CN109072687B - 用于井下流体感测和与地面通信的pH敏感性化学品 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于通过下述方式来处理地下地层的方法和系统：通过具有一定pH的井下流体与pH敏感性材料的反应来检测所述井下流体的位移和位置；使包含所述材料的塞组件移动以接触井筒套管中的一个或多个收缩部。

Description

用于井下流体感测和与地面通信的pH敏感性化学品

背景技术

各种井下应用受益于或依赖于对井筒中特定材料(例如流体)的存在的检测。基于这种检测，地面操作员随后能够采取进一步的动作，例如引入新流体、停止注入流体等。井下检测技术通常需要专门的遥测技术例如电磁脉冲和光导纤维来与地面操作员进行通信。此外，操作员可采用示踪剂来检测特定的流体、体积和流量。因此，虽然准确的井下流体检测尤其是对于海上作业而言至关重要，但是诸如上述那些的现有技术增加了复杂性和设备需求。

附图说明

在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记在若干视图中描绘实质上类似的部件。具有不同字母后缀的相同数字表示实质上类似的部件的不同实例。附图通过举例而非限制的方式示出了本文件中讨论的各种实施方案。

图1示出根据各种实施方案的钻井组件。

图2示出根据各种实施方案的用于将组合物递送至地下地层的系统。

具体实施方式

以下是对所公开主题的某些实施方案的描述，其实例部分地通过附图示出。虽然结合所列举的权利要求描述了所公开的主题，但是应当理解，例示出的主题并不旨在将权利要求限制于所公开的主题。

定义

以范围格式表示的值应当以灵活的方式解释为不仅包括明确列举为范围限值的数值，而且还包括涵盖于该范围内的所有单个数值或子范围，就如同每个数值和子范围被明确列举一样。例如，“约0.1％至约5％”或“约0.1％至5％”的范围应解释为不仅包括约0.1％至约5％，还包括单个值(例如，1％、2％、3％和4％)和在所示范围内的子范围(例如，0.1％至0.5％、1.1％至2.2％、3.3％至4.4％)。除非另外指示，否则“约X至Y”的陈述具有与“约X至约Y”相同的含义。同样，除非另外指示，否则“约X、Y或约Z”的陈述具有与“约X、约Y或约Z”相同的含义。

在本文件中，除非上下文另有明确指示，否则术语“一个”、“一种”或“该/所述”用于包括一个或多于一个。除非另外指示，否则术语“或”用于表示非排他性的“或”。另外，本文采用的措辞或术语(未另外定义)仅用于描述的目的而非限制。任何章节标题的使用都是为了帮助阅读文件，而不应被解释为限制；与章节标题相关的信息可能出现在该特定章节内或章节外。此外，本文件中提及的所有出版物、专利和专利文件均通过引用整体并入本文，就如同通过引用单独并入一样。在本文件与通过引用并入的那些文件之间的用法不一致的情况下，并入的参考文献中的用法应被视为对本文件的用法的补充；对于不可调和的不一致，以本文件中的用法为准。

在本文描述的方法中，除了明确叙述时间或操作顺序之外，在不脱离本发明的原理的情况下可以以任何顺序执行这些步骤。此外，可以同时执行指定的步骤，除非明确的权利要求语言叙述这些步骤是分开执行的。例如，要求保护的进行X的步骤和要求保护的进行Y的步骤可以在单一操作中同时执行，并且所产生的过程将落入要求保护的过程的字面范围内。

如本文所用的术语“约”可以允许值或范围的一定程度的波动，例如，在规定的值或规定的范围限值的10％内、5％内或1％内。

如本文所用的术语“基本上”是指大多数或主要地，就像至少约50％、60％、70％、80％、90％、95％、96％、97％、98％、99％、99.5％、99.9％、99.99％或至少约99.999％或更多百分比内。

如本文所用的术语“井下”是指在地表面以下，例如井筒内或流体连接到井筒的位置。

除非另外指示，否则本文所用的术语“流体”是指液体和凝胶。

如本文所用，术语“地下材料”或“地下地层”是指地表面下(包括在海底表面下)的任何材料。例如，地下材料可以是井筒的任何区段和与井筒流体接触的地下地层的任何区段，包括放置在井筒中的任何材料，例如水泥、钻杆、衬管(liner)、管道或筛。在一些实例中，地下材料是可以产生液态或气态石油材料、水的任何地下区域，或与其流体接触的任何地下区段。

如本文所用，术语“钻井液”是指在井下钻井操作(例如井筒的形成)中使用的流体、浆料或泥浆。

如本文所用，术语“增产流体”是指在可增加井产量的井增产活动(包括穿孔活动)期间在井下使用的流体或浆料。在一些实例中，增产流体可包括压裂流体或酸化流体。

如本文所用，术语“清理流体”是指在井的清理活动(例如去除阻碍所需材料从地下地层流动的材料的任何处理)期间在井下使用的流体或浆料。在一个实例中，清理流体可以是酸化处理以去除由一次或多次穿孔处理形成的材料。在另一个实例中，清洁流体可用于去除滤饼。

