CN1977026A - 可变密度钻探泥浆 - Google Patents

Abstract

本发明的一个实施例是可变密度钻探泥浆，其包括钻探泥浆中的可压缩微粒材料，其中钻探泥浆密度随深度处压力变化而变化。第二实施例是用于改变钻探泥浆密度的方法。该方法包括：估计孔隙压力梯度和破裂压力梯度，并选择具有可压缩材料的钻探泥浆，其中钻探泥浆的有效泥浆比重保持在至少一段井眼中的孔隙压力梯度和破裂压力梯度之间。第三实施例是用于钻探井眼的设备。

Description

可变密度钻探泥浆

相关申请

【001】本申请要求2004年6月17日提交的美国申请第60/580,523号的优先权。

技术领域

【002】本专利一般涉及地下井眼。更具体地，本专利涉及钻探泥浆及用于减少或消除为井眼下套管需要的方法和设备。

背景技术

【003】传统上，形成井眼时，在井眼中安装大量套管以防止井眼壁坍塌，并防止钻探流体不期望的渗出进地层或流体从地层渗入井眼。井眼一般分段钻探，由此，将被安装在较低井眼段的套管(如钢管)穿过先前在较高井眼段安装的套管而降低到位。该过程的结果是，低段套管的直径小于高段套管的直径。因此，套管形成嵌套结构，在向下的方向上套管直径递减。水泥环形部分一般位于套管外表面与井眼壁之间，以将套筒与井眼壁密封隔开，并防止来自低段的流体在井眼壁和套管背面之间流动。

【004】在多数钻井内，下套管/固井系统的最关键作用是增加最小破裂压力梯度，以允许继续钻探。一般钻井时，孔隙压力梯度(PPG)和破裂压力梯度(FG)随钻井的真实垂直深度(TVD)而增加。一般对于各钻探段，使用的泥浆密度(泥浆比重或MW)大于孔隙压力梯度，但小于破裂压力梯度。

【005】随着钻井的加深，增加泥浆比重以保持其比孔隙压力梯度高某个安全余地。如果泥浆比重将低于孔隙压力梯度，可能出现井涌。井涌是指地层流体流入井眼。井涌可能产生危险情况，并产生重新控制钻井的额外钻井成本。如果泥浆比重增加过大，泥浆比重将超过该钻井段顶部(通常是破裂压力梯度最小的位置)的破裂压力梯度。这通常会导致循环液漏失(lost returns)。一般在钻探流体流入地层裂缝(或其他开口)中时会出现循环液漏失。循环液漏失导致大量的泥浆漏失，这在补充流体方面和处理并补充循环液漏失的操作时间方面成本较高。循环液漏失也会降低钻井的井底孔压力，这可能导致井涌。另外，循环液漏失导致钻屑(cutting)不能从井眼清除。然后，钻屑可在钻柱周围堆积，导致钻柱粘住。粘住的钻杆是难以解决且成本昂贵的问题，通常的结果是抛弃该段或整个井眼。

【006】为了防止以上情况发生，常规做法一般涉及在钻井内顺下并用水泥粘结钢制套管柱。套管和水泥用于堵塞泥浆压力施于套管鞋(casing shoe)深度以上的泥土的通路。这使泥浆比重增加，使得可以钻探下一钻井段。通常使用尺寸减小的钻头和套管重复该过程直至钻井达到计划深度。装卸钻杆、下套管和固井的过程可能占用钻井所需时间的25-65％。装卸是起出钻杆或者将钻杆顺入钻井的过程。由于钻井成本主要由建造钻井所需安装时间控制，这些过程可能增加钻井成本。另外，使用常规钢制套管锥形孔钻探方法，最终获得的孔尺寸可能不可用或不理想，并且下套管和固井操作大幅增加了钻井成本。

【007】嵌套结构产生的结果是，井眼的上部要求相对较大的井眼直径。这样的大井眼直径造成成本因钻孔时间、安装所有套管的时间、下套管成本及钻探流体消耗而增加。另外，由于要求起出钻杆、泵送水泥、水泥硬化、因钻井过程中孔直径改变需要更换设备、下钻杆以及大量钻屑的钻出与清除，造成钻井安装时间和成本增加。

【008】对于勘探井，减少孔尺寸并增加深度可能导致不能到达所计划的目标深度，或在孔尺寸足以运行下井仪器时到不达所计划的目标深度，以充分评价地层。一般地，充分评价地层需要至少0.1524米(6英寸)的裸眼井段。对于某些钻井，考虑到需要设置套管以适合孔隙压力/破裂压力梯度，这使得孔尺寸不够。对于开发井，井的伸缩性减少了储层中的最终孔尺寸。钻井与储层间接触尺寸的这种减少可能减少钻井的生产率，因而降低了钻井的性能。通常，储层中较大孔尺寸将增加给定压降下钻井的生产率。压降是指储层中与钻井内流体压力之差。

