EA020338B1

EA020338B1 - Скважинные жидкости, содержащие отсортированную по крупности глинистую породу, и способы их применения

Info

Publication number: EA020338B1
Application number: EA201071289A
Authority: EA
Inventors: Нил Браун; Мукеш Капила
Original assignee: Эм-Ай ЭлЭлСи
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2014-10-30
Also published as: CA2723811A1; EP2297265A4; EA201071289A1; MX2010012176A; BRPI0822664A2; WO2009136936A1; EP2297265A1; CN102083936A; US20110056748A1; CA2723811C; AU2008355936B2; AU2008355936A1

Abstract

Предложена скважинная жидкость, которая включает в себя основную жидкость и отсортированную по крупности негидратируемую глину. Основная жидкость может представлять собой жидкость на водной основе или жидкость на углеводородной основе. Предложены также способы бурения с указанными скважинными жидкостями, которые содержат основную жидкость и отсортированную по крупности негидратируемую глину.

Description

Уровень техники изобретения Область техники, к которой относится изобретение

Предложенные здесь варианты осуществления, вообще говоря, относятся к скважинным жидкостям, содержащим глинистую породу. В частности, предложенные здесь варианты осуществления, в общем случае, относятся к скважинным жидкостям, содержащим отсортированную по крупности глинистую породу, и способам их применения.

Уровень техники

При бурении или заканчивании скважин в толще пород по целому ряду причин обычно используют различные жидкости. Повсеместное применение скважинных жидкостей включает в себя смазку и охлаждение режущих поверхностей буровой коронки во время бурения или вскрытия пласта (т.е. бурение целевых нефтеносных пластов), транспортировку шлама (обломков породы, вытесненных под действием врезания зубцов буровой коронки) на поверхность, регулирование давления жидкости пласта для предупреждения выбросов, поддерживание стабильности скважины, суспендирование твердых тел в скважине, минимизирование поглощения бурового раствора и стабилизация пласта, через который бурят скважину, растрескивание пласта в окрестностях скважины, замещение жидкости внутри скважины другой жидкостью, очистку скважины, испытание скважины, перенос гидравлической мощности к буровой коронке; использование жидкости для размещения уплотнителя, ликвидации скважины или подготовки скважины к ликвидации и другую обработку скважины или пласта.

Одна из вышеуказанных целей включает в себя транспортирование обломков на поверхность земли вдобавок к предупреждению оседания обломков бурения и утяжелителя на нижних участках или на дне скважины в период временной остановки бурения. Явление предотвращения оседания твердых тел в скважинной жидкости обусловлено тиксотропными свойствами жидкости. Специалист в данной области техники должен учитывать, что без таких тиксотропных свойств оседание твердых тел внутри жидкости может приводить к отложению твердых тел на буровой коронке, которая может заклиниться; или уменьшение плотности скважинной жидкости может вызвать подачу в резервуар выброса или в экстремальном случае может произойти фонтанирование - катастрофическое неконтролируемое поступление жидкостей нефтяного пласта в ствол скважины. Скважинная жидкость при надлежащем использовании может обеспечить достаточную способность суспензии противостоять отложению твердых тел.

Решающим свойством скважинных жидкостей в достижении указанных функций является вязкость или отношение силы сдвига к сдвиговой деформации. Скважинная жидкость должна иметь достаточную вязкость, чтобы поднимать обломки на поверхность. Скорость, с которой обломки удаляются из ствола скважины, является функцией, несущей способности скважинной жидкости, которая непосредственно зависит от нескольких факторов, включая плотность скважинной жидкости, вязкость скважинной жидкости, профиль скорости, крутящий момент бурильной колонны и отношение плотности твердых тел к (плотности) скважинной жидкости.

Для увеличения несущей способности скважинной жидкости (для суспендированных обломков и утяжелителей) можно повысить статическое напряжение сдвига скважинной жидкости. Для достижения указанного повышения напряжения сдвига существуют различные способы. Один из способов предусматривает прибавление загустителей, таких как бентонит (монтмориллонит натрия), аттапульгит или сепиолит, с целью придания реологических свойств жидкостям на водной основе. В добавление к глинам для повышения вязкости жидкости можно также добавить растворимый полимер, такой как ксантановая камедь, гуаровая смола, карбоксиметилцеллюлоза, гидроксиэтилцеллюлоза или синтетические полимеры. Другой способ представляет собой введение в скважинную жидкость природных глин, встречающихся во время бурения аргиллитовых (глинистых) пластов.

Часто для придания вязкости и повышения реологических свойств жидкости к жидкой композиции прибавляют различные типы глин. Г лина обладает структурой решетки оксида кремния-оксида алюминия, которая образована множеством слоев, иногда с другими компонентами, такими как магний или кальций, внедренными в решетки. Молекулы воды входят в структуру решетки и связываются с активными участками, вызывая расширение слоев или дальнейшее диспергирование на отдельные частицы. Дисперсия глины увеличивает площадь поверхности, что, в свою очередь, вызывает расширение участка глина-вода и загустевание суспензии глина-в-воде. Таким образом, глины часто называют загустителями и используют для повышения вязкости, плотности, уплотняющих и тиксотропных свойств для обеспечения стабильности ствола скважины.

