CN102083939A - 用于减少井筒滤失和滤液损失的方法和水性基井筒流体 - Google Patents

用于减少井筒滤失和滤液损失的方法和水性基井筒流体 Download PDF

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Abstract

本文中公开的实施方案涉及用于防止井下井筒滤失的水性基井筒流体，所述水性基井筒流体包含至少一种共聚物和水性基液，所述至少一种共聚物由至少一种天然聚合物单体和至少一种胶乳单体形成。

Description

用于减少井筒滤失和滤液损失的方法和水性基井筒流体
发明背景
发明领域
本文中公开的实施方案总体上涉及用于减少钻井过程中井筒滤失(wellbore fluid loss)的方法和流体。还更具体地，本文中公开的实施方案涉及含有至少一种天然聚合物和至少一种胶乳的共聚物的水性基井筒流体。
背景技术
在井筒的钻制过程中，各种流体典型用于各种功能的井。流体可以循环通过钻杆和钻头进入到井筒中，然后可以随后向上流动通过井筒达到地面。在此循环中，钻井液可以起到下列作用：将钻井切屑从井眼的底部移动到地面；当循环中断时悬浮切屑和加重材料；控制地下压力；在对井段下套管和注水泥之前，维持井筒的完整性；通过提供足够的流体静压力而分离来自地层的流体，以防止地层流体进入到井筒中；冷却和润滑钻柱和钻头；和/或将渗透速率最大化。
如上所述，将井筒流体循环到井下以移除岩石，并且递送试剂以抵抗上述各种问题。流体组合物可以是水基的或油基的，并且可以包含加重剂，表面活性剂，支撑剂和聚合物。然而，对于要进行其所有功能并且允许井筒作业继续的井筒流体，流体必须保持在井眼中。经常地，遭遇不期望的地层条件，其中显著量的，或在一些情况下，实际上所有的井筒流体可能损失到地层中。例如，井筒流体可以通过地层中的大的或小的裂缝或断口或通过包围井眼的高度多孔的岩石基体离开井眼。因而，滤失或漏失循环液是重复出现的钻井问题，其特征在于井筒流体损失到破裂的、高度渗透性的、多孔的、多孔穴的或含晶簇的井下地层中。
当用水基流体钻制到页岩地层中的具体问题是孔隙压力增加和由流体渗透页岩而溶胀。典型将页岩稳定剂加入到泥浆中以抑制这些现象并且稳定页岩不受泥浆影响。
降低侵入到井眼壁中的钻井液压力是保持井筒稳定性的最重要因素之一。据认为，足够的井眼压力将稳定页岩以保持井眼的完整性。将泥浆或液体侵袭页岩时，孔隙中的压力上升并且泥浆柱和页岩之间的压力差下降。随着压力差下降，页岩不再受到支持并且可以容易地脱落并且落入到井筒中。类似地，水往页岩基体中的侵入增加部分脱水的页岩主体的水合或润湿，从而导致其软化并且使其损失结构强度。化学反应性还可以导致不稳定性。总是存在着对用于稳定页岩地层的更好组合物和方法的需求。
当从砂岩地层，特别是枯竭的砂岩地层回收烃时，存在着对密封并防止滤失的类似需求。枯竭的砂岩地层是生产性的，或从前是生产性的烃区，它们的内含物已经被开采、消耗或以其它方式消耗，从而产生比可以在井中使用的流体压力更低的地层压力。由于此压力差，重要的是部分或完全密封砂岩地层以抑制或防止泥浆往砂岩中的滤失。
在解决这些和其它问题的尝试中，已经使用可交联或吸收聚合物，损失控制材料(LCM)小段塞和水泥注入物(cement squeezes)。这些添加剂在下列方面具有应用：防止泥浆损失，稳定和增强井筒，区域隔离和水封堵处理。一些典型的用于抵抗滤失的在井液中使用的增粘添加剂包括天然聚合物和它们的衍生物，例如黄原胶和羟乙基纤维素(HEC)。另外，可以使用广泛的多糖和多糖衍生物，如现有技术中已知的。
此外，在完井作业中在不破坏地层渗透性的情况下提供有效的滤失控制已经成为对理想滤失控制小段塞的主要要求。常规滤失控制小段塞包括多种聚合物或树脂，碳酸钙，和粒级盐滤失添加剂，其已经随着变化的滤失控制程度而被使用。这些小段塞从特定固体的存在而实现了它们的滤失控制以抑制流入或流过地层，所述特定固体依赖于积聚在地层表面上的滤饼。然而，这些添加剂材料在其施用以后可以导致对井筒附近区域的严重破坏。如果不将地层渗透性恢复到其最初水平，则此破坏可以显著降低开采水平。此外，在完井作业中的合适的点，必须移除滤饼以恢复地层的渗透性，优选恢复至其最初水平。
当用于井控制或保持稳定井筒所需的泥浆重量超过地层的抗破裂性时，也可能发生诱导的泥浆损失。特别挑战性的情况出现在枯竭的油层中，其中孔隙压力的下降弱化含烃岩石，但是附近的或内部嵌入的低渗透性岩石如页岩保持它们的孔隙压力。这可以使得某些枯竭的区不可能进行钻制，原因在于用于支持页岩所需的泥浆重量超过了砂岩和粉砂的抗破裂性。