【009】目前用来处理上述问题的技术，尤其是处理深水井中问题的技术，包括使用双(或多)梯度钻井系统。例如，美国专利第4,099,583号公开了双梯度钻井系统。在此方法中，将较轻流体注入泥浆返回环形部分(一般在立管(riser)中)或其他通路，以减少注入点以上的泥浆密度。这有助于调整泥浆压力梯度曲线，使其更符合介于孔隙压力梯度和破裂压力梯度曲线之间的所需压力梯度曲线。多梯度钻井系统可以减少所需的套管柱数可能一个或二个。但该系统机械上复杂，实施成本非常高，产生操作问题(如钻井控制的问题)，且仍导致锥形井眼。

【010】美国专利第6,530,437号和美国第6,588,501号公开了用于减少海底立管中的静水压力的多梯度钻井方法和设备。例如，在Mauer等人的文章中，在立管的间断位置处的流动泥浆中和泥浆线以下的钻孔中注入刚性中空球。这允许逐步减少注入点之上的有效泥浆密度。另外，该方法原则上可被用于以此方式逐步改变返回环形部分中的泥浆密度，来保持泥浆比重介于孔隙压力梯度和破裂压力梯度之间。

【011】为实现这一目的，需要环形部分内处于不同垂直位置的多个注入点。这些注入点的垂直位置也需要被调整，以适应孔隙压力梯度和破裂压力梯度的非预期偏差。逐步减少泥浆密度可能最多仅仅减少增加的注入点数所需的中间套管柱数。该系统与常规多梯度系统相似，机械上复杂，实施成本非常高，且产生操作问题(如钻井控制方面)。

【012】转让给Edmond OK的Actisystems的一系列美国专利公开了向钻探泥浆配方中添加各种流体泡沫(aphron)。参见，例如美国专利第6,422,326号、美国第6,156,708号、美国第5,910,467号及第5,881,826号。流体泡沫减少了泥浆的密度，并减少泥浆漏失循环的可能性。液体泡沫为油在水中的乳状液，具有高的油/水体积比，尺寸为5-20微米。将少量这样的乳状液分散在钻探泥浆中，以形成胶质液体泡沫(CLA)。以这种方式，没有大功率输入就产生了非常大的界面面积。胶质气体泡沫(CGA)为直径10-100微米、涂敷多层表面活性剂的泡沫，其通过以高于某临界剪切率来剪切液体而产生。使用气体泡沫不能提供减少所需中间套管柱数量的期望目标压缩。

【013】用于解决一些上述问题的另一技术是使用实体膨胀衬管(SEL)。美国专利第6,497,289号公开了一种实体膨胀衬管的实例。实体膨胀衬管是被顺入钻井内并膨胀的特殊管状系统。膨胀允许开孔可衬有内径大于使用常规衬管的柱。实体膨胀衬管系统允许较大钻头和/或额外的套管柱下至钻井内。在开发井中，这可能有利于以较大井眼尺寸穿透储层。对于探井，具有一个或二个额外衬管可使钻井以可用井眼尺寸达到计划的目标。尽管实体膨胀衬管的某些方面是有益的，但其也有几个缺点。这些包括时间和成本、连接、孔质量要求、锥形和固井。但是，实体膨胀衬管不能减少所需套管柱的数量。

【014】因此，需要改进的钻探泥浆以减少或消除在井眼内安装套管或衬管的需要，从而解决目前套管技术的上述缺点。本发明满足了该需求。

发明内容

【015】本发明的一个实施例是可变密度钻探泥浆。钻探泥浆包括钻探泥浆中的可压缩微粒材料，其中钻探泥浆的密度随压力的变化而变化。

【016】还公开了第二实施例。此实施例是改变钻探泥浆密度的方法。该方法包括估计孔隙压力和破裂梯度，并选择带有可压缩材料的钻探泥浆，其中钻探泥浆的有效泥浆比重在至少一段井眼中保持在孔隙压力和破裂梯度之间。

【017】还公开了第三实施例。此实施例是用于钻探井眼的设备。该设备包括带有底部钻具组合和位于该底部钻具组合上钻头的钻柱，以及泵送可变密度泥浆注入井眼以保持井眼内泥浆压力介于孔隙压力梯度和破裂梯度之间的装置。在一个实施例中，泵送可变密度钻探泥浆的装置是泥浆泵，其沿钻柱向下泵送泥浆穿过钻头，并向上返回位于钻柱和井眼之间的环形部分。

附图说明

【018】图1图解说明了典型钻井规划示意图；

【019】图2是根据本技术一实施例的示例性流程图；

【020】图3是比较图，其图解说明了典型钻井规划示意图与根据本技术一实施例使用的钻井规划示意图的比较；

【021】图4是根据本技术一实施例的形状记忆合金的应力对温度的示例性相图；

【022】图5是根据本技术一实施例的图4中形状记忆合金的应力对应变的示例性示意图；

【023】图6是根据本技术实施例的由形状记忆合金制成的可压缩中空颗粒的压力对深度的示例性示意图；以及

【024】图7A和7B是根据本技术实施例的可压缩和可收缩微粒材料的体积对压力的示例性示意图。

具体实施方式

【025】在以下详述及示例中，将结合优选实施例说明本发明。但是，下文描述的范围针对的是特定实施例或本发明的特定使用，其仅仅是说明性的。因此，不以下文的具体实施例来限定本发明，相反，本发明包括所附权利要求的真实范围内的所有备选方案、变动和等效物。

