CN1336951A - 导电的非水井眼流体 - Google Patents

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Abstract

一种含有非水连续液相的井眼流体,其电导率比传统转化乳液增大了104～107数量级,含有约0.2～10%体积百分数的碳黑颗粒和从下面选择的一种或多种乳化表面活性剂:亲水性－亲脂性平衡(HLB)小于约12的非离子乳化剂,以及阴离子表面活性剂,其中的反离子(阳离子)是碱金属、铵或氢离子中的任一种。这种井眼流体能用于钻井或完成钻井,并能用于从电子测井工具,边测量边钻井、边测井边钻井、地质导向等等,提供强化信息。

Description

导电的非水井眼流体
本发明涉及非水井眼流体，更具体地说涉及导电的井眼流体。本发明也涉及使用所述井眼流体用于钻或完成地下井，例如油和气井。
在旋转钻井的过程中，钻井流体或泥浆是循环的，沿旋转钻管下降，通过钻头，沿管与岩层或铸钢件间的环形空间上来，到达地面。钻井流体起到几个作用。它把钻下来的泥砂从井眼的底部带到地面，在循环中断时悬浮泥砂和较重的物质，控制地下的压力，通过提供足够的静水压力防止岩层流体进入井眼来隔离岩层流体，冷却和润滑钻井套管和钻头，增大钻入速度，等等。钻井的一个重要目标是在待钻入的岩层类型及岩层中流体和气体的类型中保证最多数量的岩层。通过分析钻下的泥砂、电子测井技术以及通过使用井下测井技术，包括电子测量，可以获得这些信息。
很多种由各种固体、液体和气体组成的流体能达到所需的功能，按照连续相的组成主要分成两组：含水(水基的)钻井流体和非水(矿物油或合成物基的)钻井流体，后者通常称为“油基流体”。
水基流体是最常用的钻井流体类型。水相由淡水制成，或者更常见的由盐水制成。至于非连续相，可以包括气体，与水不能混合的流体如柴油形成水包油的乳液，以及固体包括粘土和较重材料如重晶石。通过加入粘土矿物、聚合物和表面活性剂通常能控制它们的性质。
在钻水敏感区时，例如反应页岩、生产岩层或者井底温度条件恶劣或者腐蚀是主要问题，优选油基钻井流体。连续相是矿物或合成油并通常含有水或盐水作为非连续相，形成油包水的乳液或转化乳液。固体相基本与水基流体相似，这些流体也含有几种添加剂用于控制密度、流变性和流体损失。在一种或多种特殊选择的乳化剂作用下形成并稳定转化乳液。
尽管油基钻井流体比水基泥浆贵，但油基流体具有额外的工作优点和更高的技术性能，因此常用于钻井工作中。
因为油基泥浆的电导率非常低，油基泥浆技术上存在缺点的领域是在电子测井中。在钻井工作中，要进行各种测井和成像工作，例如当在油/气井贮藏区钻井以确定岩层和那里的材料类型时。这些信息用于定位最佳的生产区，即在贮藏处的什么位置打井能使碳氢化合物流入井眼中。
有些测井工具的工作是基于井眼中的流体(钻井流体)与岩层中存在流体的电阻率的对比，这些被称为电阻率测井工具。简单地说，通过两电极间岩层的电流改变。这样，在电流通道上的流体是岩层流体和通过过滤渗透过岩层的流体。滤饼和滤液是从泥浆在压差下通过可渗透介质(例如岩层石块)获得的。
流体导电性在钻井工作中起重要作用的另一个实例是定向钻井，其中钻井设备产生的信号必须通过导电介质传送到控制单元和/或泥浆遥测单元，再返回到钻井套管。
目前，电阻率测井工具的使用主要局限在使用水基钻井流体进行钻井工作的情况(在油/合成物基泥浆中油基非常低的电导率排除了在这样的流体中使用电阻率工具)。尽管分散在油相中的盐水是导电的，但液滴的非连续性阻止了电流的流动。实际上，这些乳液的不导电能力(直到施加非常高的电势差)可用作乳液稳定性的标准测试。达到这样的程度，应该记得住油基的导电性范围通常是：在1kHz的频率下10-6～5×10-2μS·m-1，而对于电子测井工作来说，希望电导率不低于10μS·m-1，优选的不低于103μS·m-1。因此需要把流体电导率的数量级增大104到107。