Бентонит представляет собой наиболее широко используемую природную глину и много лет применяется в буровых растворах в качестве загустителя. Сорт бентонита для бурения часто получают из отложений, содержащих монтмориллонит натрия, либо из единственного источника, либо смешением материалов из различных источников. Он может содержать дополнительные вещества, помимо бентонита, и, в результате, различаться по окраске от светло-серого до кремового и до серовато-белого. Американский Нефтяной Институт (ΑΡΙ) издал международные стандарты, к которым должен быть отнесен природный бентонит на основе спецификации ΑΡΙ 13Α.

В технике известно, что в процессе бурения состояния гидратации и дисперсии бентонита или других подобных глинистых пород определяют реологические свойства жидкостей на водной основе. Важ

- 1 020338 ными реологическими свойствами являются вязкость (кажущаяся, пластическая и эффективная), напряжение сдвига и предел текучести, которые могут быть измерены ротационным вискозиметром (реометром). Однако существует равновесие между прибавлением достаточного количества загустителя для увеличения стабильности суспензии жидкости без одновременного увеличения вязкости жидкости до такого предела, когда жидкость обладает уменьшенной прокачиваемостью. Кроме того, при использовании указанных добавок глины в скважинных жидкостях имеет значение количество времени, требующегося для получения такой жидкости, чтобы она имела тиксотропные свойства, необходимые для несения или суспендирования в ней твердых тел.

Соответственно существует непрерывная потребность в разработках жидких систем, имеющих благоприятные тиксотропные свойства.

Сущность изобретения

В одном из аспектов предложенные здесь варианты осуществления относятся к скважинной жидкости, которая включает в себя основную жидкость и отсортированную по крупности негидратируемую глину.

В другом аспекте предложенные здесь варианты осуществления относятся к скважинной жидкости, которая включает в себя водную жидкость; отсортированный по крупности аттапульгит и соль щелочного металла или щелочно-земельного металла, где скважинная жидкость, по существу, свободна от гидратируемых глин.

В другом аспекте предложенные здесь варианты осуществления относятся к способу бурения подземной скважины, который предусматривает добавление отсортированной по крупности негидратируемой глины к основной жидкости для образования бурового раствора и бурение скважины с буровым раствором.

Еще в одном аспекте предложенные здесь варианты осуществления относятся к способу бурения без вертикальной водоотделяющей колонны, который предусматривает подачу бурового раствора в бурильный агрегат для бурения ствола скважины на дне моря, бурильный агрегат, содержащий бурильную колонну и оборудование низа бурильной колонны; где буровой раствор содержит соляной раствор и отсортированную по крупности негидратируемую глину; и буровой раствор и обломки выбуренной породы через затрубное пространство, образованное бурильной колонной и стволом скважины, вытекают в морскую воду.

Другие аспекты и преимущества изобретения будут очевидны из следующего описания и приложенной формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - текучесть в зависимости от времени (сдвиговой деформации) различных образцов аттапульгита при 30 ррЬ (фунтов на баррель) в морской воде.

Фиг. 2 - текучесть в зависимости от времени (сдвиговой деформации) различных образцов аттапульгита при 35 ррЬ в морской воде.

Фиг. 3 - диаграммы максимальной текучести, полученной для образцов аттапульгита как функции крупности частиц.

Фиг. 4 - влияние головки статора на текучесть ΕΖ Ое1 при 30 ррЬ в морской воде.

Фиг. 5 - влияние головки статора на текучесть Ое1 М8 при 30 ррЬ в морской воде.

Фиг. 6 - влияние головки статора на текучесть Ваксо Ое1 при 30 ррЬ в морской воде.

Фиг. 7 - влияние головки статора на текучесть М-1 8а11 Ое1 при 30 ррЬ в морской воде.

Подробное описание

В одном из аспектов предложенные здесь варианты осуществления относятся к использованию отсортированных по крупности глинистых пород при составлении скважинных жидкостей и к способам их применения. В частности, предложенные здесь варианты осуществления относятся к использованию отсортированных по крупности негидратируемых глин в скважинных жидкостях.

Обычно для составления скважинных жидкостей на водной основе используют два типа глин: бентонит и аттапульгит. Наиболее широко используемой глиной является бентонит, трехслойный алюмосиликатный минерал. Однако его способность гидратироваться путем связывания воды с его активными участками, вызывая расширение и диспергирование частиц глины, что, в свою очередь, ведет к повышению вязкости, отрицательно влияет в случае присутствия растворенных солей в воде. Поэтому его применение обычно считают непрактичным в морских условиях, где для использования в качестве непрерывной фазы морская вода более доступна, чем свежая вода.

Аттапульгит (или другие негидратируемые глины), с другой стороны, образуют коллоиды, которые устойчивы в высокоэлектролитных растворах, таких как морская вода, и поэтому часто предпочтителен для применения в морских условиях (или в других применениях, где подача свежей воды ограничена). Аттапульгит представляет собой водный алюмосиликат магния, частицы которого имеют приблизительно сферическую форму в противоположность слоистой структуре смектитовых глин, таких как бентонит. Указанная структура приводит к загустеванию без гидратации. Загустевание суспензии аттапульгита скорее является результатом сдвиговой деформации, которая растягивает частицы глины в более игольчатую или сетчатую форму, как указанную глину обычно описывают в литературе. При суспендирова

- 2 020338 нии в жидкости указанные решетки скапливаются в пучки, которые в электронном микроскопе имеют вид стога сена. Указанная глина не вспучивается при контактировании с водой, так что ее способность повышать вязкость зависит от степени сдвиговой деформации коллоида.