【026】图1图解说明了典型孔隙压力梯度曲线1和破裂压力梯度曲线3，其带有对常规套管设置点5的描述。对于给定套管设置点，设定泥浆比重7，使其高于孔隙压力梯度曲线1但低于破裂压力梯度曲线3。套管设置点5允许增加的开孔最小破裂压力梯度，以使得井眼内可使用更高的泥浆比重。

【027】我们已发现，我们可依深度调整钻探泥浆密度，以使有效泥浆比重保持在所有深度处的孔隙压力和破裂压力梯度之间。我们还发现，所需泥浆密度的变化可通过添加下述微粒成分来实现：其密度与所剩流体密度明显不同且其体积(因而密度)随压力变化。微粒成分可包括各种形状，如球体、立方体、棱锥、扁球或长球体、圆柱、枕状和/或其他形状或结构。另外，如下文进一步所述，微粒成分可为充满压缩气体的可压缩中空物体，或甚至可压缩固体材料或物体。

【028】一实施例是用于在所选位置处改变井眼内钻探泥浆密度的方法。如图2所示，在井眼位置处估计孔隙压力和破裂压力梯度10。选择可变密度钻探泥浆，以优选在所有深度处，但在至少一段井眼内获得介于孔隙压力和破裂压力梯度之间的有效泥浆比重11。然后，可使用该可变密度钻探泥浆钻探井眼12。

【029】在一实施例中，可变密度钻探泥浆包括微粒材料，如，可压缩(或可收缩)中空物体。更优选地，可压缩中空物体的直径相对较小并被气体充压，(例如，球体、扁球或长球体、圆柱、枕状和/或其他形状)。可选择材料，以随压力变化获得理想的压缩。适当材料的实例包括但不限于聚合物、聚合物复合物、金属、金属合金，和/或具有金属或金属合金的聚合物或聚合物复合物层压板。

【030】优选地，仅需一个钻探泥浆设计。在此方案中，微粒材料将被调整以提供深处钻探泥浆密度变化，其将允许一个钻探泥浆设计，该设计保持钻探泥浆的压力介于整个井眼内的孔隙压力梯度和破裂压力梯度之间。如果钻探泥浆设计不能保持泥浆压力介于孔隙压力梯度和破裂压力梯度之间，必要时可能要增加额外的套管。优选地，选择可变密度钻探泥浆中的微粒材料，其在深处具有理想密度变化，其中使用最少量的套管将钻探泥浆的压力保持在孔隙压力梯度和压裂压力梯度之间。

【031】可基于压缩性转变需要的深度来选择中空物体的初始内部压力。在泥浆柱深处压力低于初始内部压力的地方，壳材料的机械特性，如杨氏模量以及横贯壳的压差控制物体的体积变化。在泥浆柱深处压力高于初始内部压力的地方，如果横贯壁的压差超过中空物体的收缩压力(collapse pressure)，中空物体的体积变化逐渐由气体的压缩性控制。

【032】这些中空物体的压缩使得在高于或低于中空物体初始内部压力确定的深度处产生不同的泥浆密度梯度。当井深度增加时，混合不同初始内部压力的物体并改变体积分数和初始压力分布可实现所需的结果：保持泥浆压力介于所需界限之间。

【033】中空物体可部分充有液体、可冷凝和不可冷凝气体的混合物，或其任何组合。添加可冷凝气体或液体使得可更加灵活地按深度调整泥浆密度的变化。例如，在气/液相边界的温度和压力下，可冷凝气体液化，伴随着密度增加及相应的体积减少。在相变相应的深度和温度下，物体内部体积减少将导致有效泥浆密度的逐步增加。使用含有可冷凝气体的气体混合物的另一潜在益处在于：在深处已冷凝气体占据的有限内部体积大于其开始冷凝的深度处的有限内部体积。因为液体的压缩性一般低于不可冷凝气体的压缩性，因此液体体积可用于设置中空物体壁变形的上限。这有助于可变形物体在井底和表层循环时控制其疲劳寿命。

【034】限制混合在剩余泥浆流体中的大量小直径物体的体积变化允许调整物体的初始尺寸和形状，以获得复合泥浆系统的所需流变性能。通过向泥浆添加大体积分数的所提议的可压缩物体，可改变泥浆的凝胶点和泥浆粘性随剪切率的变化。优选选择流体相的初始属性，以使得由此产生的复合泥浆凝胶点在通常操作(包括不循环操作)中，足以使岩屑悬浮于环形部分内。另外，复合泥浆的粘性满足可泵性要求，无需在环形部分内形成不可接受动态压力梯度。这是由于这样的事实：对于可压缩物体体积分数装载达到45％，凝胶点变化和复合泥浆粘性随剪切率的改变显示具有相似功能性。