尽管通常将各种天然和合成聚合物加入到井筒流体中以控制流体往到地下地层中的滤失，向其中泵送水基流体的一些井筒具有相对高的井下温度和/或压力，常规滤失控制剂在所述相对高的井下温度和/或压力是不稳定的。同样地，这些滤失控制剂可能不能起到其提供井下滤失控制目的的作用。
因此，存在着对在使用水性基井筒流体时减少滤失的方法和系统的持续需求。
发明概述
在一个方面中，本文中公开的实施方案涉及用于防止井下井筒滤失的水性基井筒流体，所述水性基井筒流体包含：至少一种共聚物，所述共聚物由至少一种天然聚合物单体和至少一种胶乳单体形成；和水性基液。
在另一个方面中，本文中公开的实施方案涉及用于钻制井筒的方法，其包括将水性基井筒流体引入到井筒中，并且在钻井的同时循环所述水性基井筒流体，其中所述水性基井筒流体包含天然聚合物和胶乳的共聚物。
本发明的其它方面和优点将从下列描述和后附权利要求变得明显。
详细描述
在一个方面中，本文中公开的实施方案涉及用于防止井下井筒滤失的水性基井筒流体，该水性基井筒流体包含至少一种共聚物和水性基液，所述至少一种共聚物由至少一种天然聚合物单体和至少一种胶乳单体形成的共聚物。在另一个方面中，本文中公开的实施方案涉及用于钻制井筒的方法，所述方法包括将水性基井筒流体引入到井筒中，并且在钻井的同时在所述井筒内循环所述水性基井筒流体，其中所述水性基井筒流体包含天然聚合物和胶乳的共聚物。在又另一个方面中，本文中公开的实施方案涉及密封井筒的方法，所述方法包括将水性基井筒流体引入到井筒中，并且在钻井的同时在所述井筒内循环所述水性基井筒流体，其中所述水性基井筒流体包含天然聚合物和胶乳的共聚物。
本发明人已经惊奇地发现，天然聚合物和胶乳的共聚物当加入到水性井筒流体中时可以减少对于向土质地层(earthen formation)的井筒滤失。本发明人还已经惊奇地发现，包含天然聚合物和胶乳的共聚物的井筒流体可以对进入到低渗透性地层如页岩和粘土中的过滤损失提供控制。本发明人还进一步地惊奇地发现，包含天然聚合物和胶乳的共聚物的水性井筒流体可以提供在等于或高于400℉的温度范围内的过滤损失控制。
通常，所使用的滤失控制添加剂的类型取决于众多因素，包括要密封的地层类型，井的计划深度和预计遭遇的井下温度。例如，用于滤失控制或粒子悬浮目的的包含天然聚合物如树胶、淀粉和纤维素衍生物的井筒流体、隔离液和冲洗液在高温可能变得不太稳定。此外，含有在高温变得不太稳定的天然聚合物(一些可能在低至225℉的温度降解)的井筒流体可能不适于长期性能应用或HPHT井，在所述HPHT井中，井下温度通常在这些天然聚合物稳定的温度的温度范围的较高端。对处于此范围的较高端的温度的持续暴露可能导致井筒流体的天然聚合物组分降解。此降解又可以导致井筒滤失的控制损失或往地层中的过滤损失。同样地，包含在较高温度是热不稳定的天然聚合物的井筒流体可能不适于长期性能应用或HPHT井。相反，对于高于225℉的温度，合成聚合物如丙烯酰胺基，AMPS基和丙烯酸酯基聚合物可以代替地用于在等于或高于400℉提供比天然聚合物更大的热稳定性。
此外，尽管包含天然(或丙烯酰胺基合成)聚合物的井筒流体在防止往高渗透地层中的井筒滤失方面相当有效，在高渗透地层中，可以在可渗透介质上积聚滤饼，但是这样的井筒流体在防止往低渗透性地层如页岩和粘土中的滤失方面可能没有那么有效，在低渗透性地层如页岩和粘土中，归因于地层的相对不可渗透性，不能积聚这种滤饼。因而使用天然聚合物的井筒流体仍可以渗透并进入到低渗透地层的孔隙中。当流体侵袭页岩时，孔隙压力增大并且相应的在地层和井筒流体柱之间的压力差的减小于是可能导致地层支撑的损失和地层的一部分最后结果是坍塌到井筒中。同样地，含有天然聚合物的井筒流体可能不适于密封低渗透地层例如粘土和页岩。
对于低渗透性地层而言，合成聚合物如胶乳可以作为密封剂使用。聚合物胶乳密封是半渗透性的，因而密封地层典型与结合/沉淀剂如金属配合物结合，从而引起胶乳沉淀在井筒壁上，这因而可以减小往页岩地层中的泥浆压力渗透的速率。作为密封剂的胶乳的这种用途的实例可以在美国专利6,258,757，6,715,568，6,703,351和7,271,131中找到。然而，这种胶乳聚合物通常具有甚至低于天然聚合物的热稳定性(典型地，＜250℉)。另外，与共沉淀剂的结合典型使得这些胶乳聚合物在更具渗透性的地层中不足以单独起到滤失控制添加剂的作用。