Таким образом, предложенные здесь скважинные жидкости могут содержать негидратируемую глину, такую как глина с игольчатой или цепочечной структурой, которая приводит к загустеванию путем сдвиговой деформации. В различных других вариантах осуществления негидратируемая глина может быть выбрана по меньшей мере из одной из аттапульгита и сепиолита. Хотя негидратируемые глины, по существу, не вспучиваются ни в свежей, ни в соленой воде, они, однако, могут действовать для загущения растворов солей. Указанное загущение может отличаться тем, что его считают уникальной ориентацией заряженных коллоидных частиц глины в дисперсионной среде и фактически не гидратацией.

Поскольку термин негидратируемая относится к характеристике глины в отсутствие вспучивания (т.е. измеряемого увеличения объема) в присутствии соленой воды, способность указанных глин вспучиваться в морской воде может быть испытана способом, описанном в статье К. ΝογπβΙι. опубликованной как Тйе в^еШид оТ МоШтотШопИе, Э|вс. Еатабау 8ос, том 18, 1954, с. 120-134. Указанная проба заключается в погружении глины примерно на 2 ч в раствор деионизированной воды и примерно 4 мас.% хлорида натрия на объем раствора соли. Одновременно путем аналогичной процедуры может быть измерена вспучиваемость данных глин в свежей воде, в которой хлорид натрия отсутствует. В одном из вариантов осуществления негидратируемую глину определяют как такую, которая в указанном испытании разбухает менее чем в 8 раз по сравнению с объемом в сухом виде. В другом варианте осуществления негидратируемая глина демонстрирует разбухание порядка менее чем в 2 раза; в другом варианте осуществления менее чем в 0,3 раза и еще в одном варианте осуществления менее чем в 0,2 раза.

В других вариантах осуществления предложенные буровые растворы могут быть, по существу, свободны от гидратируемых глин. Как использовано здесь, гидратируемые глины определяют как такие глины, которые значительно разбухают (т.е. увеличивают свой объем по меньшей мере примерно в 8 раз) как в свежей воде, так и в соленой воде, и по существу, свободны определено как количество, которое заметно не влияет на диспергируемость. Гидратируемые глины могут включать в себя такие глины, которые значительно разбухают при контактировании со свежей водой, но не при контактировании с соленой водой, включая, например, глины, содержащие монтмориллонит натрия, такие как бентонит. Как описано выше, многие гидратируемые глины имеют листовую или пластинчатую структуру, что приводит к их расширению при контактировании с водой.

Применение аттапульгита (или других негидратируемых глин) известно в технике. Например, такие глины часто используют вместо бентонита в качестве вриб тиб (раствора для забуривания ствола скважины) для бурения верхней секции морской скважины, когда в качестве непрерывной фазы скважинные жидкости используют соляной раствор или другую воду, содержащую соль, к которой прибавляют глину. Далее, как описано выше, загущение указанных жидких составов достигают сдвиговой деформацией жидкости, так что агрегаты частиц глины диспергируют в отдельные (или малые пучки) игольчатые частицы, которые, в свою очередь, образуют беспорядочные решетки, способные улавливать молекулы воды. Авторы данного изобретения думают также, что сдвиговая деформация может также расщеплять края кристалла, создавая силы притяжения у зарядов на образующихся разрушенных связях, которые, в свою очередь, притягивают воду. Однако сдвиговая деформация требует значительного времени и энергии на буровой установке, чтобы жидкость достигла желаемой вязкости.

Вследствие того, что скорости нагнетания глинистого раствора (на буровой установке) больше, чем время, необходимое для достаточных уровней сдвиговой деформации, обычно для обеспечения требуемой вязкости используют более высокие концентрации глины. Авторы данного изобретения, однако, с пользой обнаружили, что аттапульгит (или другие негидратируемые глины) с более малой крупностью частиц, чем обычные продажные продукты, может быть диспергирован быстрее, делая возможным достижение вязкости (текучести) быстрее и с меньшей энергией сдвиговой деформации без существенного увеличения пластической вязкости. Хотя и не будучи связано любым конкретным механизмом, это предполагает, что, если жидкость подвергается сдвиговой деформации, частицы глины эффективно измельчаются. Таким образом, теоретически рассуждают, что при применении источника более тонких частиц глины измельчение во время сдвиговой деформации может быть уменьшено (или устранено) и жидкость может скорее достичь предела текучести. Дополнительно при использовании отсортированных по крупности частиц, что уменьшает количество времени для (увеличения) текучести жидкости, предел текучести может быть достигнут сдвиговой деформацией за количество времени, которое сравнимо со скоростями накачивания глинистого раствора, позволяя использовать более низкие концентрации глины при получении лучшего коэффициента полезного действия.

Таким образом, в соответствии с вариантами осуществления данного открытия в составе скважинной жидкости может быть обеспечено применение доведенной до требуемой крупности или микронизированной негидратируемой глины. Авторы данного открытия получили распределения частиц по размерам различных образцов обычного аттапульгита и определили, что источники ранжированы по средним размерам (т.е. б₅₀ от 64 до 161 мкм; однако следует отметить, что указанные определения крупности/сортировку учесть не легко; это делают при введении аттапульгита в состав скважинной жидкости).