【035】在球形中空壳的情况下，所需的材料抗张强度由下列关系式定义：

T＝(pr)/2h                                            (1)

其中：

T为抗张强度，

p为内部压力，

r为球体半径，以及

h为球壳壁厚。

【036】对于直径1.0mm(毫米)、内部压力13.8Mpa(兆帕斯卡)(2000psig(磅/平方英寸表压))且壁厚0.125mm的球体，所需材料屈服强度应为T＝27.6Mpa(40,000psi)。许多普通材料的屈服强度达到或超过所需水平。

【037】由于气体穿过壁渗漏，更大的潜在问题是充压球体的有效寿命。在结晶聚合物PEEK的情况下，在压差为1巴(Bar)时氧气漏过100微米厚的壁的气体渗漏速率在25℃(摄氏度)时约为852.5cm³/day/m²(厘米³/天/米²)。136个大气压力下1mm内径球体内的气体初始体积在标准温度和压力(STP)时仅为0.071cm³。这种球体的渗漏率约为0.0152cm³/hr(厘米³/小时)，球体将在一小时中失去初始13.8Mpa(2000psi)充气的约2.95Mpa(428psi)，其有用寿命将小于1小时。因此，如果将聚合物壳用于本发明的目的，则减少气体渗漏率将是有利的。

【038】我们已经设计了几种减少渗漏率并制造相当低渗透性的材料的可选方案。球体可比目前实例中的更大，壁更厚。例如，对给定的h/r比率，寿命将随球体半径的平方而增加。球体可充有大分子体积的气体，如固有扩散速率低的SF₆(六氟化硫)。聚合物膜中的SF₆的扩散常数比CO₂(二氧化碳)大约小100。聚合物球体的壁可充有微粒如片状粘土微粒来阻止气体渗漏。

【039】或者，中空物体的壁可由金属、聚合物层压板和薄金属膜或抗张强度足够且气体渗漏性适当低的任何其他材料制成。在金属膜和金属/聚合物层压板的情况下，文献数据显示，许多普通金属和聚合物/金属层压板的强度和渗漏性足以满足所提申请的强度和渗漏性要求。

【040】在一个实施例中，设想可压缩固体物体在流动的泥浆中持续重复循环。在此实施例中，可压缩物体可直接穿过位于表层的泥浆泵，沿钻柱向下穿过钻头并向上返回到钻柱和井眼之间的环形部分。如果必要，可在表层执行附加分离步骤，以将可压缩物体从钻屑中分离，并在再注入前重新组成复合泥浆。可压缩物体和钻屑之间的大密度差非常有利于所需的任何分离。

【041】在一实施例中，可在泥浆泵的下游再注入物体。向流动泥浆流中持续注入刚性球体及从泥浆中分离刚性球体的方法已在专利文献中公开。参见例如美国专利第6,530,437号和第6,588,501号。

【042】同样，如果不希望可压缩物体穿过钻头处的高剪切喷嘴，可使可压缩物体在钻头周围分流。实现分流的方法之一是使用钻柱中底部钻具组合(BHA)上方不远的井下离心分离器(其带有BHA上方不远的侧面注射口)，以分流球体通过切割面处的高剪切区而进入返回环形部分。

【043】向泥浆混合物添加可变形充压中空物体可产生其他预见的或未预见的益处。例如，添加这些物体可减少旋转的钻柱和壁之间的摩擦。相关现有技术包括例如，美国专利第4,123,367号。在此专利中，公开了通过向泥浆中添加微小球形固体玻璃珠而减少旋转钻柱上的摩擦力和转矩或扭矩的方法。

【044】向泥浆混合物中添加可变形充压中空物体也可部分减轻循环液漏失。在循环液漏失情况下，与泥浆一起再循环的部分压缩的中空物体将与泥浆流一起进入断层。当进入地层断层时，由于物体是从较高压力井眼进入到较低压力地层断层，因此物体将会膨胀。我们预期，物体将嵌入断层，帮助密封地层。预期物体的可变形性也有助于地层形成更有效的密封。相关现有技术包括例如，美国专利第4,836,940号。该专利公开了添加小球状成分，其包括不溶于水的、吸水的聚合物和膨润土。在此设想中，小球进入地层断层后被截留。截留的小球慢慢吸水后膨胀并密封断层。

示例

【045】下文图解说明了将这一设想应用于最终钻至22,000英尺深的假设深水井的示例。图3是示意图，其比较了使用固定密度钻探泥浆的常规套管设计和可变密度钻探泥浆设计。

【046】在图3所示示例中，所需中间套管柱21的数量由六个减至仅一个。需要大约6,000英尺处的表层套管23来支承海下设备的重量和/或用于调整顺应性，因此不能去除。所需套管段数量的减少通过使用两种可变密度泥浆混合物实现，如图所示。从图3中可以看出，使用这两种混合物，泥浆比重很好地保持在整个钻探段的破裂压力梯度1和孔隙压力梯度3之间的安全界限内。

