CN100577983C - 砾石充填方法 - Google Patents

Abstract

本发明披露了VES基砾石携带液在砾石充填操作中的用途，所述操作使用筛管和分路管路，所述筛管和分路管路已经运行在用油基泥浆完井的井中。使用该方法，避免了以前有必要但是不希望的步骤，同时保持了使用水基流体进行砾石充填的优势，所述步骤是下面的两步：首先在穿孔的挡板中运行，然后用水基流体置换在待砾石充填的区域中的油基流体。

Description

砾石充填方法

技术领域

本发明涉及在用油基泥浆(oil-based mnds，OBM′s)钻出的井筒中砾石充填裸眼完井。更具体地，本发明涉及用水基携带液砾石充填这些井，而无需首先用水性流体(aqueous fluid)置换油基泥浆。更具体地，本发明涉及使用替补通道技术(alternate path technique)的砾石充填，同时使用粘弹性流体作为携带液。

背景技术

目前使用合成/油基泥浆钻探许多井，特别是在深水/海底环境中的油田中的井。由于插入(intervention)的高成本和高生产率，这些井需要可靠的完井技术，所述技术能够防止出砂(sand production)和在井的全部使用期限内使生产率最大化。这样的一种技术是裸眼井砾石充填。

砾石充填裸眼的主要技术有两种：(1)替补通道技术和(2)水封技术(water packing technique)。后者使用低粘度流体，例如完井液以从表面携带砾石并将其沉积到防砂筛管(sand-control screen)和井筒之间的环形空间(annulus)中。另一方面，替补通道技术利用粘性携带液，因此这两种技术的充填机理显著不同。替补通道技术允许绕过在环形空间中形成的任何桥塞(bridge)，这是由以下原因造成的：由于泥饼侵蚀造成向地层中的高度漏失，或者超出破裂压力，或者页岩塌陷/页岩溶胀或者在防砂筛管上局部地层塌陷。

在未固结的地层中，实施防砂措施，以防止井筒塌陷。控制砂排出(sanddisplacement)的常规实践是放置砾石充填物(gravel pack)，以将地层砂保持在原位。砾石充填物通常围绕穿孔的衬管或筛管沉积。砾石充填物使砂滤出，同时仍然允许地层流体流经砾石、筛管和生产管路。为了避免长或倾斜层段(intervals)导致的困难，可以利用替补通道或“分路(shunt)”工具进行砾石充填。该工具包括带孔的分路，其适于在砾石砂浆进入围绕筛管的环形空间时接收砾石砂浆。这些分路提供了替补通道，该替补通道允许输送砾石砂浆，即使在完成操作前在砾石中形成了桥塞时也是如此。

大部分近来发现的深水油气田中含有高比例的页岩，页岩是水敏感性的，并因此是(或将是)用油基流体钻探的。尽管这些井也可以用油基砾石充填液完井，但是迄今为止，除了少数几个外，它们都是用水基流体进行砾石充填的。它们中的大部分是使用替补通道技术，用粘性流体完井。粘弹性表面活性剂(VES)溶液是在使用替补通道技术进行裸眼井砾石充填中已经广泛采用的携带液，其原因是它们的形成和砾石充填破坏小、压降(drawdown)需要小、它们将泥饼清理化学品混入携带液中的能力以及它们的摩擦压力低。

然而，因为当粘弹性表面活性剂溶液暴露于大部分油(包括大多数油基泥浆)时，失去了它们的粘性和弹性，因此在井筒充满油基流体下，在井眼中操作替补通道筛管的情况时，它们能否成功用作携带液具有很大程度的不确定性。这是因为在砾石充填前进行的任何流体驱替都不能确保有效地用水基流体置换油基泥浆。任何没有被置换的油基泥浆会填充至少部分分路管路，而筛管进入井眼。这种置换不足的潜在后果是，刚好在需要分路管路，以绕过任何环状桥塞时，分路管路中脱砂(screen-out)。这是因为如果没有置换任何油基泥浆，VES凝胶会接触该油基泥浆。因为已经知道当VES凝胶接触油气(hydrocarbon)时，大部分VES凝胶破裂，在VES凝胶会接触油基泥浆的场合，操作者将不使用VES凝胶作为砾石携带液。

存在两种可供选择的实践以避免该问题。第一种实践在井眼中运行替补通道筛管之前，用水基流体置换全部井筒。该方法在西非成功实践了十几个井。该方法的重大缺陷是其通常需要运行预钻衬管，以使井筒稳定，因为水基流体置换会导致页岩溶胀和/或塌陷，阻止筛管运行到目标层段，正如在相同区域的某些井中所经历的。必须运行预钻衬管导致额外的行程，这是昂贵的(钻井时间)。第二种方法在井眼中运行替补通道筛管后，使用聚合物溶液作为砾石充填携带液，在井筒中存在油基流体。因为聚合物流体在被油基流体污染后仍然保持其粘度，与使用常规粘弹性表面活性剂流体相比，该方法消除了在分路管路中的潜在脱砂。然而，在砾石充填过程中存在损失的情况下，侵入地层的聚合物流体具有破坏性，并且井生产率降低。注意到仅在发生泥饼浮脱(lift-off)或侵蚀或者超出地层的破裂压力时，会发生这种损失，前面任何一种情况都导致分路管路激活，也就是说如果泥饼保持完整并且裸眼段中压力的保持低于破裂压力，则不需要压力分路管路.

