化油或沥青基本上均匀地分散在原始钻井液中，从而形成乳化钻井液。在该方法的优选实施方案中，将原始钻井液与钻屑混合的步骤可以用下述方法完成：将原始钻井液循环通过被钻探穿过油砂层的井筒环状空间循环，使来自于油砂层的钻屑混入原始钻井液。

在本发明方法的替代性实施方案中，原始钻井液还可以包括一种或多种下述成分：聚合物材料，碱性材料，具有溶剂性能的载油，加重材料和消泡剂。

除上述实施方案的优点外，本发明的发明人还发现：在另外存在表面活性剂或没有另外存在表面活性剂的情况下，通过导入有效量的具有溶剂性能的载油可以将油砂钻屑中的油和沥青乳化到水基钻井泥浆中。因此，第三方面，本发明是一种钻井液，其包括含水液体，一种或多种增粘剂，和具有溶剂性能的载油。在该方面发明的优选实施方案中，载油浓度是每立方米钻井液中有5-75kg载油。钻井泥浆还可以包括一种或多种下述成分：聚合物材料，碱性材料，具有溶剂性能的载油，加重材料和消泡剂。钻井液还可以含有来自于通过油砂层钻井时产生的钻屑的乳化油或其他沥青质材料。

附图简述

下面参考附图1说明本发明的实施方案，图1是示出用于配制本发明钻井液的增粘剂和防流失剂的例示性组合的图表。

优选实施方案详述

上面列举了本发明钻井液的必要成分和任选成分。本发明不要求这些成分以规定的相对比例或固定配方进行组合。每一种成分的比例及任选成分的选择是可以变化的，这取决于用钻井液钻探穿过的地下材料的特殊性能，还取决于用户希望得到的特殊钻井液性能。但是，下面列出各种成分浓度的一般范围和可用于这些成分的具体材料的例子。

在本发明钻井液的优选实施方案中，增粘剂可以是PAC(聚阴离子纤维素)、粘土、淀粉或黄原酸胶。如果用粘土作为增粘剂，则应当是适用于或在本发明领域内已知为适用于钻井液的一种类型的粘土。增粘剂的浓度是每立方米钻井液中有0.1kg-100kg的增粘剂。如果用粘土作为增粘剂，则粘土的浓度范围优选是10-40kg/m³。

在优选的实施方案中，HLB值大约等于或大于7的表面活性剂浓度是每立方米钻井液中有0.1kg-60kg的表面活性剂。在优选的实施方案中，这些表面活性剂的浓度范围是2.5-25kg/m³。HLB值大约等于或大于7的表面活性剂可以选自阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂，其包括但不限定为羧酸盐、磺酸盐(sulfonide)、硫酸盐、磷酸盐、聚乙氧基醚(polyethyoxylateether)、烷基酚乙氧基化物、醇乙氧基化物、脂肪酸乙氧基化物、乙氧基化链烷醇酰胺、烷基醚磷酸盐、烷基苯磺酸盐、乙氧基化脂肪酸、蓖麻油乙氧基化物、甘油酯、环氧乙烷环氧丙烷嵌段共聚物、壬基苯氧基聚(乙烯氧基)乙醇、咪唑啉、甜菜碱、丙酸盐和两性乙酸盐。

为了进一步控制粘度，控制液体流失到地层中，钻井液还可以含有一种或多种聚合物材料。这些聚合物材料包括但不限定为粘土、聚阴离子纤维素、瓜耳胶、天然有机聚合物、合成聚合物和HEC(羟乙基纤维素)。如果使用聚合物材料，则淀粉可以是改性淀粉或未改性淀粉如马铃薯淀粉或玉米淀粉。如果使用聚合物材料，则聚合物的总浓度是每立方米钻井液中有0.1kg-50kg的聚合物。在优选的实施方案中，聚合物的浓度范围是1.0-25kg/m³。

如图1中的例子所示，钻井液的粘度随选择的增粘剂类型和浓度而变化。图1示出黄原酸胶、聚阴离子纤维素、淀粉和粘土的各种组合和浓度及各种情况下得到的相对粘度。在图1中，最左栏(＂典型值＂)示出已经发现的在宽范围领域中有效的这四种材料的组合和浓度。接下来的五栏(＂高粘度＂)示出已经发现的能够产生较高粘度的组合和浓度，最后五栏(＂低粘度＂)示出能够产生较低粘度的组合。

尽管图1所示的每一种组合都包括列举的四种增粘剂中的至少两种，但是，如果较低粘度和较高粘度可以接受，则本发明的钻井液可以只有效使用这些增粘剂中的一种。然而我们发现：在大多数情况下，至少使用这些增粘剂中的两种可以导致优异的钻井液性能。还应当注意的是，可以用羟乙基纤维素和/或瓜耳胶取代黄原酸胶，在粘度方面具有类似的效果。

钻井液还可以含有一种或多种碱性材料，包括但不限定为苛性钠(氢氧化钠)和纯碱(碳酸钠)。在钻井液中加入碱性材料的目的包括控制碱度、保持所需的pH值和/或降低硬度。如果使用碱性材料，则碱性材料的浓度是每立方米钻井液中有0.1kg-20kg的碱性材料。在优选的实施方案中，碱性材料的浓度范围是0.5-5kg/m³。