【047】第一钻探泥浆24混合物允许将井眼从表层套管23钻至中间套管21。第二钻探泥浆25混合物允许将井眼钻至目标深度29，无需任何附加套管。如果不使用可变密度钻探泥浆，该规划示意图将需要6个中间套管31。将表层套管后面的附加套管从6个减少至1个，减少了井的成本。

【048】本技术的应用可与几个益处相关。首先，本技术的实施例提供了改变井结构的方法。即，本技术消除了与设置特定套管柱相关联的稳定时间，因为可变密度钻探泥浆的微粒材料减少了套管柱变化的数目。因此，如上所述，使用可变密度钻探泥浆可通过克服常规钻井操作带来的限制与约束，而允许钻探活动到达更深处的储层。其次，本技术的实施例减少了与接近储层相关的成本。具体来说，因井眼尺寸大幅减少，因此所需钻探管子和泵的尺寸和成本减少。另外，可变密度钻探泥浆可减少材料成本，如钻头、立管、套管、水泥和泥浆。由此，在井中使用带微粒材料的可变密度钻探泥浆可减少与接近储层相关的成本，并提供调整以接近特定储层。

【049】在另一实施例中，包括可压缩(即可收缩或可变形)中空颗粒的微粒材料，可由形状记忆合金(SMA)制成。如图4-7B详细所述，形状记忆合金为经历固-固相变的金属合金，可从大的应变中恢复它们的形状。由此，可压缩或可变形中空颗粒或物体可由直径相对较小的形状记忆合金制成，可用于提供钻探泥浆的密度变化。

【050】开始时，形状记忆合金依赖压力(即施于形状记忆合金的应力载荷)与温度来决定形状记忆合金的相。该相包括奥氏体相和马氏体相。图4示出了根据本技术实施例的形状记忆合金的应力对温度的示例性相图。用标号400表示的该示意图中，形状记忆合金的特点在于有四个温度，它们可影响形状记忆合金的不同相。这些温度包括马氏体开始(M^s)、马氏体终止(M^f)、奥氏体开始(A^s)和奥氏体终止(A^t)。

【051】由于温度影响形状记忆合金的相，因此相对温度调整应力或压力可定义形状记忆合金的各种相域。即，形状记忆合金的相取决于前一相和确定该相域的压力与温度。在这些不同域中，形状记忆合金有不同行为特征，如超弹性，也可称为伪弹性。超弹性特征沿等温超弹性载荷路径402和非等温超弹性载荷路径404观察。在等温超弹性载荷路径402上，当应力增加(即加载)和减少(即卸载)时温度保持不变。在非等温超弹性载荷路径404上，温度随应力增加而增加，这可代表井眼内可压缩中空形状记忆合金颗粒的载荷。即，非等温载荷路径404代表井眼中深度增加时形状记忆合金所经受的应力和温度。

【052】因此，参照路径402和404可更好理解形状记忆合金的不同相域。对于各路径402和404，当温度和应力低于马氏体开始线406时形状记忆合金处于奥氏体相。介于马氏体开始线406和马氏体终止线408之间时，形状记忆合金处于奥氏体至马氏体转变域。高于马氏体终止线408时，形状记忆合金处于马氏体相。由此，压力或应力的任何附加载荷将保持形状记忆合金处于该域。或者，卸载时，只要形状记忆合金高于奥氏体开始线410，形状记忆合金就保持处于马氏体相。介于奥氏体开始线410和奥氏体终止线412之间时，形状记忆合金处于马氏体至奥氏体转变域。然后，当低于奥氏体终止线412时，形状记忆合金处于奥氏体相。图5进一步说明了形状记忆合金的转变。

【053】图5是根据本技术实施例的图4的形状记忆合金的应力对应变的示例性示意图。用标号500表示的示意图中，因超弹性载荷产生的应力对应变响应示意性地图解说明为三个不同相，马氏体相、奥氏体相和转变相。转变相包括从马氏体至奥氏体相的转变和从奥氏体至马氏体相的转变。可恢复转变应变量取决于形状记忆合金的成分和处理。这些形状记忆合金可包括镍钛合金(NiTi)、铜铝锌合金(CuAlZn)、镍钛铜合金(NiTiCu)、铜铝镍合金(CuAlNi)以及任何其他合适金属合金。一般这些形状记忆合金的可恢复转变应变量在约3％至约8％的范围内。

【054】在加载过程中，形状记忆合金表现出如奥氏体弹性线502所示的弹性方式。当达到第一应力级或收缩阈值时(如第一点504所示)转变阶段开始。第一收缩阈值可为与特定温度相对应的、沿图4所示马氏体开始线406上的点。当载荷继续增加时，在形状记忆合金由奥氏体相向马氏体相转变时产生转变应变，如第一转变线506所示。然后，在第二点507处完成向马氏体相的转变。当形状记忆合金已转变为马氏体相，如马氏体弹性线508所示，形状记忆合金表现为马氏体相的弹性方式。