如本文所用，术语“压裂流体”是指在压裂操作期间在井下使用的流体或浆料。

如本文所用，术语“解卡流体”是指在解卡操作期间在井下使用的流体或浆料，并且可为被设计成用于井下区域的局部处理的任何流体。在一个实例中，解卡流体可包括用于处理井筒的特定区段的堵漏材料，例如以封堵井筒中的裂缝并防止下垂。在另一个实例中，解卡流体可包括控水材料。在一些实例中，解卡流体可被设计来释放卡住的钻井或提取设备；可利用钻井润滑剂来减小扭矩和阻力；防止压差卡钻；促进井筒稳定性；并且可以帮助控制泥浆密度。

如本文所用，术语“生产流体”是指在井的生产阶段期间在井下使用的流体或浆料。生产流体可包括被设计来维持或提高井的产量的井下处理，例如穿孔处理、清理处理或补救处理。

如本文所用，术语“完井液”是指在井的完井阶段期间在井下使用的流体或浆料，包括固井组合物。

如本文所用，术语“补救性处理流体”是指用于井的补救处理的在井下使用的流体或浆料。补救处理可包括被设计来增加或维持井的产量的处理，例如增产或清理处理。

如本文所用，术语“废弃流体”是指在井的废弃阶段期间或之前在井下使用的流体或浆料。

如本文所用，术语“酸化流体”或“酸性处理流体”是指在井下酸化处理期间在井下使用的流体或浆料。酸性处理流体可在其中可以使用流体的任何地下操作期间或准备过程中使用。合适的地下操作可包括但不限于酸化处理(例如，基质酸化或压裂酸化)、井筒清洗处理以及本发明的处理流体在其中可能有用的其他操作。在基质酸化程序中，例如，在压力下经由地下地层中的井筒来将含水的酸性处理流体(例如，包含一种或多种符合式I和II的化合物、含水基础流体和废酸的处理物)引入地下地层中，使得酸性处理流体流入地层的孔隙空间并与其中的酸溶性材料反应(例如，溶解)。结果，所述地层部分的孔隙空间增大，并且地层的渗透性可能增加。因此，由于尤其是地层材料的溶解所引起的地层电导率的增加，来自地层的烃流因此可以增加。

在压裂酸化程序中，在地层中产生一条或多条裂缝，并且将酸性处理流体引入所述一条或多条裂缝中以蚀刻其中的流动通道。酸性处理流体也可用于清洗井筒以促进所需烃的流动。其他酸性处理流体可用于分流过程和井筒清洗过程。例如，酸性处理流体可用于将地下地层内存在的流体流(例如，地层流体和其他处理流体)分流到地层的其他部分，例如，通过用具有高粘度的流体以低剪切速率侵蚀地层的较高渗透性部分。

如本文所用，术语“固井流体”是指在井的固井操作期间使用的流体或浆料。例如，固井流体可包括含水混合物，所述含水混合物包括水泥和水泥窑灰中的至少一种。在另一个实例中，固井流体可包括处于至少部分未固化状态的可固化树脂材料，例如聚合物。

如本文所用，术语“流体控制材料”(例如，“控水材料”)是指固体或液体材料，所述材料借助于其在产生流体(例如，水)的流动路径中的增粘来改变、减小或阻止这些流体进入井筒的流量，使得疏水材料可以更容易地行进到地面并且使得亲水材料(包括水)不太容易行进到地面。例如，流体控制材料可用于处理井以使得产生的一部分流体(可包括水)减少并使所产生的烃的比例增加，方式是例如通过选择性地使材料形成产水地下地层与井筒之间的粘性塞，同时仍允许产烃地层保持产量。

在一些实施方案中，流体控制材料减缓(例如，减少、停止或分流)流体(例如，处理流体和水)通过由井穿透的地下地层的一部分的流动，使得流体进入地层的高渗透性部分的流动得以减缓。例如，在注入井中，可能需要封堵地下地层的高渗透性部分，否则该地下地层将接纳大部分注入的处理流体。通过封堵地下地层的高渗透性部分，注入的处理流体因此可以穿透地下地层的渗透性较低的部分。在其他实施方案中，流体控制材料通过至少封堵经处理的地下地层的一个或多个可渗透部分来帮助减缓来自井的不期望流体(例如水)的产生。

如本文所用，术语“填充流体”是指可以放置在井的环形区域中，在封隔器上方的管道和外套管之间的流体或浆料。在各种实例中，封隔器流体可以提供流体静压力，以降低整个密封元件上的压差；降低井筒和套管上的压差，防止塌缩；并保护金属和弹性体免受腐蚀。

方法

本发明的方法通常基于井下压力尖峰的产生来提供对地下地层的井下流体处理的准确且灵敏的遥感，所述井下压力尖峰在可以停止或开始作业或进一步的动作时向地面操作员发出警报。如上所述，所述方法不依赖于任何专门的遥测技术(例如EM或光导纤维)来与地面通信，从而降低了操作成本并且扩大了所述方法的应用。此外，所述方法易于与现有的浮动性设备或其他现有的井下阀门集成。因为所述方法利用了被检测流体的固有特性，所以不需要示踪剂。在一些实施方案中，例如在反向固井和其中井下流体检测为至关重要的其他操作中，所述方法由于其准确性而是理想的。