已经发现包含天然聚合物和胶乳的共聚物的井筒流体具有天然聚合物或胶乳不具有的独特性质。特别惊奇地考虑的是，在性质上的这种改进不能使用包含天然聚合物和胶乳的共混物的井筒流体获得。本发明人已经发现，包含天然聚合物和胶乳聚合物的共聚物的井筒流体被发现有效地防止井下井筒滤失和滤液损失。此外，本发明人已经惊奇地发现，本公开的井筒流体和钻井方法可以允许控制往高渗透地层和低渗透地层如粘土和页岩中的井筒滤失和滤液损失。再进一步地，本公开的井筒流体和钻井方法可以在高于400℉的温度内提供对于井筒滤失和滤液损失的控制。天然聚合物和胶乳的共混物在此范围的高端将不稳定，因为天然聚合物组分和/或胶乳组分将降解，从而引起滤饼的早期降解。
天然聚合物和胶乳在化学结构和物理性质方面是非常不同的聚合物。本公开的井筒流体包含天然聚合物和胶乳的共聚物，所述共聚物包含至少一种天然聚合物单体和至少一种胶乳单体。所述至少一种天然聚合物和至少一种胶乳的共聚物据认为在较宽的温度范围内对井筒流体提供提高的温度稳定性。
天然聚合物单体
如本文中使用的，“天然聚合物”是指通过由活的有机体产生的任何聚合物。天然聚合物的实例包括多糖，木质素，褐煤材料和丹宁酸类。本领域技术人员应当知晓在本文中公开的方法和水性井筒流体中有用的天然聚合物的范围。
木质素和褐煤材料
木质素是涉及纤维素的复杂、天然、无定形聚合物，其提供刚性并且与纤维素一起形成植物的木质细胞壁以及它们之间的粘结材料。木质素主要由4-羟基苯基丙烷(4-hydroxyphenylpropanoids)的氧化耦合形成。木质素聚合物的小片段的结构的实例表示如下：
因此木质素是苯基丙烷单元的复杂(complex)聚合物，其彼此交联。此复杂性因此证明对微生物降解非常具有抵抗性。一些真菌已经发展了用于破坏木质素的必需的酶。该最初分解反应由细胞外木质素和主要由白腐菌产生的锰过氧化物酶介导。土壤细菌如放线菌(Actinomycetes)也可以分解木质素，但是典型降解存在的总木质素的小于20％。木质素降解趋于主要是需氧过程，并且在绝氧环境中，例如在井筒中，木质素可以持续非常长的时期。此外，本领域技术人员应当知晓这种木质素材料还可以包括木质素磺酸盐，其是改性木质素。
单宁酸类
单宁酸类是天然产生的植物多酚。单宁酸类通常在水果例如葡萄、柿子和蓝莓中，在茶中，在巧克力中，在豆类树例如阿拉伯树(Acacia)和田菁(Sesbania)中，并且在草和谷物例如高粱和玉米中。单宁酸类可以是可水解的或缩合的。可水解单宁酸类包括多元醇碳水化合物例如被酚基部分或完全酯化的D-葡萄糖例如五倍子酸(在五棓子鞣质中)或鞣花酸(在鞣花鞣质中)。可水解单宁酸类被弱酸或弱碱水解以产生碳水化合物和酚酸。可水解单宁酸类的结构由表示如下。
Figure BPA00001287675400071
缩合单宁酸，也称为原花色素，是由碳-碳键接合的2至50(或以上)个黄烷(flavanoid)单元的聚合物，其不容易水解。尽管可水解单宁酸类和大多数的缩合单宁酸类是水溶性的，但是一些非常大的缩合单宁酸类是不溶性的。此外，本领域技术人员应当知晓，单宁酸类的使用还可以包括改性单宁酸类。
多糖
多糖是通过糖苷键接合在一起的单糖的聚合物。它们倾向于是自然界中发现的大的、通常是支链的大分子。天然聚合物的单体单元趋于是6-碳单糖，并且因此天然聚合物由下列通式表示：(C6H10O5)n，其中n通常为介于40至3000之间的数字。在本公开的实施方案中用作单体的多糖的实例包括淀粉，糖原，纤维素，刺槐豆胶，黄原胶，文莱胶，硬葡聚糖胶，和瓜耳胶，以及它们的混合物和衍生物。然而，不意在限制可以用作单体的多糖的类型。
淀粉是在绿色植物细胞和一些微生物中发现的天然产生的天然聚合物。淀粉或纤维素可以来自任何植物来源，例如谷类，水果，根部或块茎。淀粉的一些实例包括马铃薯淀粉，玉米淀粉，木薯淀粉，小麦淀粉和稻米淀粉。与其它天然产生的天然聚合物类似，淀粉仅由糖苷单元组成。在淀粉中发现的糖苷单元是直链淀粉和支链淀粉，这两者都仅由α-D-葡萄糖单元组成。
直链淀粉是基本上直链的，很少支链的聚合物，其主要来自1-4连接的葡萄糖单元，分子质量在105至106g/mol范围内。直链淀粉的结构由以下表示：
Figure BPA00001287675400081
支链淀粉是具有介于107至109g/mol之间的分子质量的高度支化分子。支链淀粉也含有1-4连接的葡萄糖单元，但是另外地，每隔20-30个葡萄糖单元出现1-6糖苷支化点。支链淀粉的结构由以下表示：
Figure BPA00001287675400082