【055】在卸载过程中，形状记忆合金的弹性再次表现为与如马氏体弹性线508所示的马氏体相一致的弹性方式。当达到第二应力级或收缩阈值时，如第三点510所示，从马氏体向奥氏体相转变的反向转变阶段开始。转变相可通过卸载形状记忆合金上的应力而再次进入，如第二转变线512所示。当形状记忆合金上的应力减少时，形状记忆合金可重新恢复至其先前的结构。然后，在第四点513处完成向奥氏体相的转变。当形状记忆合金已转变为奥氏体相时，如奥氏体弹性线502所示，形状记忆合金表现为奥氏体相的弹性方式。下文图6进一步描述了形状记忆合金的转变。

【056】图6是根据本技术实施例的由形状记忆合金制成的可压缩和/或可变形中空物体的压力对深度的示意性示意图。用标号600表示的示意图中，可压缩微粒材料可由在奥氏体和马氏体相之间转变的形状记忆合金制成。基于提供在转变中的压缩性，中空形状记忆合金颗粒调整其尺寸以改变钻探泥浆的有效比重。

【057】开始时，作为一个例子，奥氏体形状记忆合金颗粒602可具有球体结构。当奥氏体形状记忆合金颗粒602在井眼内向下传输时，奥氏体形状记忆合金602外部的压力增加，如线604所示。因此，当压力和应力超过应力或收缩阈值(例如图5第一点504)时，奥氏体至马氏体转变开始。结果，由于形状记忆合金颗粒是可压缩中空物体，形状记忆合金颗粒收缩形成马氏体形状记忆合金606。在收缩形状时，有效泥浆比重已增至特定形状记忆合金的最大值。

【058】一旦马氏体形状记忆合金颗粒606被引导沿井眼向上运动，马氏体形状记忆合金颗粒606将保持其形状，直至马氏体形状记忆合金颗粒606达到周围静水压力和温度小于收缩或应力阈值(例如图5的第三点510的点)的点。在此收缩阈值处，从马氏体向奥氏体相的反向转变开始，形状记忆合金开始恢复其形状。因此，当奥氏体形状记忆合金颗粒602到达井眼的表层时，有效泥浆比重最低。因此，可使用形状记忆合金的不同相来调整钻探泥浆的有效比重。

【059】图7A和7B是根据本技术实施例的可收缩微粒材料的体积对压力的示例性示意图。用标号700和702表示的这些图中描述了可收缩颗粒(例如，由形状记忆合金制成的颗粒)的体积对压力的关系。具体来说，目标响应704可指示为井优选的钻探泥浆的有效比重的特定变化。

【060】为了提供该目标响应，如图7A的示意图700所示，可使用各种不同类型颗粒和流体。例如，可使用诸如柔性膜中气体的可压缩流体来如前所述地调整钻探泥浆的密度。

【061】例如，也可使用形状记忆合金来改变钻探泥浆的密度。使用形状记忆合金有利于基于井眼内静水压力和温度来改变和恢复形状记忆合金颗粒的结构，如形状记忆合金响应710a和710b所示。结构中的柔性减少了对形状记忆合金颗粒内充压气体的依赖性，并且基于形状记忆合金颗粒的形状恢复实现膨胀。因此，钻探泥浆的有效比重是基于井眼内温度和压力来调整的。

【062】另外，如图7B示意图702所示，不同形状记忆合金颗粒也可用于近似模拟井的目标响应704。在该示意图702中，使用多个形状记忆合金响应712a-712i来改变钻探泥浆的有效比重或密度。为调整这些形状记忆合金颗粒的收缩阈值，可调整各种属性或参数以提供对预定体积和压力的特定响应。例如，壁厚、使用的金属合金材料、形状记忆合金颗粒内的气压、形状或其他相似属性可被修改，以提供在预定体积和压力下提供特定密度的形状记忆合金颗粒。由此，这些形状记忆合金颗粒可被配置为具有不同收缩阈值，以获得体积随压力的目标变化。

【063】使用形状记忆合金颗粒有利于提供比其他类型材料更大的弹性。形状记忆合金颗粒可比聚合物颗粒更不容易损坏，这是因为金属一般比聚合物强度大。因此，形状记忆合金颗粒可在表层从钻探泥浆中分离并高效地再使用。

【064】另外，形状记忆合金提供了改变钻探泥浆密度的额外的灵活性。例如，通过基于预期的井下压力和温度来调整合金的转变温度、颗粒的形状和/或壁厚，形状记忆合金可被设计用于特定应用。该灵活性为改变井的结构提供了额外机制，如上所述。应注意，中空颗粒可变形以在初始形状与变形形状之间调整，这也可增加钻探泥浆的密度。

【065】此外，在备选实施例中，可变密度钻探泥浆可包括为可压缩(或可收缩)的固体材料或物体的微粒材料。这些可压缩固体物体功能与可压缩中空物体相似，形状也相似，如球体、扁球或长球体、圆柱、枕状和/或任何其他合适形状。同样，可选择这些固体物体中使用的材料，以根据压力变化获得特定压缩，如上所述。使用这些微粒材料有利于达到更深深度，因为套管柱的结构可改变并可调整对其他资源的接近，如上所述。