所述方法的一个实施方案包括使具有一定pH的流体移位穿过地下地层中的井筒。表述“具有一定pH”意指对于测定pH而言适于测量的水性或半水性流体。特定pH的选择并不关键，只要结合如本文更全面描述的pH敏感性材料来选择pH即可。因此，如本发明方法所预期的，不存在具有一定pH的流体并不一定意味着不存在任何水性或半水性流体，而是意味着不存在选择性地与pH敏感性材料反应的具有一定pH的流体。

井筒包括塞组件，塞组件又包括塞。该组件设置在套管内，使得其与套管的内壁处于可滑动连接。因此，例如，组件与套管内壁接触并保持固定。或者，与套管壁接触的组件能够沿着套管滑动。

塞组件包括pH敏感性材料，其选择性地与具有一定pH的流体反应。为了说明，具有一定pH的流体可以是碱性的，并且pH敏感性材料与碱性pH反应但不与酸性pH反应。因此，在该说明中，具有酸性pH并且绕过或通过塞组件的井下流体不会导致与pH敏感性材料的反应。相反，在本发明的方法中，具有一定pH的流体与pH敏感性材料反应，使得流体与材料的接触导致塞组件穿过套管的移动。以这种方式，塞组件在具有一定pH的流体的流动方向上横穿套管，其中所述塞组件保持充分靠近具有一定pH的流体的前缘。

井筒套管还包括至少一个固定的收缩部，所述固定收缩部附接至套管的内壁、与具有一定pH的流体的流动方向相反。也就是说，收缩部的相对位置被选择成使得该收缩部存在于具有一定pH的流体的前缘的前面，无论流体是在井下还是在井口移位。

在本发明的方法中，塞组件一旦移动，就在具有一定pH的流体的流动方向上横穿套管。塞组件接触收缩部，并且检测到这种接触，从而指示穿过套管的具有一定pH的流体的位移和位置。

在一个实施方案中，具有一定pH的流体向下游移位穿过套管。因此，塞组件也向下游移位。因此，例如，本发明方法的该实施方案可用于检测井下注入的流体。

在另一个实施方案中，具有一定pH的流体向下游移位穿过井筒套管的环空(annulus)。流体因而到达套管的底部，拐弯，然后向上移位穿过套管。因此，套管中的塞组件随后向上移位并与收缩部接触。为了说明，放置在套管底部的收缩部一旦到达套管环空的底部就允许准确检测流体。该实施方案在反向固井操作中特别有用，其中检测塞组件与收缩部之间的接触用信号通知地面操作员何时停止反向固井操作。

塞组件

根据当前操作的要求，塞组件可以具有多种配置。在一些实施方案中，塞组件被配置成用于这样的情况，其中具有一定pH的流体穿过套管向井下注入，或另选地，沿套管环空向下，然后向上穿过套管。在这些实施方案中，塞可包括至少一个内部通道，所述至少一个内部通道终止于塞的井下端部和井口端部。pH敏感性材料部分地设置在通道内，使得允许任何流体通过通道。pH敏感性材料可以具有各种配置。例如，所述材料基本上均匀地涂覆在通道的内表面上，从而形成同心通道。或者，所述材料是可渗透基质，例如蜂窝结构，从而允许流体通过多个通道。

在这些实施方案中，塞组件包括塞和套管内壁之间的可滑动连接。各种连接都是可能的，只要该连接在塞和套管壁之间产生密封即可。例如，在一些实施方案中，连接是一个或多个刚性或半刚性环形密封件。在其他实施方案中，连接是围绕塞的套筒。

当具有一定pH的流体向下移位穿过套管的环空时，塞组件和塞的其他实施方案是特别有用的。例如，塞是单个或一系列多个塞，其在具有一定pH的流体中是能漂浮的。在该实施方案中，塞通过pH敏感性材料在套管内在至少一个点处保持就位。因此，pH敏感性材料同时将塞锚固在套管中并允许流体在塞周围移位。当具有一定pH的流体接触pH敏感性材料时，所述材料失去其与套管的锚固，从而允许浮力塞随流体自由移动，直至塞与收缩部接触。

具有一定pH的流体和pH敏感性材料

如上总体所述，pH敏感性材料的选择取决于其与具有一定pH的流体的匹配，使得该对材料和流体产生反应。在一些实施方案中，例如，流体的pH为约3至约6，即它是酸性的。因此，pH敏感性材料是与含水酸反应的材料。