- 3 020338

Как использовано здесь, термин отсортированная по крупности глина относится к глинистым наполнителям, которые классифицированы по крупности в желаемом интервале й₅₀. Если не указано иначе, все интервалы крупности частиц относятся к значениям до сдвиговой деформации. Например, используя сортировочное оборудование, глинистый источник может быть отсортирован по крупности для отделения близко совпадающих глин со средним размером частиц менее 50 мкм до введения в скважинную жидкость и подлежащих любой сдвиговой деформации. Таким образом, в различных вариантах осуществления отсортированная по крупности глина данного изобретения может иметь й₅₀ менее примерно 50 мкм, менее примерно 20 мкм в другом варианте осуществления и менее 10 мкм еще в одном варианте осуществления. Специалист в данной области техники может оценить, что отбор распределения частиц по размерам (т.е. от й₅₀ менее 50, 40, 30, 20, 10 мкм, например, или любому другому значению й₅₀) может зависеть от таких факторов, как тип (и точность) имеющегося оборудования сдвиговой деформации, концентрации глины, скоростей нагнетания глинистого раствора, желаемого предела текучести и т.д. Например, авторами данного изобретения было определено, что в результате использования отсортированной по крупности негидратируемой глины можно не только сократить время сдвиговой деформации, но также и увеличить предел текучести. Поэтому, если желателен конкретный предел текучести и должен быть использован конкретный тип оборудования, имеющий немного более низкие скорости сдвиговой деформации, может быть выбрана комбинация частиц немного более тонкой глины при более низких концентрациях или немного более крупных частиц при более высоких концентрациях.

Кроме того, специалист в данной области техники может оценить, что, если для некоторых составов могут быть желательны интервалы крупности й₅₀<50 или 20 мкм, в жидкостях и способах данного открытия могут также быть использованы другие интервалы крупности (и распределения). Таким образом, примеры альтернативных распределений крупности могут включать в себя негидратируемые глины с й₁₀<9 мкм, й₂₅<26 мкм и й₅₀<64 мкм. Другие примерные варианты осуществления могут включать в себя негидратируемые глинистые породы, имеющие (до сдвиговой деформации) й₉₀ в интервале 24-68 мкм, й₅₀ в интервале 10-30 мкм и й₁₀ в интервале 3-6 мкм. Кроме того, если указанные частицы введены в скважинную жидкость и подвергнуты сдвиговой деформации, распределение может сузиться. Таким образом, варианты осуществления данного изобретения могут включать в себя негидратируемые глинистые породы, имеющие (после сдвиговой деформации) й₉₀ в интервале 12-24 мкм, й₅₀ в интервале 3,7-12 мкм и й₁₀ в интервале 0,6-1,4 мкм. Однако специалисты в данной области могут понимать, что вариации в размере глинистых пород-основ могут варьироваться в соответствии с требованиями определенных скважинных жидкостей и/или операций бурения.

Как отмечено выше, использование отсортированных по крупности негидратируемых глин может обеспечить улучшенные свойства предела текучести. Предел текучести является мерой электрохимических сил или сил притяжения в жидких состояниях, которая показывает способность скважинной жидкости выносить обломки породы из ствола скважины и, таким образом, зависит от поверхностных свойств твердых тел в жидкости. Указанные электрохимические силы и силы притяжения являются результатом отрицательных и положительных зарядов, локализованных на или вблизи поверхностей частиц, которые могут быть генерированы, например, во время сдвиговой деформации. В соответствии с вариантами осуществления данного открытия использование отсортированных по крупности негидратируемых глин может позволить достичь пределов текучести по меньшей мере примерно 50 фунтов/100 фут² при концентрации 30 ррЬ. Кроме того, пределы текучести по меньшей мере около 60 фунтов/100 фут² могут быть достигнуты при концентрациях негидратируемых глин 35 ррЬ. Более того, указанные пределы текучести могут быть достигнуты при времени сдвиговой деформации менее 30 мин, если применяют смеситель 8Пусг5ОП с круглыми отверстиями сетки эмульгатора головки статора, которая имеет степень сдвиговой деформации 6522000 с^-1. Примерные концентрации могут меняться от 20 до 50 ррЬ; однако специалист в данной области техники может оценить, что могут быть использованы другие концентрации, так как выбор концентрации может зависеть от желаемого предела текучести для конкретного процесса бурения.

Кроме того, специалист в данной области техники может оценить, что буровые растворы обычно классифицируют в соответствии с их материалом-основой. В конкретном варианте осуществления негидратируемые глины могут быть использованы для загущения скважинных жидкостей на основе воды, в частности жидкостей на основе соляного раствора, когда бентонит и другие гидратируемые глины могут быть неудовлетворительными. Однако данное изобретение этим не ограничивается ими, скорее, представляется, что отсортированные по крупности негидратируемые глины могут также найти применение в свежей воде.

Соляные растворы, использованные в вариантах осуществления данного открытия, могут включать в себя морскую воду или водные растворы, в которых концентрация соли выше, чем в морской воде. Соленость морской воды может меняться в интервале от примерно 1 мас.% до примерно 4,2 мас.% соли в расчете на весь объем морской воды. Соли, которые могут быть обнаружены в морской воде, включают в себя, но не ограничиваются солями натрия, кальция, алюминия, магния, калия, стронция и лития, сульфатами, фосфатами, силикатами, хлоридами, бромидами, карбонатами, йодидами, хлоратами, броматами, формиатами, нитратами, оксидами и фторидами. Соли, которые могут быть введены в данный соля

- 4 020338 ной раствор, включают в себя одну или более из присутствующих в природной морской воде или любые другие органические или неорганические растворимые соли. Дополнительно соляные растворы, которые могут быть использованы в предложенных здесь буровых растворах, могут быть природными или синтетическими, причем синтетические соляные растворы имеют тенденцию быть намного проще по составу. В одном из вариантов осуществления плотность бурового раствора может регулироваться увеличением концентрации соли в соляном растворе (вплоть до насыщения). В конкретном варианте осуществления соляной раствор может включать в себя галогениды или карбоксилаты моно- или двухвалентных катионов металлов, таких как цезий, калий, кальций, цинк и/или натрий.