【066】尽管本发明的技术容易具有各种修改和备用形式，但是上述示例性实施例仅作为示例示出。另一方面，应当理解本发明无意受限于本文公开的特定实施例。事实上，本发明的技术将覆盖：落入所附权利要求定义的本发明精神与范围之内的所有修改、等效物以及备选方案。

Claims (56)

1.钻探泥浆，其包括：

所述钻探泥浆中的可压缩微粒材料，其中所述钻探泥浆的密度变化归因于所述可压缩微粒材料体积随压力或温度变化的变化。

2.如权利要求1的钻探泥浆，其中所述可压缩微粒材料包括多个可压缩中空物体，其中每个所述可压缩中空物体具有由固体外壳封闭的中空内部。

3.如权利要求2的钻探泥浆，其中多个可压缩中空物体的每个在所述中空内部包含充压气体。

4.如权利要求1的钻探泥浆，其中基于在特定深度处所述可压缩微粒材料的体积随压力变化而产生的变化，所述微粒材料被配置为：保持所述钻探泥浆的密度介于孔隙压力梯度和破裂压力梯度之间。

5.如权利要求1的钻探泥浆，其中所述可压缩材料从聚合物、聚合物复合物、金属聚合物层压板、金属、金属合金及其任意组合之一中选择。

6.如权利要求2的钻探泥浆，其中基于期望压缩性转变的特定深度，来选择每个所述可压缩中空物体的初始内部压力。

7.如权利要求2的钻探泥浆，其中使用可冷凝和不可冷凝气体的混合物来填充每个所述可压缩中空物体。

8.如权利要求2的钻探泥浆，其中所述多个可压缩中空物体的每一个的固体外壳由具有保持内部气体压力达到井眼内指定深度的抗张强度的材料制成。

9.如权利要求8的钻探泥浆，其中所述固体外壳由从金属、金属合金、聚合物、聚合物复合物、聚合物层压板、薄金属膜及其任意组合之一选择的材料制成。

10.如权利要求1的钻探泥浆，其中所述钻探泥浆的初始属性被配置为提供在钻探操作期间使岩屑悬浮于井眼环形部分内的复合泥浆凝胶点，以及具有可压缩微粒材料的所述钻探泥浆的粘性处于可泵性要求范围内，并且其保持在孔隙压力梯度和破裂压力梯度之间。

11.如权利要求2的钻探泥浆，其中所述多个可压缩中空物体的每一个的固体外壳为形状记忆合金材料。

12.如权利要求2的钻探泥浆，其中所述多个可压缩中空物体中充有具有固有扩散速率低的大分子体积的气体。

13.如权利要求2的钻探泥浆，其中所述多个可压缩中空物体的固体外壳的材料具有固有低的渗透性，使得井眼内的所述多个可压缩中空物体在井的特定段钻探操作期间可再次使用。

14.如权利要求2的钻探泥浆，进一步包括在所述多个可压缩中空物体中的可压缩气体，其中至少部分所述可压缩气体可冷凝，且在所述可冷凝气体的气/液相边界的温度和压力下，所述可冷凝的至少部分所述可压缩气体液化，其密度增加，体积相应减少，这导致在相变相应的深度和温度下，所述微粒材料内部体积减少，有效泥浆密度相应增加。

15.如权利要求1的钻探泥浆，其中所述可压缩微粒材料为固体材料。

16.如权利要求1的钻探泥浆，其中所述可压缩微粒材料为形状记忆合金。

17.如权利要求16的钻探泥浆，其中所述形状记忆合金包括镍钛合金。

18.如权利要求16的钻探泥浆，其中所述形状记忆合金包括铜铝锌合金。

19.用于改变钻探泥浆密度的方法，其包括：

1)估计孔隙压力梯度；

2)估计破裂压力梯度；

3)选择带有可压缩材料的钻探泥浆，其中所述钻探泥浆的有效泥浆比重在井眼中的至少一段保持在所述孔隙压力梯度和所述破裂压力梯度之间。

20.如权利要求19的方法，进一步包括：使用所述钻探泥浆钻探井眼。

21.如权利要求20的方法，进一步包括：限制混合在所述钻探泥浆中的多个物体的体积变化，并调整所述多个物体的初始结构，以获得所述带有可压缩材料的钻探泥浆的所需流变性能，其中在所述钻探泥浆中的所述多个物体的混合导致了复合泥浆凝胶点，其在钻探操作期间可使岩屑悬浮于井眼环形部分内，以及所述带有可压缩材料的钻探泥浆的粘性处于可泵性要求范围内，并保持在所述孔隙压力梯度和所述破裂压力梯度之间。

22.如权利要求20的方法，进一步包括：混合具有不同初始内部压力的多个物体并改变体积分数和初始压力分布，以在至少一段井眼内保持所述钻探泥浆的压力介于孔隙压力梯度和破裂压力梯度之间。

23.如权利要求20的方法，进一步包括：限制混合在所述钻探泥浆中的多个物体的体积变化，其中相对于所述钻探泥浆流变性能，所述多个物体的每一个的初始尺寸被配置为达到所需复合钻探泥浆流变性能。