因此，极其需要以油和泥浆的任何比例使用粘弹性表面活性剂携带液进行的砾石充填方法，该携带液对于用于钻探储层的油基泥浆系统不敏感，意味着它们能够保持足够的粘度，以至少在放置砾石的时帧内进行砾石充填，然而至少在砾石充填后使该井投入生产的时帧内与生产的油气接触时破裂。还需要砾石充填裸眼完井的方法，该井用OBM钻探，具有“较不敏感的(less insensitive)”水性VES砾石充填携带液，该携带液可能更易获得或较便宜。较不敏感的水性VES砾石充填携带液是稳定时间足够长，以便在OBM′s存在下，在处理条件下得多种(但不是全部)OBM/VES比例下，携带砾石的携带液。术语较不敏感的水性VES砾石充填携带液还用于与不敏感VES流体相比，对于高温或高盐浓度稳定性差的VES流体。

发明内容

本发明的一种实施方式是使用所选水性VES流体作为携带液用于在裸眼中放置砾石的方法，所述裸眼已经用油基泥浆完井，并且其中具有分路管路的替补通道筛管运行进入裸眼，而没有预先置换OBM。本发明的关键方面是选择VES流体和OBM，使得VES对泥浆比对生产的油气更稳定；VES在泥浆中稳定时间足够长，以在作业条件下放置砾石，但是在作业条件下，VES在足够短的时间内被生产的油气破裂，以在回流期间提供净化(clean-up)。对于在砾石充填条件下对油基泥浆不敏感的那些水性VES砾石充填携带液，本发明的该实施方式不需要在砾石充填前置换完井时使用的油基泥浆。在该实施方式中，穿透地下地层的裸眼井筒的层段是用砾石填充的，其步骤包括：用钻柱和油基泥浆使井筒钻入地层中；拔出钻柱；将具有一个或多个筛管和一个或多个替补通道分路管路的防砂柱(sand controlstring)运行到含有油基泥浆的井筒中；在井筒穿透地层的位置或该位置附近设置封隔器；用水性粘稠粘弹性表面活性剂基携带液进行砾石充填，该携带液以有效量存在，以提供足以携带砾石的粘度，但是该携带液对油基泥浆不敏感，不敏感的时间足以放置砾石，并且该携带液在生产的流体存在下破裂；和从井筒生产流体。该实施方式也可以在足够低的温度下使用较不敏感的水性VES砾石充填携带液，该VES在泥浆中稳定足够长的时间，以便在作业条件下放置砾石。待完井的层段通常但是不限于高度偏斜或水平层段，并且油基泥浆通常，但不限于逆乳状液油基泥浆。

基于所述条件，不敏感水性VES砾石充填携带液含有有效量的表面活性剂，该表面活性剂为相应于下式的胺的季铵盐

其中R₁为至少约C₁₆脂族基团，其可以为直链或支链的和其可以为饱和或不饱和的；R₂、R₃和R₄各自独立地是C₁至约C₆脂族基团，其可以为直链或支链的，饱和或不饱和的，并且其可以被使得R₂或R₃基团更亲水的基团取代；R₁、R₂、R₃和R₄都不是氢，并且R₂、R₃和R₄基团可以形成5或6元杂环结构，该环结构包括胺的氮原子；以及X^-为无机阴离子。优选胺的季铵盐为瓢儿菜基双(2-羟乙基)甲基氯化铵。不敏感水性VES砾石充填携带液也可以含有有效量的下面酰胺结构的表面活性剂：

其中R₁为烃基，可以为直链或支链的、芳族、脂族或烯属的，并且具有约14至约26碳原子和可以含有胺；R₂为氢或具有1至约4碳原子的烷基；R₃为具有1至约5碳原子的烃基；和Y为吸电子基团。优选吸电子基团为季铵或氧化胺。更优选地，表面活性剂为具有下面结构的内铵盐(betaine)：

其中R为烃基，其可以为直链或支链的、芳族、脂族或烯属的和具有约14至约26碳原子和可以含有胺；n＝约2至约4；和p＝1至约5，以及这些化合物的混合物。更优选表面活性剂为下面的内铵盐，其中R为C₁₇H₃₃或C₂₁H₄₁，和n＝3和p＝1；这些化合物分别称作BET-O-30和BET-E-40。更优选地，表面活性剂为BET-E-40。基于条件，有时可以使用上述季铵表面活性剂，而且在该实施方式中可以始终使用上述内铵盐表面活性剂。

在另一实施方式中，如果在该条件下以及对于砾石充填所需时间，水性VES砾石充填携带液对于油基泥浆是较不敏感的，以及如果对于合适地不进行任意油基泥浆置换的方法而言该条件太苛刻，那么该方法需要简单置换，而这不不需是全部。在该实施方式中，选择VES流体和OBM，使得VES对于泥浆的稳定时间足够长，以在大部分泥浆/VES比例下(无需是全部比例)，但是在作业条件下，VES在足够短的时间内被生产的油气破裂，以在回流期间提供净化。

在该实施方式中，在防砂柱内的OBM至少部分被水性羟乙基纤维素溶液或其它流体置换，例如所述其它流体是水性黄原胶溶液和水性澄清黄原胶溶液，其已知不具有破坏性，并且对于被油基流体污染不敏感，因此不会受到OBM污染VES而导致的粘度损失。在设置封隔器之后和在砾石充填步骤之前进行该步骤。任选地，代替该步骤或在该步骤以外，在砾石充填步骤中，可以使用水性羟乙基纤维素溶液或其它流体作为前置液，所述其它流体例如水性黄原胶溶液和水性澄清黄原胶溶液，其已知不具有破坏性，并且对于被油基流体污染不敏感，因此不会受到OBM污染VES而导致的粘度损失。该方法使得较不敏感的水性VES砾石充填携带液在该方法中也起到不敏感水性VES砾石充填携带液的作用。在该实施方式或其变体中，可以始终使用上述季铵表面活性剂和上述内铵盐表面活性剂。待完井的层段通常但是不限于高度偏斜或水平层段，并且油基泥浆通常但是不限于逆乳状液油基泥浆。