В одном из вариантов осуществления буровой раствор может быть составлен таким образом, чтобы он имел плотность в интервале от примерно 9 до 14 фунтов на галлон. Буровой раствор может быть сразу составлен таким образом, чтобы он имел желаемый состав. В качестве альтернативы буровой раствор может быть образован от концентрированного глинистого раствора, такого как 16 фунтов на галлон глинистого раствора или более тяжелого глинистого раствора, который затем смешивают с соляным раствором для применения в желаемом составе. Специалисты в данной области техники могут оценить, что как желательные могут быть использованы другие плотности. Будучи смешанным из глинистого раствора и соляного раствора, буровой раствор может (необязательно) содержать соль, такую как соль щелочного металла или щелочно-земельного металла. В одном из вариантов осуществления буровой раствор может иметь рН больше примерно 6. В другом варианте осуществления буровой раствор может иметь рН в интервале от примерно 7,5 до 12. рН бурового раствора может быть достигнут подходящим путем прибавления кислотных или основных добавок, как известно специалисту в данной области техники. Например, для повышения или уменьшения рН жидкости могут быть использованы каустическая сода и лимонная кислота.

Кроме того, в дополнение к жидкостям на водной основе можно представить себе, что отсортированные по крупности негидратируемые глины могут быть использованы в жидкостях на углеводородной основе. Эмульсионные/инвертные скважинные жидкости на углеводородной основе могут включать в себя маслянистую непрерывную фазу, немаслянистую дискретную фазу и микронизированный утяжелитель. Специалист в данной области техники может оценить, что глины, описанные выше, могут быть модифицированы в соответствии с желаемым применением. Например, модифицирование может включать в себя введение гидрофобизатора, как известно в технике, чтобы распределять добавки, более применимые для использования в жидкостях на углеводородной основе.

Маслянистая жидкость может представлять собой жидкость, более предпочтительно природное или синтетическое масло; и более предпочтительно маслянистую жидкость выбирают из группы, включающей в себя дизельное топливо, нефть, синтетическое масло, такое как гидрированные и негидрированные олефины, включая поли-альфа-олефины, линейные и разветвленные олефины и подобные, полидиорганосилоксаны, силоксаны или органосилоксаны, эфиры жирных кислот, в частности линейные, разветвленные и циклические алкиловые эфиры жирных кислот, подобные соединения, известные специалисту в данной области техники, и их смеси. Концентрация маслянистой жидкости должна быть достаточной для образования инвертной эмульсии и может быть менее примерно 99% по объему от инвертной эмульсии. В одном из вариантов осуществления количество маслянистой жидкости составляет от примерно 30 до примерно 95% по объему и более предпочтительно от примерно 40 до примерно 90% по объему от инвертной эмульсионной жидкости. В одном из вариантов осуществления маслянистая жидкость может включать в себя по меньшей мере 5% по объему вещества, выбранного из группы, включающей в себя сложные эфиры, простые эфиры, ацетали, диалкилкарбонаты, углеводороды и их комбинации.

Немаслянистая жидкость, использованная в составе предложенной здесь инвертной эмульсионной жидкости, представляет собой жидкость и может быть водной жидкостью. В одном из вариантов осуществления немаслянистая жидкость может быть выбрана из группы, включающей в себя морскую воду, соляной раствор, содержащий органические и/или неорганические растворенные соли, жидкости, содержащие смешивающиеся с водой органические соединения, и их комбинации. Количество немаслянистой жидкости обычно меньше, чем теоретический предел, необходимый для образования инвертной эмульсии. Поэтому в одном из вариантов осуществления количество немаслянистой жидкости меньше примерно 70% по объему и предпочтительно от примерно 1 до примерно 70% по объему. В другом варианте осуществления немаслянистая жидкость предпочтительно составляет от примерно 5 до примерно 60% по объему от инвертной эмульсионной жидкости. Жидкая фаза может включать в себя либо водную жидкость, либо маслянистую жидкость или их смеси. В конкретном варианте осуществления в скважинную жидкость, содержащей водную жидкость, которая включает в себя по меньшей мере одно из свежей воды, морской воды, соляного раствора и их комбинаций, может быть введен барит с покрытием или другие микронизированные утяжелители.

Для приготовления предложенных здесь буровых растворов могут быть использованы обычные способы, аналогичные, как правило, используемым для получения обычных скважинных жидкостей на водной основе и на углеводородной основе. В одном из вариантов осуществления желаемое количество жидкости на водной основе и подходящее количество отсортированной по крупности негидратируемой глины, как описано выше, смешивают вместе и последовательно при непрерывном перемешивании при

- 5 020338 бавляют любые остальные компоненты скважинной жидкости. В другом варианте осуществления желаемое количество маслянистой жидкости, такой как сырая нефть, немаслянистой жидкости и подходящее количество отсортированной по крупности негидратируемой глины (возможно модифицированной) смешивают вместе и последовательно при непрерывном перемешивании прибавляют любые остальные компоненты. Инвертная эмульсия может быть образована путем сильного взбалтывания, смешения или сдвиговой деформации маслянистой жидкости и немаслянистой жидкости.