在其他实施方案中，流体的pH为约8至约13，即它是碱性的。强碱性流体的实例是水泥。因此，将pH敏感性材料选择为选择性地与碱性含水介质反应的材料。

pH敏感性材料与具有一定pH的流体之间的反应导致塞或塞组件在移位穿过套管时基本上在流体的前面移动。根据如上所述的塞组件的特定配置，根据一些实施方案，所述反应包括材料发生收缩、腐蚀、溶解、降解、软化和脆裂中的一种或多种。在其他实施方案中，材料发生硬化、溶胀和强化中的一种或多种。例如，根据一些实施方案，设置在塞中通道内的pH敏感性材料允许流体在没有反应的情况下通过，但是随后与具有一定pH的流体的接触促使与材料反应，使得材料溶胀并从而关闭通道以供进一步的流体移位，从而导致塞组件沿着套管被推动。

用于这些实施方案的示例性材料包括但不限于具有至少一个酸性基团(例如–COOH和–SO₃H，例如在聚丙烯酸中)的可逆性溶胀聚合物。这些材料与具有碱性pH的流体(例如水泥)的接触会促使材料溶胀。

在采用通过pH反应性材料而固定至套管壁的塞的各种实施方案中，材料与具有一定pH的流体的接触导致材料收缩、腐蚀、溶解、降解，软化和/或变脆。以这种方式，材料的锚固功能被破坏，从而使塞释放以沿着套管与流体一起行进。

在其他实施方案中，pH敏感性材料包括酸性材料与具有至少一个碱性基团的预溶胀聚合物的组合。例如，将酸性材料和预溶胀聚合物混合在非均相(heterogeneous)混合物中。或者，酸性材料在预溶胀聚合物上形成涂层。pH敏感性材料与碱性流体(例如水泥)的接触将酸性材料中和，然后在预溶胀聚合物暴露于碱性流体时促使预溶胀聚合物收缩。可用于此目的的示例性pH敏感性材料是包装在可渗透酸性材料中的壳聚糖。

在另一个实施方案中，pH敏感性材料是当暴露于具有高pH的流体(例如水泥)时降解的聚合物。本文中的示例性聚合物是双马来酰亚胺、缩合聚酰亚胺、三嗪及其共混物。聚合物降解形成溶解的树脂和松散的纤维。另一个实例是聚乳酸，当由水合氢离子和氢氧离子催化时，聚乳酸经由其酯基的裂解而发生水解。

pH敏感性材料和具有一定pH的流体之间的反应进一步取决于温度、浓度并且在某些情况下还取决于压力。本发明允许对组成、设计和材料的量进行调整以适应井筒条件的变化，从而优化pH敏感性材料和具有一定pH的流体的配对。

收缩部

套管中的收缩部的各种设计和配置适用于本发明的方法。在一些实施方案中，单个收缩部完全阻止塞或塞组件的通过。在其他实施方案中，收缩部或一系列收缩部使得塞很难通过。无论收缩部设计的具体选择如何，塞与收缩部之间的接触都会导致流体流动受阻，这很容易被地面操作员作为压力尖峰而检测到。

在各种实施方案中，收缩部是基本上环形的屏障，其固定至套管的内壁。因此，在塞或塞组件与套管的内壁处于可滑动连接的实施方案中，所述屏障用作硬止挡件。或者，环形屏障的内径被选择成等于或小于塞(例如浮力塞)的直径。在该实例中，塞很难穿过环形屏障；塞和/或屏障由能够轻微变形或压缩的材料构成。

在其他实施方案中，基本上环形的屏障包括一个或多个通道，其允许流体移位穿过通道。例如，屏障的内径显著小于塞的直径，使得屏障起到止挡件的作用。因此，浮力塞不能通过屏障，但其抵靠屏障的受遏制的移位足以阻碍流体流动，使得足以在流体中产生压力尖峰。

本发明的一些实施方案提供一系列的两个或更多个收缩部。因此，例如，塞穿过一系列基本上环形的屏障的位移将产生多个压力尖峰。在一些实施方案中，屏障的内径相等。在这种情况下，压力尖峰具有基本上相同的幅度。然而在其他实施方案中，内径彼此不同，并且可以从最小到最大排序、从最大到最小排序或随机排序。在这种情况下，观察到的压力尖峰振幅的模式与障碍物的直径逆相关。根据这些实施方案中任一个的一系列屏障是有用的，例如，用于增加操作终点的置信度：观察一系列压力尖峰比单个峰值更明确。

检测

本发明设想了在塞或塞组件与收缩部之间传送接触的任何装置。本领域中已知的各种传感和通信设备适用于此目的。通常，检测包括对电信号、磁信号、光信号、压力信号和气动信号中的一种或多种的主动和/或被动测量。

更具体地，根据一些实施方案，检测包括被动测量。在这种情况下，方便的方法是由地面操作员测量压力信号。因此，例如，压力信号是井筒压力的变化，所述变化符合井筒套管中塞组件与收缩部的接触。在这种情况下，变化是压力的增加。在塞移位穿过收缩部的实施方案中，可以观察到符合塞与收缩部断开接触的压力的突然降低。本发明设想了这些变化的所有组合。

具有一定pH的流体的井下检测不仅可用于监测流体前沿的位置，而且还用于用信号通知地面操作员采取进一步的动作。例如，在一些实施方案中，检测提示将一种或多种流体添加到具有一定pH的流体中。或者，操作员停止使具有一定pH的流体移位穿过井筒。例如，当操作员希望准确地检测固井完成时，即当已经放置仅规定量的水泥时，这在反向固井操作中是重要的。