在其它实施方式，砾石充填可以在破裂压力以上进行；该处理也称作破裂充填(frac-packing)。在本发明的任意实施方式中不需要穿孔的衬管。在其它实施方式中，尽管不敏感和较不敏感的水性VES砾石充填携带液对于油基泥浆的稳定时间足够长，以放置砾石，但是在油基泥浆存在下，在完成砾石充填后的时间和温度的影响下，它们确实破裂，并且因此有助于有效净化。

附图说明

图1显示本发明中使用的表面活性剂的结构。

图2显示用一种适当表面活性剂制造的粘弹性流体的粘度，油基泥浆的量不同。

图3显示用其它适当表面活性剂制造的粘弹性流体的粘度，油基泥浆的量不同。

具体实施方式

在从地下地层开采油气时，水平或高度偏斜井是使油气生产率最大化的可靠方法(在本文中，术语“水平井”也意图包括高度偏斜井)。而且，在某些情况下，储层地层非常厚，以致于垂直或偏斜井身(其不一定是高度偏斜的)可能穿入地层很长距离。许多这种井(通过厚地层，或完全水平)没有下套管(cased)，因为没有下套管的完井成本比下套管井低很多，并且未下套管的井的生产率通常大大高于下套管的井。然而，在未固结的地层中，需要采取防砂措施以防止井筒塌陷、出砂和硬件故障，并使井供液能力最优化。

在未固结的地层中，采取防砂措施以防止井筒塌陷。在油气工业中，控制砂子迁移进入穿透松散固结地层的井的非常普遍的实践包括放置砾石充填物，以将地层砂保持在原位。砾石充填通常围绕穿孔的衬管或筛管沉积。砾石充填过滤出砂子，同时允许地层流体流经砾石、筛管和生产管路到达表面。

在本文下面的部分中，将参照水平井，但是应该理解本文也适用于垂直或偏斜井。一种水平砾石充填的方法是水封(water packing)，使用盐水中的低浓度砾石进行的两步工艺。在第一波中(称作α波)，随着砾石向水平段的远端或“底部(toe)”移动，直至达到底部或者发生过早脱砂，才充填井的下段。过早脱砂的原因是由于增加的漏失率而导致形成桥塞和因此降低的返回率(return rates)。然后，通过第二或者β波填充井的顶段，充填向水平段的开始“根部(heel)”向后进行。水封主要依赖保持高循环率的能力。实际上，砾石输送本质上基于流速和湍流而不是流体粘度。因此，在水封中成功进行砾石充填是部分基于低渗透率泥饼的存在，该泥饼使砾石充填液的损失最小化。在该操作中必须尽可能避免破裂。否则，发生砾石充填液的严重损失，导致形成桥塞和在桥塞之下的不完全充填。注意，长达3000米或更长的层段将不得不在水平井中砾石充填，在层段的根部附近(最接近井筒表面的层段部分)形成桥塞将导致井生产率的急剧下降。

为了减轻水封长或倾斜层段引起的问题，砾石充填裸眼完井的第二种常用方法使用粘性携带液用于砾石。将砾石充填物砂浆组合物泵送进入裸眼井筒的具体技术和条件是本领域技术人员已知的。使用“替补通道”工具。替补通道技术引入了特定的砾石充填筛管系统，该系统含有连接到筛管侧面的穿孔的“分路管路”或交替的流路。调节穿孔的分路，以在砾石砂浆进入围绕筛管的环形空间时接收该砂浆。这些分路管路通过使得流体围绕桥塞区域流动(如果在完成操作前发生砾石桥塞时)，从而可以有效进行砾石充填。因此即使存在高滤失，也可以砾石充填长水平段。典型交替路径砾石充填工具及其操作的完整描述可以见于例如美国专利4,945,991，在此引入其全部内容作为参考。对于该操作技术和工具的某些改良已经在例如美国专利5,082,052；5,113,935；5,341,880；5,419,394；5,435,391；5,476,143；5,515,915和6,220,345中提出。

与水封不同，使用分路技术的砾石充填从根部向底部(toe)进行。事实上，使用该技术进行充填连续形成桥塞，但是这些桥塞被工具设计所预期并利用。一旦筛管/地层环空(formation annulus)的一段和充当该段的分路口被充填，由于在充填的分路口的流动阻力高，发生砂浆转向，由仍然粘性的流体将砂浆携带到分路管路的下一段。因此，通过使用这种技术进行砾石充填的成功受到砂浆流经分路的阻力的控制，并且与地层性质或者泥饼的存在无关。更重要地是，该技术要求携带液在处理过程中是充分粘稠并保持充分粘稠的，以便其能够以所使用的极低流速(相对于水封)输送砾石。如果携带液丧失其粘度，该工艺将失败。应该理解，砾石充填通常包括注射前置液和后置液的步骤，并且当用粘性携带液进行砾石充填时，前置液和后置液通常，但不总是，与携带液相同的流体，但是不带有砾石。