在淀粉中发现的直链淀粉与支链淀粉的比率典型为20∶80或30∶70。还可以使用具有增加的直链淀粉或增加的支链淀粉含量的淀粉。
多糖归因于在单糖单元上存在-OH基而是亲水性的。天然聚合物与水的反应程度取决于所使用的特定天然聚合物的内部氢结合的程度和空间挠性。许多多糖例如淀粉与水相互作用。与水的此相互作用可以引起天然聚合物溶胀。在水基井筒流体中使用多糖的情况下，必须采取措施控制多糖的溶胀。
在本文的实施方案中有用的天然聚合物单体单元还可以是衍生的。“衍生的天然聚合物”是指已经被化学改性的天然聚合物。这样的衍生的天然聚合物可以包括羟烷基淀粉和树胶类，淀粉和树胶酯，交联淀粉和树胶类，次氯酸盐氧化淀粉和树胶类，淀粉和树胶磷酸单酯，阳离子淀粉和树胶类，淀粉和树胶黄酸酯，和二醛淀粉和树胶类。这些衍生的天然聚合物可以使用本领域中已知的任何方法制备。衍生的淀粉的实例包括羟甲基淀粉，羟乙基淀粉，羟丙基淀粉，羟丁基淀粉，羧甲基羟乙基淀粉，羧甲基羟丙基淀粉，羧甲基羟丁基淀粉，聚丙烯酰胺淀粉，和其它淀粉共聚物。
胶乳单体
如本文中所使用的，“胶乳单体”可以指任何合成或天然橡胶。多种熟知的胶乳材料可以用作本公开的共聚物的实施方案中的胶乳单体单元。例如，可以使用天然橡胶(顺式-1，4-聚异戊二烯)及其大多数的改性类型。还可以使用各种类型的合成聚合物，包括下列各项的聚合物或共聚物：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，四氟乙烯和其它单烯烃不饱和单体。可以在本公开的实施方案中使用的乳胶单体的一些实例包括：苯乙烯/丁二烯，顺式-1，4-聚丁二烯及其共聚物，高苯乙烯树脂，丁烯、乙烯/丙烯，氯丁橡胶，腈，顺式-1，4-聚异戊二烯，聚硅氧烷氯磺化聚乙烯(silicone chlorosulfonated polyethylene)，表氯醇，碳氟化合物，氟硅氧烷，聚氨酯，聚丙烯酸和聚硫醚(polysulfide)。
胶乳在属性上是疏水性的，并且趋于在水性溶液中形成不连续的粒子以最小化与水的相互作用。可以加入表面活性剂来改性胶乳与水的相互作用。
已经发现本公开的天然聚合物/胶乳共聚物具有天然聚合物和胶乳组分这两者的性质。例如，天然聚合物/胶乳共聚物同时具有亲水和疏水嵌段。同样地，可以认为这些共聚物在属性上是两亲性的，因而可以表现出比胶乳更大的与水基井筒流体的相容性。而且，由于胶乳组分，天然聚合物/胶乳共聚物可以表现出比它们的天然聚合物组分的可比较聚合物更小的溶胀。此外，这些共聚物已经显示了在高于它们的天然聚合物组分的可比较聚合物的温度的热稳定性。本公开的包含天然聚合物/胶乳共聚物的井筒流体可以表现出优于包含它们的天然聚合物组分的可比较聚合物或它们的胶乳组分的可比较聚合物的可比较井筒流体的优点。
天然聚合物和胶乳的共聚物还可以是现有技术中已知的任何类型，例如嵌段共聚物，无规共聚物，交替共聚物和接枝共聚物，并且可以通过现有技术中已知的任何方法制备。例如，苯乙烯和1，3-丁二烯的淀粉接枝共聚物可以根据在美国专利5,003,022中公开的那些方法制备，所述美国专利通过引用将其全部内容结合在此。
在本公开的实施方案中有用的天然聚合物/胶乳共聚物的实例是淀粉接枝苯乙烯/1，3-丁二烯共聚物，其可以以Pencote
Figure BPA00001287675400101
TM(Penford Products Company，Cedar Rapids，爱荷华州)商购。Pencote
Figure BPA00001287675400102
TM从苯乙烯和1，3-丁二烯与稍微稀化的氧化羟乙基纤维素的反应产物制备，所述稍微稀化的氧化羟乙基纤维素的固体浓度为21重量％并且特征在于特性粘度约为0.23dl/g。在本文中的实施方案中有用的另一种淀粉接枝共聚物可以以PenflexTM(Penford Products Company，Cedar Rapids，爱荷华州)商购。在本文中的实施方案中有用的再另一种淀粉接枝共聚物可以以Pensize
Figure BPA00001287675400103
TM(Penford Products Company，Cedar Rapids，爱荷华州)商购。Pensize
Figure BPA00001287675400104
TM是从特征在于特性粘度为约0.077dl/g的高度稀化的氧化羟乙基淀粉制备的苯乙烯/1，3-丁二烯淀粉接枝共聚物。在本文的实施方案中有用的再另一种淀粉接枝共聚物是PenCP
Figure BPA00001287675400105