系统

根据一个实施方案，本发明提供了一种系统，所述系统在地下地层中使用本文所述方法的实施方案或可通过在地下地层中使用本文所述方法的实施方案来产生，或者可执行本文所述的方法或通过执行本文所述的方法产生。

在一些实施方案中，所述系统包括设置在井筒中的钻柱，所述钻柱包括位于钻柱的井下端部的钻头。所述系统还可以包括钻柱与井筒之间的环空。此外，根据一个实施方案，所述系统包括泵，所述泵被配置成使流体循环穿过钻柱，穿过钻头，并且穿过环空返回到地面上方。在一些实施方案中，所述系统包括流体处理单元，所述流体处理单元被配置成处理离开环空的流体以产生清洁的钻井液，用于穿过井筒再循环。

在一些实施方案中，泵是高压泵。如本文所用，术语“高压泵”是指能够在约1000psi或更高的压力下将流体递送到地下地层(例如，井下)的泵。当希望将流体以地下地层的压裂梯度或高于地下地层的压裂梯度引入地下地层时，可以使用高压泵，但是它也可以用于不希望压裂的情况。在一些实施方案中，高压泵能够将颗粒物质(例如支撑剂颗粒)以流体方式输送到地下地层中。合适的高压泵对于本领域普通技术人员来说是已知的，并且可以包括浮动活塞泵和正排量泵。

在其他实施方案中，泵是低压泵。如本文所用，术语“低压泵”是指在约1000psi或更低压力下操作的泵。在一些实施方案中，低压泵可以流体联接到高压泵，高压泵流体联接到管。也就是说，在此类实施方案中，低压泵被配置成将流体输送到高压泵。在此类实施方案中，低压泵可以在组合物到达高压泵之前“升高”组合物的压力。

在一些实施方案中，本文所述的系统还包括混合罐，所述混合罐位于泵的上游并且其中配制有流体。在各种实施方案中，泵(例如，低压泵、高压泵或其组合)将组合物从混合罐或其他组合物来源输送到管。然而，在其他实施方案中，组合物在场外配制并运输到工地，在这种情况下，组合物经由泵直接从其运输容器(例如，卡车、有轨车、驳船等)或运输管道引入管中。在任一情况下，将组合物吸入泵中，升高至适当的压力，然后引入管中以递送至地下地层。

参考图1，根据一个或多个实施方案，流体直接或间接地影响与井筒钻井组件100相关联的一个或多个设备部件或零件。虽然图1大致描绘了陆上钻井组件，但本领域技术人员将易于了解本文中描述的原理同等适用于采用浮动或海上平台和钻探设备的水下钻井操作，而不脱离本公开的范围。

如图所示，钻井组件100可包括支撑井架104的钻井平台102，所述井架104具有用于升起和降低钻柱108的游动滑车(traveling block)106。钻柱108可包括但不限于钻杆和连续油管，如本领域的技术人员通常已知的。方钻杆110在钻柱108通过旋转台112降低时支撑钻柱108。钻头114被附接到钻柱108的远端并且通过井下马达和/或由钻柱108从井表面的旋转来驱动。当钻头114旋转时，所述钻头产生穿透各种地下地层118的井筒116。

泵120(例如，泥浆泵)使钻井流体122循环通过进料管124并且到达方钻杆110，方钻杆110通过钻柱108的内部并通过钻头114中的一个或多个孔将钻井流体122输送到井下。钻井液122随后经由钻柱108与井筒116的壁之间所限定的环空126循环回到地面。在地面上，再循环的或耗尽了的钻井流体122离开环空126并且可经由互连流线130输送到一个或多个流体处理单元128。在经过流体处理单元128之后，“清洁的”钻井流体122沉积到附近的保持坑132(例如，泥坑)上。尽管被示出为经由环空126布置在井筒116的出口处，但是本领域的技术人员将容易理解，在不脱离本公开的范围的情况下，流体处理单元128可被布置在钻井组件100中的任何其他位置处以便利于其正确功能。

流体可以经由混合漏斗134尤其是添加到钻井液122中，所述混合漏斗134可通信地耦合到保持坑132或以其他方式与保持坑132流体连通。混合漏斗134可包括但不限于混合器和本领域技术人员已知的相关混合设备。然而，在其他实施方案中，在钻井组件100中的任何其他位置处将流体尤其是添加到钻井液122中。在至少一个实施方案中，例如，存在超过一个的保持坑132，例如串联的多个保持坑132。此外，保持坑132可表示一个或多个流体储存设施和/或单元，组合物可在其中被储存、重新调整和/或调节直至添加到钻井液122中。

如上所述，流体可以直接或间接地影响钻井组件100的部件和设备。例如，流体可以直接或间接地影响一个或多个流体处理单元128，所述一个或多个流体处理单元可包括但不限于以下各项中的一个或多个：振动器(例如，页岩振动器)、离心机、水力旋流器、分离器(包括磁分离器和电分离器)、除泥器、除砂器、分离器、过滤器(例如，硅藻土过滤器)、换热器或任何流体回收设备。一个或多个流体处理单元128还可包括用于存储、监测、调节和/或重新调整组合物的一个或多个传感器、计量器具、泵、压缩机等等。