尽管使用粘弹性表面活性剂(VES)基水性流体作为砾石充填携带液具有许多优势，但是因为如果VES流体接触油基泥浆(OBM’s)，特别是在替补通道分路管路中接触时，VES流体将破裂，因此通常使用聚合物基流体。在过去，如果需要使用VES基携带液，将采取精致步骤以避免VES流体和OBM的任何接触。在使用VES流体和分路管路进行的裸眼井砾石充填的一种方法中使用的主要步骤如下。(应该理解此处并没有包括全部步骤，本领域普通技术人员将了解在这种处理中所必需或任选的其它步骤)。

1.使用OBM钻到目标储层的顶部。

2.在套管和水泥中原位运行。

3.使用OBM钻探储层。

4.拔出钻柱。

5.在预钻衬管中运行以使井筒对塌陷稳定。

6.自底向上(bottom up)到封隔器设置深度(其通常在目标储存之上的套管中)，将OBM置换为通常水性羟乙基纤维素溶液或其它流体，例如水性黄原胶溶液或水性澄清黄原胶溶液，其已知是不具有破坏性的，并且对于被油基流体污染不敏感，并因此不会受到OBM引起的破裂而导致的粘度损失。

7.向上拔出柱，到或接近表面，并对套管驱替为盐水。

8.将替补通道筛管运行到预钻衬管中。不使用挡板(shroud)，该挡板通常用于保护裸眼完井的替补通道筛管。不使用挡板是因为存在预钻衬管。

9.设置封隔器。

10.使用在砾石充填中待用的VES流体进行循环测试。

11.使用水性VES-基携带液进行砾石充填，前置液在VES/砾石砂浆之前，后置液在VES/砾石砂浆之后，而且前置液和后置液二者都是在砾石充填中使用的相同的VES流体，但是没有砾石。

该过程的主要缺点是必须在预钻衬管中运行以及然后在随后的步骤种在筛管和分路管路中运行(代替在单一步骤中，在挡板内筛管和分路管路中运行)。必须进行多步过程，以致于能够用水性流体置换OBM，而井眼不被破坏，但是在适当位置不具有分路管路。在过去，在OBM中进行单一步骤过程，分路管路和基管(base tube)将被OBM填充，然后在企图进行砾石充填时使VES破裂。

现在，开发了以下方法，使用两种VES-基携带液之一以避免前面在用油基泥浆完井的井中存在水性VES砾石充填携带液时，企图采用替补通道技术所遇到的问题。已经确定了不敏感和较不敏感的水性VES砾石充填携带液，并开发了使用这些流体的方法。不敏感和较不敏感的水性VES砾石充填携带液如上所定义。

在一种实施方式中(下面称作第一主要实施方式)，该方法使用对OBM′s不敏感的水性VES砾石充填携带液。此时，将具有带挡板的替补通道分路管路的防砂柱直接运行到含有OBM的裸眼中。该方法省去了在预钻衬管中运行的步骤，并还省去了置换OBM的步骤。

关键因素是防砂筛管在井眼中具有油基流体的井眼中运行。使用该实施方式的典型作业如下运行，然而其许多变体也在本发明的方法范围内，应该理解此处没有包括所有步骤，并且本领域普通技术人员了解在该处理中所必须或任选的其它步骤：

1.使用OBM钻探到目标储层的顶部。

2.在储层段顶部井眼以上，下套管和注入水泥。可在钻探储层后，任选进行该步骤，套管设置在储层上。

3.使用OBM钻探储层。

4.任选地调节(condition)OBM，即通过使OBM通过具有小开孔的振动筛，以限定OBM的最大粒度并因此防止随后被OBM中的颗粒阻塞防砂筛管。

5.任选地用无固体油基流体置换裸眼(并且经济条件允许地话置换下套管的井眼；即不需要非常大的体积)，直至套管中到某一程度(通常高于封隔器设置深度)。

6.将钻柱拔出井眼。

7.在井眼中具有筛管、分路管路和挡板的防砂柱运行。

8.设置封隔器。

9.任选地，但是优选地，在相反的位置，使用本发明的不敏感VES流体，将油基流体驱替出钻杆，并进入套管/钻杆环形空间内。是否进行该步骤取决于后勤(是否具有用于流体储存和混合的单独罐)。

10.转换到砾石充填位置。

11.使用本发明的不敏感VES流体，泵送VES前置液、VES/砾石砂浆和VES后置液(前置液和后置液都仅仅是VES流体，而不含有砾石)沿着钻杆向下进入裸眼和通常(但不是必须的)折回向上通过冲洗管和套管/钻杆环形空间。

因为虽然该过程不意图确保防止VES流体和OBM的接触，但足以将这种潜在接触降低到对于使用不敏感VES系统安全的程度，因此该方法是成功的。使用不敏感VES，允许这种接触的可能性是可接受的。

在用于制造合适的本发明不敏感粘弹性表面活性剂凝胶中适当表面活性剂的非限制性实例可以见于美国专利6,482,866、美国专利6,435,277和美国专利申请2002/0023752，将它们的全部在此引入作为参考，并且它们都转让给了与本发明相同的受让人。这些材料也可以含有辅助表面活性剂、盐、低分子量醇和其它提高凝胶强度和稳定性的添加剂，如上述参考文献中所述。一种有价值的性质是它们对于盐浓度不敏感，并可以在水中使用，从淡水到浓盐水。(BET-O-30(如下所述)在没有辅助表面活性剂的浓盐水中不胶凝，辅助表面活性剂例如十二烷基苯磺酸钠)。此外，它们也可以含有其它适当油田流体添加剂，例如铁控制添加剂(iron control additivcs)、抗氧剂、抗淤剂、防腐蚀剂、粘土控制添加剂、流动促进剂和防垢剂。它们可以例如用氮气发泡。与所有油田处理流体相同，应该始终检验表面活性剂和添加剂，以确保流体根据需要发挥作用并且添加剂不影响该性能或在处理前、期间或之后引发问题。这种试验对于本领域普通技术人员是已知的。