318(Penford Products Company，Cedar Rapids，爱荷华州)。本领域技术人员将意识到可以将任何的天然聚合物/胶乳共聚物用于本文中的实施方案中。
对于本公开的天然聚合物/胶乳共聚物而言，合适的天然聚合物与胶乳的比率可以在约98重量％天然聚合物比2重量％胶乳单体至约25重量％天然聚合物比75重量％胶乳单体的范围内。在一个具体的实施方案中，天然聚合物与胶乳的比率可以在70重量％天然聚合物比30重量％胶乳单体至约40重量％天然聚合物比60重量％胶乳单体的范围内。然而，本领域技术人员将意识到还可以使用其它范围。
在胶乳单体本身是共聚物的实施方案中，例如，在苯乙烯/丁二烯是胶乳单体的情况下，苯乙烯/丁二烯共聚物中合适的单体比率可以在约70重量份的苯乙烯比30重量份的丁二烯至约30重量份的苯乙烯比70重量份的丁二烯的范围内。例如，PenflexTM的特征在于42重量份胶乳比58重量份淀粉的胶乳与淀粉的比率，并且胶乳具有42重量份丁二烯比58份苯乙烯的丁二烯与苯乙烯的比率。在一个具体的实施方案中，归因于更低的丁二烯成本，苯乙烯/丁二烯共聚物通常可以包含较高的丁二烯与苯乙烯的比率。
在其中将天然聚合物/乳胶共聚物加入到井筒流体中以减少井下井筒滤失和滤液损失的应用中，井筒流体可以以广泛的配方制备。具体配方可以取决于在具体时间的钻井阶段，例如取决于地层的深度和/或组成。天然聚合物/胶乳共聚物在井筒流体中的量可以取决于所需应用而变化。在一个实施方案中，天然聚合物/胶乳共聚物可以在井筒流体的总重量的约0.1重量％至约20.0重量％的范围内。在另一个实施方案中，天然聚合物/胶乳共聚物可以在井筒流体的总重量的约0.2重量％至10.0重量％的范围内，并且在又一个实施方案中，在约0.3重量％至5.0重量％的范围内。
本公开的井筒流体可以具有水性流体作为基液。水性流体可以包括以下各项中的至少一项：淡水、海水、盐水、水和水溶性有机化合物的混合物，以及上述各项的混合物。例如，可以用所需的盐在淡水中的混合物配制水性流体。例如，这样的盐可以包括但不限于碱金属氯化物、氢氧化物或羧酸盐。在本发明中公开的钻井液的各种实施方案中，所述盐水可以包括：海水、盐浓度低于海水的盐浓度的水溶液、或盐浓度高于海水的盐浓度的水溶液。可以在海水中发现的盐包括但不限于：氯化物、溴化物、碳酸盐、碘化物、氯酸盐、溴酸盐、甲酸盐、硝酸盐、氧化物、硫酸盐、硅酸盐，磷酸盐和氟化物的钠、钙、铝、镁、钾、锶和锂盐。可以被结合在盐水中的盐包括，存在于天然海水中的那些盐或任何其它的有机或无机溶解盐中的任何一种或多种。另外，可以用于本发明中公开的钻井液中的盐水可以是天然的或合成的，其中合成盐水在组成上趋于简单得多。在一个实施方案中，钻井液的密度可以通过增加盐水中的盐浓度(至多饱和)来控制。在一个具体的实施方案中，盐水可以包括一价或二价金属阳离子如铯，钾，钙，锌和/或钠的卤化物或羧酸盐。
例如，溶液可以包含卤化锌，例如溴化锌或氯化锌或它们两者，和/或卤化钙，例如溴化钙或氯化钙或它们两者。备选地，可以使用甲酸盐基或乙酸盐基盐水。盐水溶液基于溶液的总重量可以包含常规量的盐，通常在约1％至约80％，并且优选约20％至约60％的范围内，但是技术人员应当意识到还可以使用在此范围之外的量。
此外，本发明的实施方案还可以使用“特种(specialty)”盐水，其包含过渡金属氧阴离子(oxy-anion)或多氧阴离子(polyoxy-anion)的至少一种碱金属盐，诸如，例如，碱金属多钨酸盐，碱金属杂多钨酸盐，碱金属多钼酸盐或碱金属杂多钼酸盐。具体地，这些特种盐水溶液(其典型在高温应用中使用)包含过渡金属盐的水溶液，其中所述水溶液包含具有式[An+BmOk]X-的阴离子部分，其中(A)选自第IV族元素，第V族元素，过渡金属元素，和稀土元素；(B)是原子量介于50至201之间并且包括50和201的一种或多种过渡金属元素，O是氧，m是介于6至18之间并且包括6和18的整数，k是介于24至62之间并且包括24和62的整数，并且x是小的整数，典型地取决于A，B，m，和k的选择而介于1至10之间，并且其中阳离子可以是锂，钠，钾，铯或它们的混合物，或具有由游离酸阴离子部分提供的少量氢阳离子，并且特别地，其中所述盐是溶液的主要组分而非仅是加入其中的添加剂。在本发明的具体实施方案中，可以使用杂多钨酸盐的钠，钾和铯盐以及这些盐与杂多钨酸的共混物。这样的盐水的具体实例可以在PCT国际公布WO2007/005499中找到，该国际公布WO2007/005499转让给本受让人并且通过引用将其全部内容结合在此。