流体可以直接或间接地影响泵120，其旨在表示以下各项中的一个或多个：用于以流体方式向井下输送流体的任何管道、管路、卡车、管件和/或管具；用于驱动组合物运动的任何泵、压缩机或马达(例如位于顶侧或井下)；用于调节组合物的压力或流量的任何阀门或相关接头；以及任何传感器(例如，压力传感器、温度传感器、流量传感器等)、计量器具和/或其组合等等。流体还可以直接或间接地影响混合漏斗134和保持坑132以及它们的分类变化形式。

流体还可以直接或间接地影响与流体进行接触的各种井下设备和工具，例如但不限于钻柱108、任何浮体、钻铤(drill collar)、泥浆马达、与钻柱108相关联的井下马达和/或泵，以及与钻柱108相关联的任何随钻测量(MWD)/随钻测井(LWD)工具和相关的遥测设备，传感器或分布式传感器。流体还可直接或间接影响与井筒116相关联的任何井下换热器、阀门和对应致动装置、工具密封件、封隔器和其他井筒隔离装置或部件等等。

虽然本文没有明确说明，流体还可以直接或间接地影响：用于将组合物输送到钻井组件100的任何运输或递送设备，例如用于将组合物从一个位置以流体方式移动到另一个位置的任何运输容器、管道、管路、卡车、管件和/或管具；用于驱动组合物运动的任何泵、压缩机或马达；用于调节流体的压力或流量的任何阀门或相关接头；以及任何传感器(例如，压力传感器和温度传感器)、计量器具和/或它们的组合等等。

图2示出了根据一个或多个实施方案的可将本发明的流体递送到地下位置的系统的说明性示意图。应当注意的是，虽然图2总体上描绘了陆上系统或装置，类似的系统和装置也可在海底位置进行操作。本发明的实施方案可具有与图2中描绘的不同的比例。如图2中所示，系统或装置1可包括混合罐10，在所述混合罐中可配制流体的实施方案。流体可以通过管线12输送到井口14，在井口处组合物进入管16，管16从井口14延伸到地下地层18中。在从管16排出后，流体可随后渗透到地下地层18中。泵20可被配置成在将流体引入管16之前将流体的压力升高到所需程度。应当认识到，系统或装置1本质上仅仅是示例性的，并且可存在各种附加部件，为了清楚起见，这些附加部件不一定在图2中示出。在一些实例中，可存在的附加部件包括供应漏斗、阀门、冷凝器、适配器、接头、计量器具、传感器、压缩机、压力控制器、压力传感器、流量控制器、流量传感器、温度传感器等。

尽管未在图2中示出，在一些实施方案中，至少部分的流体可流回井口14并离开地下地层18。流回的流体中的各种组分的浓度可显著降低。在一些实施方案中，已经流回井口14的流体可以随后被回收，并且在一些实例中被重新配制，并再循环到地下地层18。

本发明的流体还可以直接或间接地影响在操作期间可与组合物进行接触的各种井下或地下设备和工具。此类设备和工具可包括井筒套管、井筒衬管、完井管柱、插入管柱、钻柱、连续油管、平直管线、钢丝、钻杆、钻铤、泥浆马达、井下马达和/或泵、地面安装马达和/或泵、定心器、涡流器(turbolizer)、刮泥器、浮体(例如，浮靴、浮箍、浮阀等)、测井工具以及相关遥测设备、致动器(例如，机电装置、液力学装置等)、滑动套筒、生产套筒、塞子、筛、过滤器、流量控制装置(例如，流入控制装置、自动流入控制装置、流出控制装置等)、联轴器(例如，电动液压湿连接件、干连接件、电感耦合器等)、控制线路(例如，电线、光纤线路、液压线路等)、监视线路、钻头和扩孔器、传感器或分布式传感器、井下换热器、阀门和对应的致动装置、工具密封件、封隔器(packer)、水泥塞、桥式塞以及其他井筒隔离装置或部件等等。这些部件中的任何一个均可包括在上面总体描述并在图2中描绘的系统和装置中。