优选的表面活性剂具有下面酰胺结构：

其中R₁为烃基，其可以为直链或支链的、芳族、脂族或烯属的和具有约14至约26碳原子和可以含有胺；R₂为氢或具有1至约4碳原子的烷基；R₃为具有1至约5碳原子的烃基；和Y为吸电子基团。优选吸电子基团为季铵或氧化胺。

更优选该表面活性剂是具有下面结构的内铵盐：

其中R为烃基，其可以为直链或支链的、芳族、脂族或烯属的和具有约14至约26碳原子和可以含有胺；n＝约2至约4；和p＝1至约5，以及这些化合物的混合物。更优选表面活性剂为下面的内铵盐，其中R为C₁₇H₃₃或C₂₁H₄₁，和n＝3和p＝1；这些化合物分别称作BET-O-30和BET-E-40。更优选表面活性剂为BET-E-40。

作为非限定实例，已经发现BET-O-30和BET-E-40两性离子表面活性剂特别适用于在任何电解质浓度下形成不敏感VES′s；这些材料在不加入盐时将形成凝胶，或者甚至在浓盐水中形成凝胶。BET-O-30如此命名的，因为从供应商(Rhodia，Inc.Cranbury，New Jersey，U.S.A.)处获得时，其称作Mirataine BET-O-30，这是因为其含有油酸酯基团(oleyl acid ester group)(包括C₁₇H₃₃尾基)和含有约30％活性表面活性剂；余量基本上是水、少量氯化钠和异丙醇。类似材料BET-E-40也得自Rhodia，并含有含有瓢儿菜油酸酯基团(erucic acid ester group)(包括C₂₁H₄₁尾基)和含有约40％活性表面活性剂；余量基本上是水、少量氯化钠和异丙醇。BET-E-40示于图1。表面活性剂以该形式提供，而使用醇或二醇以在高浓度下辅助表面活性剂在水中增溶，并在低温下保持原样的(as-received)浓缩物保持为均匀流体。在油田用途中，在稀释后，原样的材料的其它组分量是可忽略的。BET表面活性剂等等描述于美国专利6,482,866。在本发明中优选的VES表面活性剂浓度为约5至约15体积％。

本发明的另一实施方式(我们称作第二主要实施方式)也省略了在预钻衬管中运行的步骤和在替补通道筛管中运行之前置换裸眼和套管中的OBM的步骤，并使用“较不敏感的”水性VES砾石充填携带液。较不敏感的水性VES砾石充填携带液是在处理条件下，多种(但不是全部)OBM/VES比例下，在OBM′s的存在下稳定的携带液。较不敏感的水性VES砾石充填携带液在低温或低(loser)盐度下可以是不敏感的，但是在高温或高流体密度下是较不敏感的。第二主要实施方式包括通过从防砂管置换OBM，会最小化(但不是一定消除)VES和OBM之间的接触的步骤。主要步骤如下，但是应该理解此处并没有包括所有步骤，并且本领域普通技术人员将会了解在这种处理中所必须或任选的其它步骤。

1.使用OBM钻探到目标储层的顶部。

2.在套管或水泥中原位运行。可在钻探储层后，任选进行该步骤后，在储层上设置套管。

3.使用OBM钻探储层。

4.拔出钻柱。

5.在具有挡板的替补通道筛管和分路管路中运行。

6.设置封隔器。

7.在砾石充填位置，沿着钻杆向下进入裸眼并且通常(但不是必须的)折回向上通过冲洗管和套管/钻杆环形空间，将OBM置换为水性羟乙基纤维素溶液或其它流体，例如水性黄原胶溶液或水性澄清黄原胶溶液，其已知不具有破坏性并对于油基流体污染不敏感(或使用水性羟乙基纤维素溶液等作为前置液)。

8.使用本发明的较不敏感的VES流体，泵送VES前置液(除非在步骤7中选择使用非破坏性的流体作为前置液)、VES/砾石砂浆和VES后置液(前置液和后置液都仅仅是VES流体，而不含有砾石)沿着钻杆向下进入裸眼并且通常(但不是必须的)折回向上通过冲洗管和套管/钻杆环形空间。

该第二主要实施方式也省略了第一主要实施方式中调节OBM或将OBM置换为无固体油基流体的任选步骤。

如果需要，不敏感水性VES砾石充填携带液可以用于第二主要实施方式。注意，第二主要实施方式有效允许较不敏感的表面活性剂系统如同不敏感表面活性剂系统一样操作。

此外，我们发现对于在高温下太敏感而不适于第一主要实施方式的较不敏感的水性VES砾石充填携带液可以在低温下用于第一主要实施方式。例如，虽然不建议在第一主要实施方式中，在高于约65℃的温度下使用较不敏感的水性VES砾石充填携带液(其中VES为瓢儿菜基双(2-羟乙基)甲基氯化铵)，但是在低于约65℃的温度下，其适于使用该流体。因为在被油基流体污染时，VES流体的粘度损失也是时间依赖性的，例如瓢儿菜基双(2-羟乙基)甲基氯化铵等的VES系统也可以用于较短层段，其可以以较短的时间内处理。可以用较不敏感的水性VES砾石充填携带液处理的层段的长度也取决于井底温度。