为了满足电子测井的目的，使油基钻井流体导电性增加的报导已有几个，但其中没有一个获得商业化。美国专利2542020，2552775，2573961，2696468和2739120，都授权给费歇尔(Fischer)，给出了脂肪酸盐稳定的油基流体，含有溶入了10％(重量百分数)水的碱土金属碱。费歇尔(Fischer)的权利要求中把电阻率降低到低于500Ω·m，相应地电导率增大到κ＞2000μS·m-1。但是，那些流体对污染非常敏感，并且大量的水导致的流体损失增大到不能接受的程度。实际上，这些流体依靠残余的或外加的水量以溶解盐/表面活性剂。并且，连续的油相没有显示出对电导率有任何增加，也没有说明在最佳条件下基本由连续油相组成的流体发生过滤。
25年后，美国专利4012329给出了加有钠石油磺酸盐的外部油微乳液，报导的电阻率小于1Ω·m(κ＞1S·m-1)。在这样的微乳液中，钠石油磺酸盐形成含有水和粘土的微团，因此粘土必须作为分散剂加入水中，而不能以干粉的形式加入。还需要强调的是，微乳液与标准的乳液有明显的不同：热力学稳定、尺寸小、高的表面积与体积比，并能形成过滤层和不同性质的流体滤液。获得所需的体积性质和无损岩石相互作用的结合比标准定向或转化乳液流体更难，钻油井时一般不选择这种流体。
尽管先前的工艺中含有使油基钻井流体导电的配方，但所描述的方法对其它泥浆性质有反作用，这也是另一个未获得成功商业化的原因。
因此，本发明的目的是提供具有高电导率的非水溶液井眼流体。
当以足量混入制品时，碳黑可赋予绝缘材料例如塑料或橡胶电导率是公知的。非常小的碳黑颗粒(＜＜1微米)形成的相互连接的网络可以导电也是公知的。因此，这种制品能，例如，避免静电积累或屏蔽电磁场干扰。
但是，当碳黑加入到传统转化乳液油基钻井流体或泥浆(下文记为OBM)，电导率不增加或增加非常小。
更具体地，还发现脂肪酸，例如高油脂肪酸的钙皂将与碳黑颗粒的网络相互作用，通过吸附在颗粒上降低颗粒与颗粒间的吸收力。相似地，发现具有一、二、三级胺基团或季铵基团的转化乳液或润湿剂能同样地吸附并破坏碳黑颗粒的导电网络。这种含胺制品的例子包括脂肪烷基酰胺基胺和脂肪烷基咪唑啉，脂肪烷基酰胺基胺与二或三元酸如马来酸的进一步的反应或交联。在申请人已知的所有转化乳液钻井流体中，这种脂肪酸钙皂和胺官能的制品是很常用的。
本发明发现，当把碳黑混入含有某些类型的乳化剂和油润湿剂的OBM中时，能在很低的碳黑浓度下得到高水平的电导率。
令人吃惊的是，发现尽管碳黑有非常大的表面积和吸附能力，某些类型的转化乳液和油润湿剂不能破坏导电的碳黑网络。
按照本发明，导电的转化乳液井眼流体含有约0.2～10％(体积百分数)的碳黑颗粒和一种或多种从下面组中选取的乳化表面活性剂：亲水性—亲脂性平衡(HLB)小于约12的非离子乳化剂和阴离子表面活性剂，阴离子表面活性剂中的反离子(阳离子)是碱金属、铵或氢离子中的任一种。
具有适于促进转化乳液的亲水性—亲脂性平衡(HLB)的所有非离子表面活性剂不破坏导电性。这包括基于碳原子数多于12个的高脂肪酸的二乙醇酰胺，例如油酸或高油脂肪酸(TOFA)，烷氧基化的高脂肪醇，烷氧基化的烷基酚和环氧乙烷/环氧丙烷嵌段聚合物。一般地，比较适合的HLB值小于10，但有时与其它乳化剂结合时，达到最大值12的较高HLB值是有用的。
其它适合的表面活性剂种类是具有足够亲脂性的阴离子表面活性剂，其中阴离子表面活性剂是碱金属皂、铵皂或者是自由酸。多价金属离子(例如钙)皂的阴离子表面活性剂不包括在内，因为它们通过多价阳离子的离子桥接吸附破坏碳黑颗粒的导电网络。最优选的阴离子表面活性剂是磺酸盐，例如链烷磺酸盐，α-烯烃磺酸盐，烷基芳基磺酸盐，聚烯烃磺酸盐和酰基牛磺酸盐，所有这些物质的特征是亲水性部分的碳数目最少约12个。