24.如权利要求20的方法，进一步包括：传输可压缩材料穿过位于表层的泥浆泵、沿钻柱向下穿过钻头并穿过所述钻柱和所述井眼之间的环形部分。

25.如权利要求20的方法，进一步包括：将所述可压缩材料从钻屑中分离，并在再注入所述井眼前重新组成钻探泥浆。

26.如权利要求20的方法，进一步包括：在钻头周围分流所述可压缩材料。

27.如权利要求20的方法，其中通过位于钻柱中底部钻具组合上方的、带有侧面注射口的井下离心分离器，来分流所述可压缩材料进入返回环形部分，从而在钻头周围分流可压缩材料。

28.如权利要求20的方法，其中当所述钻探泥浆的压力不能保持在所述孔隙压力梯度和所述破裂压力梯度之间时，增加套管。

29.如权利要求28的方法，其中所述钻探泥浆中的微粒材料被配置为在特定深度提供密度变化，且其中所述钻探泥浆的压力保持在所述孔隙压力梯度和所述破裂压力梯度之间。

30.如权利要求19的方法，其中所述可压缩材料包括形状记忆合金颗粒。

31.如权利要求30的方法，其中所述形状记忆合金颗粒包括镍钛铜合金。

32.如权利要求30的方法，其中所述形状记忆合金颗粒包括铜铝镍合金。

33.如权利要求19的方法，其中所述井眼中的所述至少一段包括第一段和第二段，并且所述可压缩材料包括第一形状记忆合金颗粒和第二形状记忆合金颗粒，其中所述第一形状记忆合金颗粒和所述第二形状记忆合金颗粒被配置为具有不同的收缩阈值。

34.如权利要求33的方法，其中所述第一形状记忆合金颗粒和所述第二形状记忆合金颗粒具有不同壁厚，以提供所述钻探泥浆密度的变化。

35.如权利要求33的方法，其中所述第一形状记忆合金颗粒和所述第二形状记忆合金颗粒包括不同金属合金材料，以提供所述钻探泥浆密度的变化。

36.钻探井眼的设备，其包括：

具有底部钻具组合即BHA以及位于BHA上面钻头的钻柱，

泵送可变密度泥浆注入井眼的装置，以保持所述井眼内的可变密度泥浆压力介于孔隙压力梯度和破裂压力梯度之间。

37.如权利要求36的设备，其进一步包括：钻柱中BHA上方的、带有位于BHA上方的侧面注射口的井下离心分离器。

38.如权利要求37的设备，其中所述泵送可变密度泥浆注入井眼的装置是泥浆泵，其泵送所述可变密度泥浆沿钻柱向下通过钻头，并向上至所述钻柱和所述井眼之间的环形部分。

39.如权利要求36的设备，其中所述可变密度泥浆包括可压缩微粒材料，其中所述可变密度泥浆的密度的变化归因于特定深度处所述可压缩微粒材料体积随压力变化的变化。

40.如权利要求36的设备，其中可压缩微粒材料包括可压缩中空固体材料。

41.如权利要求36的设备，其中所述可压缩微粒材料包括可压缩固体材料。

42.如权利要求36的设备，其中所述可压缩微粒材料包括形状记忆合金。

43.如权利要求36的设备，其中所述形状记忆合金包括镍钛合金。

44.如权利要求36的设备，其中所述形状记忆合金包括铜铝锌合金。

45.如权利要求36的设备，其中所述形状记忆合金包括镍钛铜合金。

46.钻探泥浆，其包括：

所述钻探泥浆中的可变形物体，其中所述可变形物体被配置为：

当所述可变形物体形状变化时，调整所述钻探泥浆的密度；以及

当所述可变形物体上的压力变化时，在初始结构和变形结构间转变。

47.如权利要求46的设备，其中所述可变形物体为可压缩物体。

48.如权利要求47的设备，其中所述可压缩物体包括多个形状记忆合金。

49.如权利要求47的设备，其中所述可压缩物体包括多个球形物体。

50.如权利要求47的设备，其中所述可压缩物体包括多个可压缩固体物体。

51.钻探泥浆，其包括：

所述钻探泥浆中的可压缩物体，所述可压缩物体具有初始结构和压缩结构，其中所述可压缩物体被配置为：

当所述可压缩物体体积变化收缩为所述压缩结构时，增加所述钻探泥浆的密度；以及

当所述可压缩物体体积变化收缩为所述压缩结构时，降低所述钻探泥浆的密度。

52.如权利要求51的设备，其中所述可压缩物体包括多个形状记忆合金。

53.如权利要求51的设备，其中所述可压缩物体包括多个球形物体。

54.如权利要求51的设备，其中所述可压缩物体包括多个可压缩固体物体。

55.如权利要求51的设备，其中所述可压缩物体包括封闭在固体外壳内的中空内部。

56.如权利要求55的设备，其中所述可压缩物体部分充有液体，作为所述初始结构的部分。

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