在制造适于本发明的较不敏感的水性VES砾石充填携带液中可用的适当表面活性剂的非限定性实例描述于美国专利6,435,277，该专利转让给了与本发明相同的受让人，将其全部在此引入。合适的较不敏感的表面活性剂是在该专利第20栏第1行至第23栏第29行描述的阴离子、阳离子或非离子表面活性剂。该专利给出了适当的浓度，并描述了合适以及相容的添加剂，特别是盐、醇和加入以改善稳定性的辅助表面活性剂。优选的较不敏感的表面活性剂是引用的阳离子表面活性剂；更优选的是某些胺的季铵盐，如美国专利U.S.Patent 5,979,557所述，该专利转让给了与本发明相同的受让人，将其全部在此引入。实例为相应于下式的胺的季铵盐：

其中R₁为至少约C₁₆脂族基团，其可以为直链或支链的和其可以为饱和或不饱和的；R₂、R₃和R₄各自独立地是C₁至约C₆脂族基团，其可以为直链或支链的，饱和或不饱和的，并且其可以被使得R₂或R₃基团更亲水的基团取代；R₁、R₂、R₃和R₄都不是氢，并且R₂、R₃和R₄基团可以形成5或6元杂环结构，该环结构包括胺的氮原子；以及X^-为无机阴离子。最优选的较不敏感的表面活性剂是瓢儿菜基双(2-羟乙基)甲基氯化铵。

这些水性VES砾石充填携带液也可以含有辅助表面活性剂、盐、低分子量醇和其它增强凝胶强度和稳定性的添加剂。此外，它们也可以含有其它适当的油田流体添加剂，例如铁控制添加剂、抗氧剂、抗淤剂、防腐蚀剂、粘土控制添加剂、流动促进剂和防垢剂。它们可以例如用氮气发泡。在本发明中，对于水性VES基砾石充填液中的较不敏感的表面活性剂而言，优选的VES表面活性剂浓度范围为约5至约15体积％。

本发明的方法可以使用所有油基泥浆。水性VES砾石充填携带液对于泥浆是否是不敏感或较不敏感，将取决于泥浆组成和添加剂、VES流体组成和添加剂、处理时间和条件。水性VES砾石充填携带液对于泥浆是否是不敏感或较不敏感，将通过简单的实验室试验确定，该试验是本领域普通技术人员公认的。优选的泥浆是油基乳化泥浆系统(oil-based emulsion mudsystem)(也称作“逆泥浆(inverse mud)”系统)。合适的OBM是作为VERSAPRO从M-I Drilling Fluid，Houston，Texas，U.S.A购得的。VERSAPRO被供应商描述为具有乳化剂包(emulsifier package)的油基储层钻井液系统，因此其含有的氯化钙盐形成凝胶尺寸的微滴，所述微滴是在连续油相中乳化的。VERSACLEAN(也从M-1Drilling Fluid购得)也可以使用。VERSACLEAN被供应商描述为用于禁止柴油的环境敏感区域的矿物油系统。相信VERSACLEAN的油/水比例为80/20和含有225,000ppm CaCl₂。当在本发明的方法中使用时，盐在逆乳状液油基泥浆中的性质并不重要。另一合适的油基泥浆是CARBOSEA，其从Baker Hughes Inteq，Houston，Texas，U.S.A购得，并被描述为低毒性油基泥浆。

进行两系列试验，其中一系列试验使用本发明的较不敏感的VES流体，其含有5体积％瓢儿菜基双(2-羟乙基)甲基氯化铵(得自Ondeo-Nalco EnergyServices，Sugar Land，Texas，U.S.A.(含有约60％活性成分、5％水和约25％低级醇和二醇以提供低温稳定性)和4重量％氯化钾；另一试验使用本发明的不敏感VES流体，其含有7.5体积％原样的BET-E-40和9.8ppg(磅/加仑)(1.17kg/L)的CaCl₂。首先将约5重量％氯化钠和约1重量％磺酸盐聚合电解质粘度恢复促进剂加入到原样的BET-E-40浓缩物中。对于每一系列试验，用油基泥浆(OBM)样品(作为VERSAPRO从M-I Drilling Fluid购得)在不同体积比例下污染每种流体。在170°F(77℃)下测量这些样品的流变性质，并与未污染的VES和OBM样品比较。在每个试验中，分别将VES流体和OBM加热到170°F(77℃)；然后将它们在瓶中混合，用手剧烈摇动30秒，在Fann 35粘度计中测量粘度。与较不敏感的瓢儿菜基双(2-羟乙基)甲基氯化铵VES流体混合的混合物和与不敏感VES流体BET-E-40VES流体混合的混合物而言，结果分别显示于图2和3中。