其它适合的阴离子乳化剂或润湿剂包括碱金属或铵盐，或者碳原子数为12个或更多的脂肪酸的自由酸，12个或更多的碳原子的乙氧基化醇的磷酸酯，14个或更多的碳原子的乙氧基化烷基酚的磷酸酯，以及烷基氨基亚甲基膦酸酯，其中烷基胺前体含有12个或更多的碳原子。
根据井眼流体的总重，优选的乳化剂的总加入量为0.5～10％。
本发明优选的碳黑与传统的碳黑比具有相当高的比表面积(最小500平方米/克)。非常适合的比表面积级别约为1500平方米/克，而传统的碳黑为100～300平方米/克。这使得碳黑颗粒有相当高的能力形成相互连接的颗粒网络，产生触变流变效应和导电性的明显增大。
本发明最重要的性质是流体的电导率增大了104～107数量级。这使得在井眼充满有机液体基井眼流体时，能成功应用很多电子测井技术和电子遥测信号的传输。因此本发明的另一目标是从电子测井工具，边测量边钻井(MWD)、边测井边钻井(LWD)、地质导向等等，提供强化信息的方法，其中使用本发明改进了电导率的井眼流体强化了效率。
本发明中的导电油基钻井流体与已有的油基(或合成有机液体基)钻井流体比具有性能优势。因此，本发明的流体把对钻进的岩石层的不利作用减小到最低程度，例如粘土层的膨胀和分散，井眼塌方，或不希望有的地下盐层的溶解。与已有的油基流体比，本发明流体还具有以下优势：增强了润滑性，减小了钻管的差分粘性和高温下的高稳定性。
按照本发明优选的实施例，井眼流体还含有能够沉淀或络合多价金属阳离子的物质，多价金属阳离子如钙离子、镁离子和铁离子，它们能污染井眼流体。这样可以阻止金属阳离子与乳化剂形成皂而吸附在碳黑颗粒的表面并破坏导电网络。
沉淀物质的例子是溶解的阴离子，例如磷酸根，碳酸根或硅酸根。适合的络合剂例子是柠檬酸、葡糖酸、葡庚糖酸、抗坏血酸、异抗坏血酸、亚硝基三乙酸、乙二胺四乙酸、二乙三胺五乙酸、1，1-羟亚乙基二膦酸、亚硝基三亚甲基膦酸的碱金属或铵的盐或者其自由酸，基于乙二胺或二乙三胺或高亚乙胺的氨亚甲基膦酸酯和缩聚磷酸盐如焦磷酸四钠。
连续的非水相可以从任何精炼的或合成的流体中选择，这些流体是已知适于用作井眼流体基础液体的，例如天然油，来自天然油的碳氢化合物精炼成分如柴油或矿物油，合成碳氢化合物如正链烷烃，α-烯烃，中间烯烃和聚α烯烃；合成流体如二烷基醚，链烷酸烷基酯，缩醛；和天然油如甘油三酸酯包括油菜籽油、葵花籽油和它们的混合物。低毒和高生物降解的油对于海上钻井一般是特别优选的。
非连续液相是水或盐水，其含量约占乳液的0.5～70％(体积百分数)。
为了提供井眼流体所需的其它性质，本发明井眼流体还包括任何公知的井眼流体添加剂，例如粘土，有机粘土，或者聚合粘化剂，渗透减速剂如褐煤衍生物或粉状硬沥青渗透减速剂，沥青，沥青岩或油膨胀的聚合物，加重剂如细小的重晶石或赤铁矿粉，润滑剂，或者任何其它本领域熟知人员公知的功能性添加剂。使用这些添加剂可以提供具有以下特性的钻井泥浆：
●是流体并在地面管道与钻井套管之间产生能承受的压降
●具有适于支撑/传输泥浆固体和钻井泥砂的屈服应力
●化学、热和机械作用下稳定
●提供井眼稳定性
●提供好的润滑性
●防止过量的流体损失到岩层中
下面通过实施例描述本发明。
实施例1
此实施例证明碳黑在增大非导电矿物油(Surdyne B140)电导率方面的作用。油的电导率低于1μS/m。
制备了一种分散有1.5％(重量百分数)碳黑的矿物油。碳黑颗粒形成不规则形状的团块，此团块是非常细小的碳黑颗粒聚集在一起形成的。
团块的尺寸为10～250nm，但较大的团块可以通过机械剪切减小尺寸。室温下油—碳黑分散体的电导率在500Hz下约20000μS/m。
实施例2
此实施例表示加入碳黑对使用传统高油脂肪酸皂作为乳化剂的油基泥浆的电导率的影响。
         表1 具有传统脂肪酸转化乳液的重泥浆配方：油/水比：80/20
    成分 350ml泥浆中的数量
    矿物油(Surdyne B 140)高油脂肪酸流体损失添加剂(TRUFLO100TM)石灰碳黑NaCl水重晶石       182.3g9.0g4.5g5.0g6.0g22.67g63.2g131.2g