В предложенные здесь скважинные жидкости могут быть включены другие добавки, например смачивающие агенты, органофильные глины, загустители, реагенты для регулирования фильтрации бурового раствора, поверхностно-активные вещества, диспергаторы, понизители поверхностного натяжения на границе раздела фаз, рН-буферы, взаимные растворители, разбавители, разжижители и очищающие средства. Добавление указанных агентов должно быть хорошо известно специалисту в области составления буровых растворов и глинистых растворов.

Кроме того, как отмечено выше, жидкости данного открытия могут, в частности, найти применение в криб тиб (буровом растворе для забуривания ствола скважины), глинистом растворе на водной основе для бурения скважины от поверхности до глубины отмели. В указанном случае бурение часто осуществляют без вертикальной водоотводной колонны, в результате чего после вытекания из буровой коронки жидкость течет через затрубное пространство между бурильной колонной и стволом скважины в морскую воду. Дополнительное обсуждение бурения без вертикальной водоотводной колонны может быть найдено в патентной публикации США № 2007/0246221, которое относится к данному определению и введено здесь в качестве ссылки. Однако данное открытие этим не ограничено. Отсортированные по крупности негидратируемые глины скорее могут быть использованы в любой жидкости, где обычно применяют глины и/или где желательно загущение, или при бурении любых других отрезков скважины.

Примеры

Следующие примеры использованы для испытания эффективности предложенных здесь буровых растворов в способности и производительности достижения предела текучести.

Были испытаны шесть образцов глины из 2етех 1пби51па1 Ма1епа15 (Атланта, СА) или М-Ι ЬЬС (Хьюстон, ТХ) либо размолотый аттапульгит различных марок. Распределение частиц по крупности для каждого образца приведено в табл. 1.

Таблица 1

	Размер частиц, микрометры
Нэзванне глины	</10	</25	</50	</75	</90	Средний	Меди- ана	Моде	Ст* откл.
Тетех Ое1 701-Р	3,517	5,786	9,966	16,25	23,79	9,486	9,966	11,29	2,069
Тетех Ое1 М5	5,640	12,86	29,65	49,98	68,25	23,48	29,65	50,22	2,699
Тетех ΕΖ Ое1	5,195	11,22	24,82	42,85	60,65	20,47	24,82	41,68	2,660
М-Ι Соль Гель	9,165	26,66	64,25	130,20	207,40	52,10	64,25	116,30	3,411
Тетех Се1 8огЬ	14,630	72,37	161,3	320,20	506,50	121,90	161,30	295,50	4,002
Тетех Ваасо Соль Ми<1	7,585	20,47	56,87	115,90	190,20	44,98	56,87	96,49	3,593

Для всех испытаний различные сорта глины суспендировали в синтетической морской воде без добавления для суспендирования других веществ. Синтетическую морскую воду составляли в лаборатории с 4,046 мас.% морской соли (поставляемой Баке С11е1шса1 Ртобисй и содержащей различные минералы, такие как соли кальция и магния вдобавок к преобладающему хлориду натрия) в деионизированной воде. Перед приложением сдвиговой деформации сухую глину кратко гомогенизировали в соленой воде, используя обычный лабораторный смеситель.

Влияние концентрации и размера частиц на текучесть.

К морской воде прибавляли образцы глины в количестве 30, 35 и 40 ррЬ (эквивалентно г/350 мл) и подвергали сдвиговой деформации в течение времени до 2 ч или до достижения предела текучести 60 фунтов/100 фут². На всем протяжении времени смешения отбирали образцы и измеряли вязкость, используя вискозиметр Батт 35, при 120°Б. Результаты приведены на фиг. 1-3.

На фиг. 1 показан предел текучести образцов аттапульгита как функции времени при 30 ррЬ. В частности, можно наблюдать соотношение между размером частиц образца глины и текучестью. Образец с большим медианным размером частиц, Се1 8огЬ. проявляет намного большую текучесть, чем другие испытанные образцы. Даже при концентрации до 50 ррЬ (не показано) указанный материал не дает текучесть выше 40 ф/100 фут². Се1 701-Р, который имеет меньший медианный размер частиц 9,96 мкм, течет быстро и достигает 60 фунт/100 фут² за 1 ч сдвиговой деформации. Се1 8отЬ был удален из дальнейших испытаний вследствие его низкой текучести при 30 ррЬ и превосходящих характеристик других продуктов.

- 6 020338

Испытания повторяли со всеми другими образцами и повторяли при более высокой концентрации 35 ррЬ в морской воде, результаты которых показаны на фиг. 2. Все образцы достигали 60 фунт/100 фут²самое большее за 40 мин, однако все следующие образцы - Се1 701Р, ΕΖ Се1 и Се1 М8 - достигали 60 фунт/100 фут² за 30 мин. Конечный максимальный предел текучести в испытаниях не определяли, так что конечная вязкость как функция размера частиц не была определена (это было обсуждено для 30 ррЬ ниже). Эксперимент предназначался для того, чтобы показать, что плановый результат может быть достигнут повышением концентрации продукта.

В указанных испытаниях отмечено, что некоторые образцы глин проявляют горб вязкости, когда достигают максимального предела текучести, а затем дальнейшая сдвиговая деформация вызывает уменьшение предела текучести. Традиционный взгляд на аттапульгит таков, что материал обладает формой длинных тонких игл. Если глину, подвергшуюся сдвиговой деформации и зарядке, затем экспонируют, частицы глины притягиваются конец-к-концу с образованием длинных подобных полоскам образований, что приводит к увеличению вязкости. Однако через некоторое количество времени сдвиговая деформация становится деструктивной и связи конец-к-концу ставятся под угрозу, что делается очевидным из-за заметного снижения вязкости.