可以对上述井筒流体进行改变，以提供处于在深井中遭遇的高温和高压下的改进的井筒流体。此外，本领域技术人员应当理解，除天然聚合物/胶乳共聚物以外，在本文中公开的井筒流体中可以包含其它添加剂，例如，加重剂，增粘剂，润湿剂，腐蚀抑制剂，氧清除剂，抗氧化剂和自由基清除剂，杀生物剂，表面活性剂，分散剂，界面张力降低剂，pH缓冲剂，互溶剂和冲淡剂。
根据本发明的井筒流体可以以与其中使用常规井筒流体在地下地层中钻井的方法类似的方式用于在地下地层中钻井的方法。在钻井的过程中，井筒流体循环通过钻杆，通过钻头，并且在管和地层或钢套管之间的环形空间向上到达地面。井筒流体起到若干种不同功能，例如，冷却钻头，将钻制的切屑从井眼的底部移除，当循环中断时悬浮切屑和加重材料。另外，本公开的井筒流体可以提供过滤控制，以防止井筒流体往地层中的过量损失。如本文中使用的术语“过滤控制”，是指通过使用本公开的井筒流体而获得的往地层中的滤失的任何减小。因而，在一些实施方案中，具有本公开的共聚物的井筒可以提供在高于约300℉的温度的过滤控制。在备选的实施方案中，可以在高于约350℉或400℉的温度获得过滤控制。
天然聚合物/胶乳共聚物可以在要使用其的井场场所加入到基液中，或这可以在除井场以外的另一个场所进行。如果选择井场场所进行此步骤，则可以将天然聚合物/胶乳共聚物立即分散在水性流体中，并且可以将得到的井筒流体使用现有技术中已知的技术立即放置在井中。
含有天然聚合物/胶乳共聚物的本公开的井筒流体可以使用现有技术中已知的常规技术放置到井筒中。天然聚合物/胶乳共聚物可以加入到钻井液，完井液或修井液中。在一些实施方案中，如果需要密封井筒的特殊层段，除例如在小段塞中的其它层段以外，可以将天然聚合物/胶乳共聚物的溶液注射至这样的层段。本文中所述的井筒流体可以与任何钻井或完井作业结合使用。
具体地，本公开的天然聚合物/胶乳共聚物可以注射到工作管柱中，流动到井筒底部，然后流出工作管柱并且进入到工作管柱和套管或井筒之间的环状空间中。这一组(batch)处理典型称为“小段塞”。通过在小段塞以后注射其它井筒流体如完井液，可以将小段塞推动到直接在地层的被怀疑滤失的那部分上方的位置。然后停止将流体注入到井筒中，并且滤失然后将朝向滤失部位移动小段塞。将小段塞以通常称为将小段塞“定点置放(spotting)”的方式定位。这种小段塞的注射通常通过弯曲管道或通过称为“强行压井(bullheading)”的方法进行。
通过将本公开的井筒流体引入到井眼中，可以形成滤饼，所述滤饼在井眼壁上提供有效密封层，从而防止流体通过钻制的井眼侵入到地层中。由本文中公开的井筒流体形成的滤饼包含天然聚合物和胶乳聚合物的共聚物并且可以具有意想不到的性质。这样的性质可以包括：增大的压力堵塞，堵塞的可靠性，以及增大的可以被堵塞的地层孔隙尺寸范围。这些滤饼可以提供在等于大于400℉的范围内的全部温度的过滤控制。
在地层是低渗透性地层如页岩或粘土的情况下，使用本公开的井筒流体和方法形成的滤饼通过有效地堵塞了低渗透地层的至少一些孔隙而防止了井筒滤失和滤液损失。这可以允许通过保持井筒流体柱和井筒孔隙之间的足够压力差来支持地层。此外，由本公开的井筒流体形成的滤饼可以有效地密封地层。这些滤饼在高温是稳定的，并且还可以有效地密封低渗透性地层。
在将井投入开采之前，可以移除生产区域中的滤饼，例如通过使用现有技术中已知的多种技术进行。例如，根据本公开的滤饼可以使用包含酸性水溶液的破坏剂流体移除。可以使用的酸的实例包括强的无机酸，例如盐酸或硫酸，和有机酸，例如柠檬酸，乳酸，马来酸，乙酸和甲酸。破坏剂可以具有低于4的pH，或在另一个实施方案中具有低于3的pH。在其它的实施方案中，可以使用包含天然聚合物降解酶例如糖酶的破坏剂液体移除滤饼。这种酶的实例包括淀粉酶，支链淀粉酶和纤维素酶。在其它的实施方案中，可以使用包含氧化剂如次氯酸钠的冲洗液将滤饼移除。
实施例
如下表1中所示制备示例性井筒流体：
        表1：井筒流体制备
  组分   单位   实施例1
  淡水   ml   267.0
  氯化钠   g   60.0
  DUOVIS   g   1.0
  UNITROL   g   2.5
  EMI-1037   ml   10.0
  ULTRAHIBTM   ml   10.5
  ULTRACAPTM   g   2.0
  ULTRAFREETM   ml   7.5
  重晶石   g   133.0
  OCMA粘土   g   10.0