完全泥浆配方的电导率降低到500Hz下的15μS/m。结果表明，高油脂肪酸乳化剂传统皂(在几乎所有传统油基泥浆配方中使用的)不能形成碳黑颗粒的导电网络。这是由于钙中和乳化剂对碳黑颗粒的强吸附，阻止了颗粒与颗粒之间形成网络的相互作用。
实施例3
此实施例表示碳黑对使用脂肪酸二乙醇酰胺(WITCAMIDE511，WITCOR的产品)作为乳化剂的油基泥浆的电导率的影响。
           表2 重的导电OBM的配方：油/水比：80/20
    成分   350ml泥浆中的数量
    矿物油(Surdyne B 140)非离子乳化剂α-烯烃磺酸盐乳化剂流体损失添加剂(TRUFLO100TM)碳黑NaCl水重晶石       182.3g8.0g1.0g4.5g6.0g21.43g59.75g131.1g
上述配方的电导率在完全泥浆配方中在500Hz下是10000μS/m。可以看出，此乳化剂类型能使碳黑导电网络(相应的，电导率)得到维持，同时具有好的乳液稳定性，即使是在重流体中也是如此，在重流体中重晶石对导电网络具有稀释作用，并一定程度上降低电导率。配方中α-烯烃磺酸盐的功能是改善重晶石的油润湿性。

Claims (11)

1.一种导电的转化乳液井眼流体，含有：
1)约0.2～10％体积百分数的碳黑颗粒；和
2)从下面选择的一种或多种乳化表面活性剂：亲水性—亲脂性平衡(HLB)小于约12的非离子乳化剂，以及阴离子表面活性剂，其中的反离子(阳离子)是碱金属、铵或氢离子中的任一种。
2.如权利要求1所述的井眼流体，其中碳黑颗粒的比表面积至少为500平方米/克，优选至少为1500平方米/克。
3.如上述权利要求任一项所述的井眼流体，其中非离子乳化剂从下面的组中选择：基于碳原子数多于12个的脂肪酸的二乙醇酰胺、烷氧基化的高脂肪醇、烷氧基化的烷基酚和环氧乙烷环氧丙烷嵌段聚合物。
4.如上述权利要求任一项所述的井眼流体，其中阴离子表面活性剂从下面的组中选择：链烷磺酸盐、α-烯烃磺酸盐、烷基芳基磺酸盐、聚烯烃磺酸盐和酰基牛磺酸盐，所有这些物质的特征是亲水性部分的碳数目至少约12个，反离子(阳离子)是碱金属、铵或氢离子中的任一种。
5.如权利要求1-4任一项所述的井眼流体，其中阴离子表面活性剂从下面的组中选择：有12个或更多的碳原子的脂肪酸、12个或更多的碳原子的乙氧基化醇的磷酸酯、14个或更多的碳原子的乙氧基化烷基酚的磷酸酯、以及烷基氨基亚甲基膦酸酯，其中烷基胺前体含有12个或更多的碳原子，所有这些物质的特征是反离子(阳离子)是碱金属、铵或氢离子中的任一种。
6.如上述权利要求任一项所述的井眼流体，其中乳化剂的总加入量为0.5～10％重量百分数。
7.如上述权利要求任一项所述的井眼流体，还含有任何能沉淀或络合多价金属阳离子如钙、镁和铁离子的物质。
8.如权利要求8所述的井眼流体，其中乳化的盐水相含有溶解的阴离子，例如磷酸根、碳酸根、硅酸根，这些阴离子将与钙、镁或铁的任何的阳离子形成不溶解的沉淀。
9.如权利要求8所述的井眼流体，其中络合剂从下面的组中选择：柠檬酸、葡糖酸、葡庚糖酸、抗坏血酸、异抗坏血酸、亚硝基三乙酸、乙二胺四乙酸、二乙三胺五乙酸、1，1-羟亚乙基二膦酸、亚硝基三亚甲基膦酸的碱金属或铵的盐或者其自由酸，基于乙二胺或二乙三胺或高亚乙胺的氨亚甲基膦酸酯和缩聚磷酸盐如焦磷酸四钠。
10.一种钻井或完成井的方法，其中所用的井眼流体是如上述任一权利要求所述的流体。
11.一种从电子测井工具、边测量边钻井(MWD)、边测井边钻井(LWD)、地质导向等等，提供强化信息的方法，其中使用任一种如权利要求1-9所述的改进了电导率的井眼流体强化效率。
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