附加实施方案

本发明设想了许多实施方案，包括上文和下文描述的那些实施方案。以下实施方案的编号不应被解释为指定重要性级别。

在实施方案1中，本发明提供了一种用于处理地下地层的方法，其包括：

a.使具有一定pH的流体移位穿过所述地下地层中的井筒，所述井筒具有套管，其中：

i.所述套管包括至少一个包括塞的塞组件，其中所述塞组件与所述套管的内壁处于可滑动连接，

其中所述塞组件在所述具有一定pH的流体不存在的情况下是固定的；并且

其中所述塞组件包括pH敏感性材料，所述pH敏感性材料选择性地与所述具有一定pH的流体反应，使得所述材料与所述流体的接触使所述塞组件移动通过所述套管；以及

ii.至少一个固定收缩部，所述至少一个固定收缩部附接至所述套管内壁、在所述塞组件的与所述具有一定pH的流体的流动方向相反的一侧上；

b.使所述塞组件在所述具有一定pH的流体的所述流动方向上移位穿过所述套管，由此所述塞组件保持充分靠近所述具有一定pH的流体的前缘；和

c.检测所述塞组件与至少一个收缩部的接触，从而指示所述具有一定pH的流体穿过所述套管的位移。

实施方案2涉及实施方案1，其中所述具有一定pH的流体和所述塞组件两者向下游移位穿过所述套管。

实施方案3涉及实施方案1，其中所述具有一定pH的流体向下游移位穿过所述井筒的环空，并且其中所述塞组件向上移位穿过所述套管。

实施方案4涉及实施方案1，其中所述流体具有约3至约6的pH或约8至约13的pH。

实施方案5涉及实施方案4，其中所述流体具有约8至约13的pH。

实施方案6涉及实施方案3，其中所述流体是水泥。

实施方案7涉及实施方案4，其中所述流体具有约3至约6的pH。

实施方案8涉及实施方案1、2、4、6和7中的任一项，其中所述塞是浮力塞，并且所述pH敏感性材料设置在所述塞与所述套管的所述内壁上的至少一个点之间。

实施方案9涉及实施方案8，其中所述浮力塞是泡沫球。

实施方案10涉及实施方案1至8中的任一项，其中所述收缩部是基本上环形的屏障，所述屏障的外侧固定至所述套管的所述内壁，并且其中所述基本上环形的屏障的内径等于或小于所述塞的直径。

实施方案11涉及实施方案10，其中所述屏障的内径小于所述塞的直径。

实施方案12涉及实施方案11，其中所述屏障与所述塞的接触不允许所述塞移位通过所述屏障。

实施方案13涉及实施方案10至12中的任一项，其中所述屏障包括一个或多个通道，其允许流体移位穿过所述通道。

实施方案14涉及实施方案1至11中的任一项，其中所述套管包括一系列的两个或更多个收缩部。

实施方案15涉及实施方案14，其中所述系列中的每个收缩部是基本上环形的屏障，所述屏障的所述外侧固定至所述套管的所述内壁，并且其中所述基本上环形的屏障的内径等于或小于所述塞的直径，并且其中每个屏障的内径被独立地选择成等于或小于所述塞的直径。

实施方案16涉及实施方案15，其中所述屏障的内径相等。

实施方案17涉及实施方案15，其中所述屏障的内径彼此不同。

实施方案18涉及实施方案17，其中所述屏障的内径从最低到最高连续减小。

实施方案19涉及实施方案17，其中所述屏障的内径从最低到最高连续增大。

实施方案20涉及实施方案1，其中所述塞包括至少一个内部通道，所述至少一个内部通道终止于所述塞的井下端部和井口端部，并且其中所述pH敏感性材料部分地设置在所述通道内，由此允许流体通过所述通道。

实施方案21涉及实施方案20，其中所述pH敏感性材料基本上均匀地涂覆在所述内部通道的所述壁上。

实施方案22涉及实施方案20或21，其中所述可滑动连接包括设置在所述塞与所述套管内壁之间并且与所述塞和所述套管内壁同时接触的一个或多个密封件。

实施方案23涉及实施方案20至22中的任一项，其中所述收缩部防止所述塞的进一步位移。

实施方案24涉及实施方案1至23中的任一项，其中当所述具有一定pH的流体接触所述pH敏感性材料时，所述pH敏感性材料发生收缩、腐蚀、溶解、降解、软化和脆裂中的一种或多种。

实施方案25涉及实施方案24，其中所述pH敏感性材料包括具有至少一个酸性基团的可逆性溶胀聚合物。

实施方案26涉及实施方案24，其中所述pH敏感性材料包括酸性材料与具有至少一个碱性基团的预溶胀聚合物的组合。

实施方案27涉及实施方案26，其中所述酸性材料作为所述预溶胀聚合物上的涂层存在。

实施方案28涉及实施方案20至23中的任一项，其中所述pH敏感性材料发生硬化、溶胀和强化中的一种或多种。

实施方案29涉及实施方案28，其中所述pH敏感性材料包括具有至少一个酸性基团的可逆性溶胀聚合物。

实施方案30涉及实施方案1至29中的任一项，其中所述检测包括对电信号、磁信号、光信号、压力信号和气动信号中的一种或多种的主动和/或被动测量。

实施方案31涉及实施方案30，其中所述检测包括被动测量。

实施方案32涉及实施方案31，其中所述信号是压力信号。

实施方案33涉及实施方案32，其中所述压力信号是井筒压力的变化，所述变化符合所述井筒套管中所述塞组件与所述收缩部的接触。

实施方案34涉及实施方案33，其中所述变化是压力的增加。

实施方案35涉及实施方案1至34中的任一项，其还包括：

d.在检测到所述塞组件与至少一个收缩部的接触之后，停止使所述具有一定pH的流体移位穿过所述井筒。

实施方案36涉及实施方案1至35中的任一项，其中通过泵使所述具有一定pH的流体移位。

实施方案37是一种系统，其包括：

i.至少一个包括塞的塞组件，其中所述塞组件与井筒套管的内壁处于可滑动连接，并且

其中所述塞组件包括选择性pH敏感性材料；以及

ii.至少一个固定收缩部，所述至少一个固定收缩部附接至所述套管的所述内壁。

Claims (33)