钻井液还可以含有具有溶剂性能的载油。载油可以包括但不限定为HT-40^TM(Petro-Canada生产)、

(Enerchem International Inc.，ofNisku，Alberta，Canada生产)、

(Shell Chemical Company生产)和类似材料。如果使用载油，则载油的浓度是每立方米钻井液中有0.1kg-100kg的载油。在优选的实施方案中，载油的浓度范围是1.0-75kg/m³。

钻井液还可以含有一种或多种加重材料，其包括但不限定为重晶石、赤铁矿和碳酸钙。如果使用加重材料，则加重材料的浓度是每立方米钻井液中有0.1kg-1000kg的加重材料。

钻井液还可以含有一种或多种消泡剂，其包括但不限定为本发明领域内公知类型的醇类和硅酮类消泡剂。如果使用消泡剂，则消泡剂的浓度是每立方米钻井液中有0.1kg-30kg的消泡剂。在优选的实施方案中，消泡剂的浓度范围是0.1-15kg/m³。

钻井液还可以包括来自于通过油砂层钻井时产生的钻屑的乳化油或其他沥青质材料，每立方米钻井液中有0.1kg-500kg的乳化油或沥青。在优选的实施方案中，乳化油或沥青的浓度范围是0.1-250kg/m³。在本发明的该实施方案中，如果钻井液包括聚阴离子纤维素和/或黄原酸胶，则好像特别能够提高来自于钻屑的油或沥青的乳化度。尽管得到这些优点的确切机理目前尚不明确，但是可以相信的是，聚阴离子纤维素或黄原酸胶的存在能够促进沥青颗粒的包覆，使其更易于乳化在钻井液中。

本领域普通技术人员易于理解的是，在不背离本发明基本概念的情况下可以对本发明进行各种改动，所有这些改动都包括在后面附加的权利要求书的保护范围内。

在该专利申请文件中，词语“包括”用其非限定性的意思，表示该词语后面的项目包括在内，但是也不排除没有具体指出的项目。除非上下文明确要求有一种且只有一种这样的元素，否则用不定代词“一种”表示的元素不排除存在一种以上元素的可能性。

Claims (16)

1.一种制备含有来自油砂钻屑的沥青的乳化的钻井液的方法，该方法包括下述步骤：

(a)提供原始钻井液，其包括含水液体，增粘剂，和一种或多种HLB值等于或大于7的表面活性剂；和

(b)将原始钻井液与负载有沥青的油砂钻屑混合；

其特征在于，提供的表面活性剂具有使来自钻屑的沥青有效乳化的浓度，使得乳化的沥青基本上均匀地分散在原始钻井液中，从而形成乳化钻井液。

2.根据权利要求1的方法，其中，将原始钻井液与负载有沥青的油砂钻屑混合的步骤可以用下述方法完成：将原始钻井液循环通过钻探穿过油砂层的井筒的环状空间，使来自于油砂层的钻屑混入原始钻井液。

3.根据权利要求1的方法，其中，原始钻井液包括一种或多种聚合物。

4.根据权利要求1的方法，其中，原始钻井液包括一种或多种碱性材料。

5.根据权利要求1的方法，其中，原始钻井液包括具有溶剂性能的载油。

6.根据权利要求1的方法，其中，原始钻井液包括一种或多种加重材料。

7.根据权利要求1的方法，其中，原始钻井液包括一种或多种消泡剂。

8.一种在钻井通过油砂层时减小来自油砂钻屑的沥青对井部件和设备的粘附的方法，该方法包括下述步骤：

将包括含水液体、增粘剂和HLB值等于或大于7的表面活性剂的钻井液循环在井筒内，以将钻井液与钻井期间产生的钻屑混合，所述表面活性剂具有使得来自于钻屑的沥青有效乳化进钻井液中的浓度。

9.一种在钻井通过油砂层时增强水基钻井液的清洁能力和再使用能力的方法，该方法包括下述步骤：

当在井筒内循环包括含水液体和增粘剂的钻井液时，以使得来自于负载有沥青的钻屑的沥青有效乳化进钻井液的浓度，将HLB值等于或大于7的表面活性剂掺入钻井液中。

10.根据权利要求8或9的方法，其中，钻井液包括一种或多种聚合物。

11.根据权利要求8或9的方法，其中，钻井液包括一种或多种碱性材料。

12.根据权利要求8或9的方法，其中，钻井液包括具有溶剂性能的载油。

13.根据权利要求8或9的方法，其中，钻井液包括一种或多种加重材料。

14.根据权利要求8或9的方法，其中，钻井液包括一种或多种消泡剂。

15.在包含增粘剂的水基钻井液中的HLB值等于或大于7的表面活性剂在钻井通过油砂层时减小来自于油砂钻屑的沥青对井部件和设备的粘附中的用途，其中当在井筒内循环钻井液时，以使得来自于钻屑的沥青有效乳化进钻井液的浓度，将所述表面活性剂掺入钻井液中。

16.在包含增粘剂的水基钻井液中的HLB值等于或大于7的表面活性剂在钻井通过油砂层时增强水基钻井液的清洁能力和再使用能力中的用途，其中当在井筒内循环钻井液时，以使得来自于负载有沥青的钻屑的沥青有效乳化进钻井液的浓度，将所述表面活性剂掺入钻井液中。

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