На фиг. 3 показан нанесенный максимальный достигнутый предел текучести (для 30 ррЬ) в зависимости от медианного размера частиц. Можно видеть, что линейное отношение существует с хорошей корреляцией, с меньшими размерами частиц, дающими наибольшую вязкость.

Эффект сдвиговой деформации.

Готовили суспензию ΕΖ Ое1, Ое1 М8, Ваксо 8а11 Мид и 8а11 Ое1 в морской воде при 30 ррЬ на смесителе 811уег5ои с различными головками статора. Вязкость измеряли на протяжении времени вискозиметром Раил 35. Использовали три различные головки статора: с сеткой эмульгатора с круглыми отверстиями, с сеткой эмульгатора высокого сдвига с квадратными отверстиями и с сеткой эмульгатора высокого сдвига с прямоугольными отверстиями. Степень сдвиговой деформации для каждого типа головки статора рассчитывали при скорости импеллера 6000 об/мин для сетки эмульгатора с круглыми отверстиями 6522000 с^-1, для сетки высокого сдвига с квадратными отверстиями 2304000 с^-1 и для сетки эмульгатора высокого сдвига с прямоугольными отверстиями 384000 с^-1. Внутренний диаметр каждой головки статора измеряли и он должен был быть 32 мм, позволяя интервалу скорости деформации сдвига быть идентичным для каждой головки статора для данной скорости импеллера и одинакового типа импеллера. Другие конфигурации импеллера не пригодны для данного испытания. При 6000 об/мин скорость кончика импеллера равна 565,5 м/с, интервал скорости сдвиговой деформации для каждой головки статора равен 282,774 с^-1.

Начальное распределение размера частиц каждого сорта глины (показано в табл. 1 и определено как поступившее от фирмы-поставщика) сравнивают с распределением размера частиц повторно испытанным после сдвиговой деформации, результаты чего приведены в табл. 2 ниже. Результаты влияния различных статоров (и, таким образом, скоростей сдвиговой деформации) на текучесть для каждого из образцов показаны на фиг. 4-7.

Для каждого образца, испытанного для определения генерирования вязкости в результате сдвиговой деформации с различными головками статора 8йуег5ои показано, что сетка эмульгатора с круглыми отверстиями дает большую степень текучести, чем две другие головки статора, что проиллюстрировано на фиг. 4-7. Это ожидаемо и показывает, что увеличение площади поверхности меньше сдвигающего усилия скважин, и поэтому большие силы сдвига (и скорости) позволяют частицам расщепляться и приобретать способность более эффективно гидратироваться, генерируя более высокую вязкость. Эмульгатор с круглыми отверстиями дает наивысшую степень сдвиговой деформации, тесно связанную с наибольшей текучестью продукта.

Таблица 2

	Размер частиц, микрометры
Название глины	До/ после сдвига	ά 10	4 25	4 50	4 75	4 90	Средний	Ме- диан	Моде
Се1 701-Р	До	3,517	5,786	9,966	16,25	23,79	9,486	9,966	11,29
После	1,389	3,140	6,449	11,75	18,52	5,583	6,449	8,536
ΕΖ Се1	До	5,195	11,22	24,82	42,85	60,65	20,47	24,82	41,68
После	0,658	1,602	4,615	10,65	19,65	3,932	4,615	10,29
Ое1 М8	До	5,640	12,86	29,65	49,98	68,25	23,48	29,65	50,22
После	0,848	2,185	5,197	11,30	23,92	4,831	5,197	5,878

- 7 020338

М-ι 5а11 <Эе1	До	9,165	26,66	64,25	130,20	207,40	52,10	64,25	116,30
После	0,707	1,718	3,753	7,20	12,13	3,269	3,753	4,877
Се1 8огЬ	До	14,630	72,37	161,3	320,20	506,50	121,90	161,30	295,50
После	1,001	2,934	11,74	26,51	63,36	8,976	11,74	16,40
Вазсо 5а11	До	7,585	20,47	56,87	115,90	190,20	44,98	56,87	96,49
Μιιά	После	0,671	1,538	4,262	10,53	19,53	3,865	4,262	11,29

Определение размера частиц образцов глины в сухом состоянии и затем после сдвиговой деформации и дегидратации показали, что сдвиги Ρ8Ό влево указывают на уменьшение количества крупных частиц и увеличение концентрации тонких частиц. Сдвиг доказывает, что частицы глины разламываются в процессе влажного размола. Процесс размола более заметен в образцах с более крупными частицами и доказывает, что, если используют материал более тонкого сорта, требования влажного размола уменьшаются и для достижения вязкости может быть уменьшено требование влажного размола. Диаграмма данных в табл. 2 свидетельствует о том, что сдвиг для М-Ι 8а11 Се1 намного больше по сравнению с начальным тонким продуктом Се1 701-Р.