该流体使用多种添加剂，它们都商购自M-I LLC(德克萨斯州休斯顿)。DUOVIS(一种黄原胶产品)被用作以上配方中的增粘剂。UNITROL是在过滤中使用的改性多糖。EMI-1037是苯乙烯-丁二烯胶乳/玉米淀粉共聚物。ULTRAHIBTM添加剂是用作页岩抑制剂的液体聚胺。ULTRACAPTM添加剂是低分子量的干燥的丙烯酰胺共聚物，其设计用于提供切屑包封和粘土分散抑制。ULTRAFREETM抗增长添加剂是设计用于消除钻头成球和增强渗透速率(ROP)的。加入OCMA粘土，即，具有API/ISO规格的膨润土粘土以模拟钻制固体。
然后将井筒流体在150℉陈化16小时。使用Fann 35粘度计测量所得到的井筒流体的流变学。流变参数显示在下表2中。
        表2：井筒流体的流变学
  在70℉的流变学   单位   实施例1
  600rpm   80
  300rpm   57
  200rpm   44
  100rpm   31
  6rpm   8
  3rpm   6
  Gels 10”   lbs/100ft2   8
  Gels 10’   lbs/100ft2   12
  表观粘度   cP   40
  塑性粘度   cP   23
  屈服应力   lbs/100ft2   34
根据在API规格13B中概述的程序测量API和HTHP滤失。对于示例性井筒流体的滤失如下表3中所示。
       表3：井筒滤失
  滤失参数   单位   实施例1
  HTHP滤失温度   ℉   200
  HTHP滤失压力 psi 500
  HTHP滤失体积   ml   12
  pH   9.2
  API滤失体积   ml   1.9
实施例2
如下表4中所示制备示例性高温高压井筒流体。
表4：井筒流体制备
Figure BPA00001287675400161
该流体使用多种添加剂，它们都商购自M-I LLC(德克萨斯州休斯顿)。M-I GELTM SUPREME(一种未处理的膨润土粘土)用作以上配方中的增粘剂。EMI-927是用于控制高温流变学的合成三元共聚物。EMI-1037是苯乙烯-丁二烯胶乳/玉米淀粉共聚物。EMI-1745添加剂是用作粘性改性剂的木质素共混物。TANNATHINTM是设计用于提供第二过滤控制的天然褐煤。RESINEX是设计用于增强高温/高压过滤的褐煤树脂材料。EMI-1048是涉及用于将固体对流变学的影响最小化的合成聚合物。
然后将井筒流体在400℉陈化16小时。使用Fann 35粘度计测量所得到的井筒流体的流变学。流变参数显示在下表5中。
           表5：井筒流体的流变学
  在120℉的流变学   单位   实施例1
  600rpm   86
  300rpm   48
  200rpm   37
  100rpm   22
  6rpm   6
  3rpm   6
  Gels 10”   lbs/100ft2   9
  Gels 10’   lbs/100ft2   26
  表观粘度   cP   43
  塑性粘度   cP   38
  屈服应力   lbs/100ft2   10
根据在API规格13B中概述的程序测量API和HTHP滤失。对于示例性井筒流体的滤失显示在下表6中。
           表6：井筒滤失
  滤失参数   单位   实施例1
  HTHP滤失温度   ℉   350
  HTHP滤失压力 psi 500
  HTHP滤失体积   ml   15.6
  pH   7.8
  API滤失体积   ml   3.2
有利地，本公开的实施方案提供了包含天然聚合物/胶乳共聚物的井筒流体和用这种流体钻井的方法。使用含有天然聚合物/胶乳共聚物的井筒流体可以防止往地层中的井筒滤失。此外，除能够积聚滤饼以控制往可渗透地层中的过滤损失以外，该共聚物还可以有利地帮助在低渗透地层例如粘土和页岩上形成密封层，这典型不能使用常规滤失控制剂来获得。此外，当使用常规胶乳聚合物密封低渗透性地层时，通过在地层上形成沉淀膜来获得密封；然后，这样的沉淀膜对地层可以具有有害作用。通过使用本公开的流体和共聚物，可以在不引发沉淀的情况下获得这种密封效果。另外，在本公开的井筒流体内包含的共聚物有利地还可以是稳定的，并且防止至等于高于400℉的温度的井筒滤失，而使用常规滤失控制添加剂或胶乳添加剂可能在较低的温度就开始经历降解。
尽管本发明已经关于有限数量的实施方案进行了描述，但是受益于本公开的本领域技术人员应当认识到，可以设计不偏离本文中公开的发明范围的其它实施方案。因此，本发明的范围应当仅仅由后附权利要求限制。