可以看出，在该温度下，较不敏感的VES瓢儿菜基双(2-羟乙基)甲基氯化铵流体在和OBM混合的多种比例下显示出显著的粘度损失，而在所有试验比例下，不敏感VESBET-E-40流体的粘度在很大程度上得到了保持。这是特别重要的，因为在VES流体置换OBM的方法中，预期会遇到VES流体和OBM的许多比例。因此对将要成功的类似于本发明第一主要实施方式的方法而言，OBM应该在任何比例下都不会破裂VES流体(在该流体放置砾石所需的时间时)。对类似第二主要实施方式的方法而言，该OBM应该在大多数比例下都不会破裂VES流体(在该流体放置砾石所需的时间时)。这些数据显示瓢儿菜基双(2-羟乙基)甲基氯化铵流体会破裂，除非至少部分OBM已经预先被对于OBM不敏感的流体置换。因此，在该试验的条件下，其应该仅仅用于本发明的第二主要实施方式。当然，在不同条件或具有改善其稳定性的合适步骤时，该流体可以是不敏感流体。这种步骤可以是加入稳定添加剂(例如辅助表面活性剂)、增加表面活性剂浓度、改变电解质浓度或本领域普通技术人员已知并用实验室实验容易试验的那些其它技术。在该实验条件下，BET-E-40基VES流体是不敏感流体，并可以适用于本发明的第一主要实施方式，因为其在以任意比例用该流体放置砾石时，不会被OBM破裂。显然，其也可以适用于本发明的第二主要实施方式。

在另一实验中，用水性VES砾石充填携带液进行测试，所述携带液含有10体积％瓢儿菜基双(2-羟乙基)甲基氯化铵(来自Ondeo-Nalco EnergyServices，Sugar Land，Texas，U.S.A.(含有约60％活性成分、5％水、和约25％低级醇和二醇以提供低温稳定性)和4重量％氯化钾。对于每一系列测试，在185°F(85℃)下，在1-75％的不同体积比下，用CARBOSEA油基泥浆污染该流体。在185°F(85℃)测量这些样品的流变性质，并与未污染VES流体和CARBOSEA样品比较。在每个试验中，分别将VES流体和CARBOSEA加热到185°F(85℃)；然后将它们在瓶中混合，用手剧烈摇动30秒，在Fann35粘度计中测量粘度。发现当在该温度下使用OBM时，VES流体是较不敏感的水性VES砾石充填携带液。

表1示出的是与原油样品的相容性测试结果，使用不敏感BET-E-40VES流体。可以看出，BET-E-40VES流体当暴露到原油时完全破裂，如较不敏感的瓢儿菜基双(2-羟乙基)甲基氯化铵流体(未示出)一样。这是重要的，因为在本发明的方法中，因为当回流井(flow back)，以进行净化完井(特别是砾石充填的完井)时，VES流体当与原油接触时，VES流体应该破裂。在未示出的实验中，发现使用较不敏感的VES′s例如瓢儿菜基双(2-羟乙基)甲基氯化铵制备水性的VES砾石充填携带液与相同的原油接触时也完全破裂。

虽然不敏感和较不敏感的水性VES砾石充填携带液对于油基泥浆的稳定时间足够长，以便使用本发明的适当实施方式的方法进行放置砾石，但是在其它实验中(未示出)，我们发现在时间、温度和VES/OBM比例的特定条件下，在存在油基泥浆时，在时间长于完成砾石充填所需的时间时，它们会破裂。虽然不是必须的，但有助于砾石充填的净化。这延缓了VES被OBM破裂，当并且当发生时和如果发生时，延缓是有利的，而不是不利的。

因此，有可能在油基泥浆(即，无需在先前置换为水基流体)中的井眼中运行替补通道筛管的环境中，使用本发明实施方式方法的VES流体作为携带液，并且有可能保持与这些类型的水性非聚合物砾石携带液相关的效率和生产率优势。总而言之，在低温和/或短层段的非常温和条件下，较不敏感的水性VES砾石充填携带液可以用于本发明的第一主要实施方式中。在更严格的条件下，可以使用较不敏感的水性VES砾石充填携带液，同时在向下通过钻杆进入裸眼和通常(但是不是必须)向上折回通过冲洗管和套管/钻管环形空间(第二主要实施方式)的砾石充填位置，增加首先将OBM置换为水性羟乙基纤维素溶液或其它流体的单一简单步骤，所述其它流体例如水性黄原胶溶液或水性澄清黄原胶溶液，其已知不具有破坏性，并且对于油基流体污染不敏感(或使用水性羟乙基纤维素溶液等作为前置液)。在严格条件下，不敏感水性VES砾石充填携带液必须用于所有这些主要实施方式中。不敏感水性VES砾石充填携带液可以在任何条件下用于所有这些主要实施方式中。如上所述，本领域普通技术人员可以使用例如上述主要方法的多种任选变体，并且该方法仍然在本发明的范围内，并可以使用上述简单实验室试验确定特定VES-基携带液在所需应用条件下是否是不敏感或较不敏感的。

尽管这些方法如上所述并且大部分通常用于油气生产，这些方法也可以用于注入井，并用于生产其它流体例如水或盐水、二氧化碳或氦气。

表1

在170°F(77℃)时BET-E-40VES流体和原油的相容性试验

Claims (23)

1.一种穿透地下地层的裸眼井筒层段的完井方法，包括下面步骤：

a.使用钻柱和油基泥浆将井筒钻入地层中；

b.提出钻柱；

c.运行防砂柱至含有油基泥浆的井筒中，所述防砂柱包括一个或多个筛管和一个或多个交替通道分路管路；

d.在井筒穿透地层的位置或该位置附近设置封隔器；

e.用基于粘弹性表面活性剂的水性粘稠携带液进行砾石充填，所述粘弹性表面活性剂的存在量有效提供足以携带砾石的粘度，所述携带液对于油基泥浆的不敏感时间足以放置砾石，并且所述携带液能够被生产的流体破裂，和

f.从井筒生产流体。

2.根据权利要求1所述的方法，其中井筒是水平的或高度偏斜的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中油基泥浆是逆乳化液油基泥浆。