По меньшей мере одним из преимуществ вариантов осуществления данного открытия является следующее. Применение негидратируемых глин с более мелкими частицами, чем в обычных продажных продуктах, позволяет диспергировать быстрее, давая возможность быстрее и с меньшей энергией сдвиговой деформации достигать требуемой вязкости (текучести). Дополнительно, использование отсортированных по крупности частиц, что уменьшает количество времени для выпуска жидкости, предел текучести может быть достигнут путем сдвиговой деформации за количество времени, сравнимое со скоростью накачивания глинистого раствора, позволяя таким образом использовать более низкие концентрации глины, получая лучшую производительность. Кроме того, в результате применения отсортированной по крупности частиц негидратируемой глины можно не только достичь уменьшения времени сдвиговой деформации, но и повышения предела текучести. Указанные пределы текучести могут быть получены при более низких концентрациях, позволяя экономить стоимость, в частности, при бурении без вертикальной водоотделяющей колонны (так как жидкость не возвращают на поверхность и не регенерируют). Дополнительно, если жидкость предварительно не подвергают сдвиговой деформации (совсем или завершено) и деформацию сдвига достигают процессом накачивания, количества требуемой глины могут сильно уменьшиться по сравнению с применением обычной глины из-за более короткого времени вытекания.

Хотя изобретение описано по отношению к ограниченному числу вариантов осуществления, специалисты в данной области техники, имея преимущества данного открытия, могут оценить, что могут быть разработаны другие варианты осуществления, которые не выходят за рамки предложенного здесь изобретения. Соответственно рамки изобретения должны быть ограничены только приложенной формулой изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Скважинная жидкость, содержащая основную жидкость и отсортированную по крупности негидратируемую глину, в которой средний размер частиц отсортированной по крупности негидратируемой глины ά₅₀ составляет менее 50 мкм.
2. Жидкость по п.1, в которой в отсортированную по крупности негидратируемую глину входит по меньшей мере один тип глин из аттапульгита и сепиолита.
3. Жидкость по п.1, в которой средний размер частиц отсортированной по крупности негидратируемой глины ά₅₀ составляет менее 20 мкм.
4. Жидкость по п.1, в которой средний размер частиц отсортированной по крупности негидратируемой глины ά₅₀ составляет 10-30 мкм.
5. Жидкость по п.1, в которой отсортированная по крупности негидратируемая глина присутствует в количестве 20-50 фунтов/баррель (57-143 кг/м³) .
6. Жидкость по п.1, в которой основная жидкость представляет собой водную жидкость, содержащую соль щелочного металла или щелочно-земельного металла.
7. Жидкость по п.1, дополнительно содержащая по меньшей мере один утяжелитель, дефлоккулятор, понизитель водоотдачи и их комбинации.
8. Жидкость по п.1, в которой основная жидкость представляет собой жидкость на углеводородной основе.
9. Скважинная жидкость, содержащая водную жидкость;

отсортированный по крупности аттапульгит, в котором средний размер частиц отсортированного по крупности аттапульгита ά₅₀ составляет менее чем 50 мкм; и

- 8 020338 соль щелочного или щелочно-земельного металла, в которой скважинная жидкость, по существу, свободна от гидратируемой глины.
10. Жидкость по п.9, в которой средний размер частиц отсортированного по крупности аттапульгита б₅₀ составляет менее 20 мкм.
11. Жидкость по п.10, в которой средний размер частиц отсортированного по крупности аттапульгита б₅₀ составляет 6-12 мкм.
12. Жидкость по п.9, в которой отсортированный по крупности аттапульгит присутствует в количестве 20-50 фунтов/баррель (57-143 кг/м³).
13. Способ бурения подземной скважины, предусматривающий прибавление отсортированной по крупности негидратируемой глины к основной жидкости для образования бурового раствора, в котором средний размер частиц отсортированной по крупности негидратируемой глины б₅₀ составляет менее 50 мкм; и бурение скважины с буровым раствором.
14. Способ по п.13, в котором в отсортированную по крупности негидратируемую глину входит по меньшей мере один тип глин из аттапульгита и сепиолита.
15. Способ по п.13, в котором средний размер частиц отсортированной по крупности негидратируемой глины б₅₀ составляет менее 20 мкм.
16. Способ по п.13, в котором средний размер частиц отсортированной по крупности негидратируемой глины б₅₀ составляет 10-30 мкм.
17. Способ по п.13, в котором отсортированная по крупности негидратируемая глина присутствует в количестве 20-50 фунтов/баррель (57-143 кг/м³).
18. Способ по п.13, в котором основная жидкость представляет собой водную жидкость, содержащую соль щелочного металла или щелочно-земельного металла.
19. Способ бурения без вертикальной трубы, предусматривающий следующее:

подготовка бурового раствора для бурильного агрегата для бурения ствола скважины на дне моря, бурильного агрегата, содержащего бурильную колонну и агрегат забоя скважины, и в которой буровой раствор содержит соляной раствор и отсортированную по крупности негидратируемую глину, в которой средний размер частиц отсортированной по крупности негидратируемой глины б₅₀ составляет менее 50 мкм; и фонтанирование бурового раствора и обломков выбуренной породы через межтрубное пространство, образованное бурильной колонной и стволом скважины, в морскую воду.
20. Способ по п.19, в котором в отсортированную по крупности негидратируемую глину входит по меньшей мере один тип глин из аттапульгита и сепиолита.
21. Способ по п.19, в котором средний размер частиц отсортированной по крупности негидратируемой глины б₅₀ составляет менее 20 мкм.
22. Способ по п.19, в котором средний размер частиц отсортированной по крупности негидратируемой глины б₅₀ составляет 10-30 мкм.
23. Способ по п.19, в котором отсортированная по крупности негидратируемая глина присутствует в количестве 20-50 фунтов/баррель (57-143 кг/м³).