Claims (22)

1.一种用于防止井下井筒滤失的水性基井筒流体，所述水性基井筒流体包含：
至少一种共聚物，所述共聚物由至少一种天然聚合物单体和至少一种胶乳单体形成；和
水性基液。
2.根据权利要求1所述的井筒流体，其中所述至少一种天然聚合物是下列各项中的至少一项：木质素，褐煤材料，单宁酸类，淀粉，糖原，纤维素，刺槐豆胶，黄原胶，文莱胶，硬葡聚糖胶，瓜耳胶，以及它们的混合物和衍生物。
3.根据权利要求2所述的井筒流体，其中所述至少一种天然聚合物是玉米淀粉，纤维素，马铃薯淀粉，木薯淀粉，小麦淀粉和稻米淀粉中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的井筒流体，其中所述胶乳是下列各项的聚合物或共聚物中的至少一种：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，四氟乙烯和其它单烯烃不饱和单体。
5.根据权利要求4所述的井筒流体，其中所述胶乳是下列各项中的至少一项：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，天然乳胶，聚异戊二烯，聚二甲基硅氧烷，聚乙酸乙烯酯共聚物，和它们的混合物。
6.根据权利要求1所述的井筒流体，其中所述共聚物提供在高于300℉的温度的过滤控制。
7.根据权利要求6所述的井筒流体，其中所述共聚物提供在高于350℉的温度的过滤控制。
8.根据权利要求7所述的井筒流体，其中所述共聚物提供在高于400℉的温度的过滤控制。
9.根据权利要求1所述的井筒流体，所述井筒流体还包含至少一种加重剂。
10.根据权利要求1所述的井筒流体，其中所述井筒流体以所述流体的0.1至20重量％范围内的量包含所述共聚物。
11.一种用于钻制井筒的方法，所述方法包括：
将水性基井筒流体引入到所述井筒中；和
在钻井的同时循环所述水性基井筒流体，
其中所述水性基井筒流体包含天然聚合物和胶乳的共聚物。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括允许所述共聚物在所述井筒的壁上形成至少一部分的滤饼。
13.根据权利要求11所述的方法，其中将所述共聚物以聚合物溶液或聚合物悬浮液形式加入到所述井筒流体中。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述天然聚合物是下列各项中的至少一项：木质素，褐煤材料，单宁酸类，淀粉，糖原，纤维素，刺槐豆胶，黄原胶，文莱胶，硬葡聚糖胶，瓜耳胶，以及它们的混合物和衍生物。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述天然聚合物是玉米淀粉，纤维素，马铃薯淀粉，木薯淀粉，小麦淀粉和稻米淀粉中的至少一种。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述胶乳是下列各项的聚合物或共聚物中的至少一种：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，四氟乙烯和其它单烯烃不饱和单体。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述胶乳是下列各项中的至少一种：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，天然乳胶，聚异戊二烯，聚二甲基硅氧烷，聚乙酸乙烯酯共聚物，和它们的混合物。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述共聚物提供在高于300℉的井下温度的有效过滤控制。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述共聚物提供在高于350℉的井下温度的有效过滤控制。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述共聚物提供在高于400℉的井下温度的有效过滤控制。
21.根据权利要求11所述的方法，还包括至少一种加重剂。
22.根据权利要求11所述的方法，其中所述井筒流体以不超过20重量％的量包含所述共聚物。
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