4.根据权利要求1所述的方法，其中基于粘弹性表面活性剂的水性粘稠携带液包含有效量的表面活性剂，该表面活性剂为相应于下式的胺的季铵盐：

其中R₁为至少C₁₆脂族基团，其为直链或支链的和其为饱和或不饱和的；R₂、R₃和R₄各自独立地是C₁至C₆脂族基团，其为直链或支链的，饱和或不饱和的，并且其可以被使得R₂或R₃基团更亲水的基团取代；R₁、R₂、R₃和R₄都不是氢，并且R₂、R₃和R₄基团可以形成杂环的5或6元环结构，该环结构包括胺的氮原子；以及X^-为无机阴离子。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述基于粘弹性表面活性剂的水性粘稠携带液包括瓢儿菜基双(2-羟乙基)甲基氯化铵。

6.根据权利要求1所述的方法，其中粘弹性表面活性剂包括：

其中R₁为烃基，为直链或支链的、芳族、脂族或烯属的，并且具有14至26碳原子和可以含有胺；R₂为氢或具有1至4碳原子的烷基；R₃为具有1至5碳原子的烃基；和Y为吸电子基团。

7.根据权利要求6所述的方法，其中粘弹性表面活性剂包括内铵盐。

8.根据权利要求7所述的方法，其中粘弹性表面活性剂包括：

9.根据权利要求1所述的方法，其中粘弹性表面活性剂包括CaCl₂。

10.根据权利要求1所述的方法，其中砾石充填步骤在大于地层破裂压力下进行。

11.一种穿透地下地层的裸眼井筒层段的完井方法，包括下面的步骤：

a.使用钻柱和油基泥浆将井筒钻入地层中；

b.提出钻柱；

c.运行防砂柱进入含有油基泥浆的井筒中，所述防砂柱包括一个或多个筛管、一个或多个交替通道分路管路、和挡板；

d.在井筒穿透地层的位置或该位置附近设置封隔器；

e.使用非破坏性的、对于油基泥浆不敏感的水性流体置换至少部分油基泥浆，直至封隔器；

f.用基于粘弹性表面活性剂的水性粘稠携带液进行砾石充填，所述粘弹性表面活性剂的存在量有效提供足以携带砾石的粘度，所述携带液对于至少部分置换的油基泥浆的不敏感的时间足以放置砾石，和所述携带液能够被生产的流体破裂，和

g.从井筒生产流体。

12.根据权利要求11所述的方法，其中井筒是水平的或高度偏斜的。

13.根据权利要求11所述的方法，其中油基泥浆是逆乳化液油基泥浆。

14.根据权利要求11所述的方法，其中基于粘弹性表面活性剂的水性粘稠携带液包含有效量的表面活性剂，该表面活性剂为相应于下式的胺的季铵盐：

其中R₁为至少C₁₆脂族基团，其为直链或支链的和其为饱和或不饱和的；R₂、R₃和R₄各自独立地是C₁至C₆脂族基团，其为直链或支链的，饱和或不饱和的，并且其可以被使得R₂或R₃基团更亲水的基团取代；R₁、R₂、R₃和R₄都不是氢，并且R₂、R₃和R₄基团可以形成杂环的5或6元环结构，该环结构包括胺的氮原子；以及X^-为无机阴离子。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述基于粘弹性表面活性剂的水性粘稠携带液包括瓢儿菜基双(2-羟乙基)甲基氯化铵。

16.根据权利要求11所述的方法，其中粘弹性表面活性剂包括：

其中R₁为烃基，为直链或支链的、芳族、脂族或烯属的，并且具有14至26碳原子和可以含有胺；R₂为氢或具有1至4碳原子的烷基；R₃为具有1至5碳原子的烃基；和Y为吸电子基团。

17.根据权利要求16所述的方法，其中粘弹性表面活性剂包括：

18.根据权利要求11所述的方法，其中粘弹性表面活性剂包括CaCl₂。

19.根据权利要求11所述的方法，其中砾石充填步骤在大于地层破裂压力下进行。

20.根据权利要求11所述的方法，其中所述非破坏性的、对于油基泥浆不敏感的水性流体选自水性羟乙基纤维素溶液、水性黄原胶溶液和水性澄清黄原胶溶液。

21.根据权利要求11所述的方法，其中在使用非破坏性的、对于油基泥浆不敏感的水性流体置换至少部分油基泥浆直至封隔器的步骤后，使用非破坏性的、对于油基泥浆不敏感的水性流体作为前置液。

22.一种穿透地下地层的裸眼井筒层段的完井方法，包括下面的步骤：

a.使用钻柱和油基泥浆将井筒钻入地层中；

b.提出钻柱；

c.运行防砂柱进入含有油基泥浆的井筒中，所述防砂柱包括一个或多个筛管、一个或多个交替通道分路管路、和挡板；

d.在井筒穿透地层的位置或该位置附近设置封隔器；

e.注入非破坏性的、对于油基泥浆不敏感的水性流体作为前置液；

f.用基于粘弹性表面活性剂的水性粘稠携带液进行砾石充填，所述粘弹性表面活性剂存在量有效提供足以携带砾石的粘度，所述携带液对于至少部分置换的油基泥浆的不敏感的时间足以放置砾石，和所述携带液能够在生产的流体存在下破裂，和

g.从井筒生产流体。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述非破坏性的、对于油基泥浆不敏感的水性流体选自水性羟乙基纤维素溶液、水性黄原胶溶液和水性澄清黄原胶溶液。

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