1.一种用于处理地下地层的方法，其包括：

a.使具有一定pH的流体移位穿过所述地下地层中的井筒，所述井筒具有套管，其中：

i.所述套管包括至少一个塞组件，所述塞组件包括塞和附接到所述塞的pH敏感性材料，其中所述塞组件与所述套管的内壁处于可滑动连接，

其中所述塞组件在所述具有一定pH的流体不存在的情况下是固定的；并且

其中，所述pH敏感性材料选择性地与所述具有一定pH的流体反应，使得所述pH敏感性材料与所述流体的接触使所述塞组件移动通过所述套管；以及

ii.至少一个固定收缩部，所述至少一个固定收缩部附接至所述套管的内壁、在所述塞组件的与所述具有一定pH的流体的流动方向相反的一侧上；

b.使所述塞组件在所述具有一定pH的流体的所述流动方向上移位穿过所述套管，由此所述塞组件保持充分靠近所述具有一定pH的流体的前缘；和

c.检测所述塞组件与至少一个收缩部的接触，从而指示所述具有一定pH的流体穿过所述套管的位移。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述具有一定pH的流体和所述塞组件两者向下游移位穿过所述套管。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述具有一定pH的流体向下游移位穿过所述井筒的环空，并且其中所述塞组件向上移位穿过所述套管。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述流体具有3至6的pH或8至13的pH。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述流体是水泥。

6.根据权利要求1、2、4和5中任一项所述的方法，其中所述塞是浮力塞，并且所述pH敏感性材料设置在所述塞与所述套管的所述内壁上的至少一个点之间。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述浮力塞是泡沫球。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述收缩部是基本上环形的屏障，所述屏障的外侧固定至所述套管的所述内壁，并且其中所述基本上环形的屏障的内径等于或小于所述塞的直径。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述屏障与所述塞的接触不允许所述塞移位通过所述屏障。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述屏障包括一个或多个通道，其允许流体移位穿过所述通道。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述套管包括一系列的两个或更多个收缩部。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述系列中的每个收缩部是基本上环形的屏障，所述屏障的外侧固定至所述套管的所述内壁，并且其中所述基本上环形的屏障的内径等于或小于所述塞的直径，并且其中每个屏障的内径被独立地选择成等于或小于所述塞的直径。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述屏障的内径相等。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述屏障的内径彼此不同。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述屏障的内径从最低到最高连续减小。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述屏障的内径从最低到最高连续增大。

17.根据权利要求1所述的方法，其中所述塞包括至少一个内部通道，所述至少一个内部通道终止于所述塞的井下端部和井口端部，并且其中所述pH敏感性材料部分地设置在所述内部通道内，由此允许流体通过所述内部通道。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述pH敏感性材料基本上均匀地涂覆在所述内部通道的壁上。

19.根据权利要求17或18所述的方法，其中所述可滑动连接包括设置在所述塞与所述套管的内壁之间并且与所述塞和所述套管的内壁同时接触的一个或多个密封件。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述收缩部防止所述塞的进一步位移。

21.根据权利要求1所述的方法，其中当所述具有一定pH的流体接触所述pH敏感性材料时，所述pH敏感性材料发生收缩、腐蚀、溶解、降解、软化和脆裂中的一种或多种。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述pH敏感性材料包括具有至少一个酸性基团的可逆性溶胀聚合物。

23.根据权利要求21所述的方法，其中所述pH敏感性材料包括酸性材料与具有至少一个碱性基团的预溶胀聚合物的组合。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述酸性材料作为所述预溶胀聚合物上的涂层存在。

25.根据权利要求17所述的方法，其中所述pH敏感性材料发生硬化、溶胀和强化中的一种或多种。

26.根据权利要求25所述的方法，其中所述pH敏感性材料包括具有至少一个酸性基团的可逆性溶胀聚合物。

27.根据权利要求1所述的方法，其中所述检测包括对电信号、磁信号、光信号、压力信号和气动信号中的一种或多种的主动和/或被动测量。

28.根据权利要求27所述的方法，其中所述检测包括被动测量。

29.根据权利要求28所述的方法，其中所述信号是压力信号。

30.根据权利要求29所述的方法，其中所述压力信号是井筒压力的变化，所述变化符合所述井筒套管中所述塞组件与所述收缩部的接触。

31.根据权利要求30所述的方法，其中所述变化是压力的增加。

32.根据权利要求1所述的方法，其还包括：

d.在检测到所述塞组件与至少一个收缩部的接触之后，停止使所述具有一定pH的流体移位穿过所述井筒。

33.根据权利要求1所述的方法，其中通过泵使所述具有一定pH的流体移位。

Images